04-Linux内核镜像的加载和启动
- 2026-08-18 23:10:38
04-Linux内核镜像的加载和启动
QEMU上的OP-TEE：普通世界的就绪之旅
本文是「QEMU上的OP-TEE——一次完整的启动之旅」系列第4篇，带你深入分析Linux内核镜像的加载和启动过程。
前言
在前面的文章中，我们分析了BL1、BL2、BL31和OP-TEE OS的启动过程。现在，安全世界已经准备就绪，接下来轮到普通世界登场了。
普通世界的核心是Linux内核，它运行在S-EL1（Secure Exception Level 1）级别，负责管理普通应用程序、文件系统、网络等资源。Linux内核的启动过程是整个系统启动链的最后一环，也是最复杂的一环。
本文将深入分析Linux内核镜像的加载和启动过程，带你了解普通世界是如何准备就绪的。
一、U-Boot：普通世界的引导者
1.1 U-Boot的启动
在OP-TEE QEMU环境中，U-Boot作为BL33运行在S-EL1级别。它是普通世界的引导程序，负责：
1.2 U-Boot的启动流程
U-Boot的启动过程分为多个阶段：
U-Boot启动流程：┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ SPL (Secondary Program Loader) ││ ││ 1. 初始化CPU ││ 2. 初始化DRAM ││ 3. 加载U-Boot主体 │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘│▼┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ U-Boot主体 ││ ││ 1. 初始化控制台 ││ 2. 初始化网络、存储等 ││ 3. 加载Linux内核 ││ 4. 启动Linux内核 │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
二、加载Linux内核镜像
2.1 bootz命令
在U-Boot中，使用bootz命令来启动Linux zImage：
# U-Boot命令行=> bootz 0x40008000 - 0x41000000
参数说明：
0x40008000：zImage在内存中的地址 -：没有initrd（初始内存盘） 0x41000000：设备树（DTB）的地址
2.2 bootz命令的实现
bootz命令的实现在u-boot/cmd/bootz.c中：
static int bootz_start(struct cmd_tbl *cmdtp, int flag, int argc,char *const argv[], bootm_headers_t *images){int ret;ulong zi_start, zi_end;/* 设置内核入口点 */if (!argc) {images->ep = image_load_addr;} else {images->ep = simple_strtoul(argv[0], NULL, 16);}/* 验证zImage格式 */ret = bootz_setup(images->ep, &zi_start, &zi_end);if (ret != 0)return 1;/* 查找其他镜像（initrd、DTB） */if (bootm_find_images(flag, argc, argv, images->ep, zi_end - zi_start))return 1;return 0;}int do_bootz(struct cmd_tbl *cmdtp, int flag, int argc, char *const argv[]){int ret;/* 调用bootz_start */if (bootz_start(cmdtp, flag, argc, argv, &images))return 1;/* 禁用中断 */bootm_disable_interrupts();/* 设置操作系统类型 */images.os.os = IH_OS_LINUX;/* 执行启动状态机 */ret = do_bootm_states(cmdtp, flag, argc, argv,BOOTM_STATE_RAMDISK |BOOTM_STATE_OS_PREP |BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO |BOOTM_STATE_OS_GO,&images, 1);return ret;}
2.3 zImage格式
zImage是Linux内核的压缩格式，它包含：
zImage结构：┌─────────────────────────────┐│ 自举代码 │ ← 解压内核├─────────────────────────────┤│ 压缩的内核 │ ← gzip压缩├─────────────────────────────┤│ 内核信息 │ ← 头部信息└─────────────────────────────┘
zImage的自举代码会：
三、Linux内核的启动过程
3.1 入口点：stext
Linux内核的入口点定义在linux/arch/arm/kernel/head.S中：
ENTRY(stext)@ 确保在ARM模式下ARM_BE8(setend be)@ 确保在SVC模式下，禁用所有中断safe_svcmode_maskall r9@ 获取处理器IDmrc p15, 0, r9, c0, c0bl __lookup_processor_type@ 计算物理地址偏移adr_l r8, _textsub r8, r8, #TEXT_OFFSET@ 验证ATAGS/DTBbl __vet_atags@ 创建页表bl __create_page_tables@ 处理器初始化bl __cpu_flush@ 启用MMUbl __turn_mmu_on@ 跳转到C语言入口点b __mmap_switchedENDPROC(stext)
3.2 关键初始化步骤
safe_svcmode_maskall r9这行代码确保CPU在SVC模式下运行，并禁用所有中断。
bl __lookup_processor_type这个函数会根据处理器ID查找对应的处理器信息结构。
bl __create_page_tables这个函数会创建初始页表，为启用MMU做准备。
bl __turn_mmu_on这个函数会启用MMU，开始使用虚拟内存。
b __mmap_switched跳转到arch/arm/kernel/head-common.S中的__mmap_switched函数。
四、C语言入口点：start_kernel
4.1 __mmap_switched函数
ENTRY(__mmap_switched)str r9, [r2] @ 存储机器号str r3, [r4] @ 存储DTB指针@ 清零BSS段adr r3, __bss_startmov r4, #01: cmp r3, r4strcc r4, [r3], #4bcc 1b@ 跳转到C语言入口点ldr r2, =__mmap_switched_dataldmia r2, {r3, r4, sp}ldr r1, =__switch_databx r1ENDPROC(__mmap_switched)
4.2 start_kernel函数
start_kernel是Linux内核的C语言入口点，定义在linux/init/main.c中：
asmlinkage __visible void __init __no_sanitize_address start_kernel(void){set_task_stack_end_magic(&init_task);smp_setup_processor_id();debug_objects_early_init();/* 设置本地IRQ禁用 */local_irq_disable();/* 设置早期控制台 */setup_arch(&command_line);setup_command_line(command_line);setup_nr_cpu_ids();setup_per_cpu_areas();/* 建立内存管理 */build_all_zonelists(NULL);page_address_init();/* 打印内核版本 */pr_notice(”%s”, linux_banner);/* 初始化各种子系统 */setup_arch(&command_line);trap_init();mm_init();/* 初始化调度器 */sched_init();/* 初始化中断 */init_IRQ();time_init();/* 初始化控制台 */console_init();/* 初始化进程管理 */pid_init();files_init();/* 挂载根文件系统 */vfs_caches_init();/* 启动init进程 */rest_init();}
4.3 关键初始化步骤
setup_arch(&command_line);这个函数会：
解析设备树（DTB） 初始化内存管理 设置中断控制器 初始化平台特定的硬件
mm_init();这个函数会：
初始化物理内存管理器 初始化虚拟内存管理器 设置内存分配器
sched_init();这个函数会：
初始化进程调度器 设置调度策略 初始化运行队列
console_init();这个函数会：
初始化串口驱动 注册控制台设备 启用控制台输出
rest_init();这个函数会：
创建内核线程kernel_init 创建内核线程kthreadd 启动调度器
五、设备树（DTB）
5.1 设备树的作用
设备树（Device Tree Blob）是一个描述硬件的数据结构，它告诉Linux内核：
系统中有哪些硬件设备 这些设备的寄存器地址 这些设备的中断号 这些设备的时钟配置
5.2 QEMU的设备树
在QEMU环境中，设备树由QEMU自动生成，描述了模拟的硬件：
设备树结构：├── /│ ├── chosen/│ │ └── bootargs = ”console=ttyAMA0 root=/dev/ram0”│ ├── cpus/│ │ └── cpu@0/│ │ └── compatible = ”arm,cortex-a15”│ ├── memory@│ │ └── reg = <0x40000000 0x40000000>│ ├── gic@...│ │ └── interrupt-controller│ ├── serial@...│ │ └── ARM AMBA PL011 UART│ └── virtio@...│ └── VirtIO MMIO
5.3 设备树的传递
U-Boot会将设备树地址传递给Linux内核：
/* 在U-Boot中 */images->ft_addr = (void *)simple_strtoul(argv[2], NULL, 16);/* 传递给内核 */r2 = images->ft_addr; /* DTB地址 */
六、根文件系统挂载
6.1 内核命令行参数
Linux内核通过命令行参数来配置根文件系统：
# 内核命令行console=ttyAMA0 root=/dev/ram0 rdinit=/linuxrc
参数说明：
console=ttyAMA0：使用串口作为控制台 root=/dev/ram0：使用RAM磁盘作为根文件系统 rdinit=/linuxrc：指定init程序
6.2 initramfs/initrd
在OP-TEE QEMU环境中，使用initramfs（初始内存盘）作为根文件系统：
initramfs结构：├── bin/│ ├── sh│ ├── ls│ └── ...├── etc/│ ├── passwd│ ├── init.d/│ └── ...├── lib/│ ├── *.so│ └── ...├── sbin/│ ├── init│ └── ...└── usr/├── bin/└── lib/
6.3 根文件系统的挂载
/* 在内核中 */void __init vfs_caches_init(void){/* 挂载rootfs */rootfs_init();/* 挂载devtmpfs */devtmpfs_init();/* 挂载sysfs */sysfs_init();/* 挂载proc */proc_init();}
七、OP-TEE驱动加载
7.1 OP-TEE驱动的作用
Linux内核需要通过OP-TEE驱动与OP-TEE OS通信：
Linux内核 ←→ OP-TEE驱动 ←→ SMC调用 ←→ OP-TEE OSOP-TEE驱动负责：
发送SMC调用到OP-TEE OS 接收OP-TEE OS的响应 管理共享内存 处理中断
7.2 OP-TEE驱动的加载
OP-TEE驱动在内核启动时自动加载：
/* 在设备树中 */optee@0 {compatible = ”linaro,optee-tz”;method = ”smc”;reg = <0x0 0x0 0x0 0x2000000>;};/* 在内核中 */static int __init optee_driver_init(void){/* 注册平台驱动 */return platform_driver_register(&optee_driver);}subsys_initcall(optee_driver_init);
7.3 SMC调用流程
SMC调用流程：┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ Linux内核 ││ ││ 1. 调用optee_smc_call() ││ 2. 设置SMC参数 ││ 3. 执行SMC指令 │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘│▼┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ BL31安全监控器 ││ ││ 1. 接收SMC调用 ││ 2. 切换到安全世界 ││ 3. 调用OP-TEE OS │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘│▼┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ OP-TEE OS ││ ││ 1. 处理SMC请求 ││ 2. 执行安全操作 ││ 3. 返回结果 │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
八、启动流程总结
让我们用一张图来总结Linux内核的启动流程：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ U-Boot启动 ││ ││ 1. 初始化硬件 ││ 2. 加载Linux内核（zImage） ││ 3. 加载设备树（DTB） ││ 4. 跳转到内核入口点 │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘│▼┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ Linux内核启动 ││ ││ 1. stext: 入口点 ││ - CPU模式设置 ││ - 处理器类型查找 ││ - 页表创建 ││ - MMU启用 ││ ││ 2. start_kernel: C语言入口 ││ - 架构初始化 ││ - 内存管理初始化 ││ - 调度器初始化 ││ - 中断初始化 ││ - 控制台初始化 ││ ││ 3. rest_init: 启动init进程 ││ - 创建内核线程 ││ - 启动调度器 │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘│▼┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ 根文件系统挂载 ││ ││ 1. 挂载rootfs ││ 2. 挂载devtmpfs ││ 3. 挂载sysfs ││ 4. 挂载proc │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘│▼┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│ OP-TEE驱动加载 ││ ││ 1. 注册平台驱动 ││ 2. 初始化共享内存 ││ 3. 配置SMC调用 │└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
九、调试技巧
9.1 启用Linux内核调试
# 在内核配置中启用调试CONFIG_DEBUG_INFO=yCONFIG_GDB_SCRIPTS=yCONFIG_KGDB=y
9.2 使用GDB调试Linux内核
# 启动QEMU（会等待GDB连接）make run-only QEMU_EXTRA_ARGS=”-S -s”# 在另一个终端启动GDBarm-linux-gnueabihf-gdb# 加载内核符号文件file vmlinux# 连接到QEMUtarget remote localhost:1234# 在入口点设置断点break stext# 在start_kernel设置断点break start_kernel
9.3 查看内核日志
# 在Linux系统中查看内核日志dmesg# 实时查看日志tail -f /var/log/kern.log
9.4 内核命令行参数调试
# 添加调试参数# 在U-Boot中设置setenv bootargs ”console=ttyAMA0 root=/dev/ram0 rdinit=/linuxrc debug”# 或者在设备树中修改chosen {bootargs = ”console=ttyAMA0 root=/dev/ram0 rdinit=/linuxrc debug”;};
十、常见问题
Q1：为什么Linux内核要运行在S-EL1？
A：在OP-TEE环境中，Linux内核运行在S-EL1级别，而不是普通的EL1级别。这是因为：
OP-TEE OS运行在S-EL1 Linux内核需要通过SMC调用与OP-TEE OS通信 安全世界和普通世界共享同一个EL1级别，但有不同的安全状态
Q2：设备树（DTB）有什么作用？
A：设备树描述了系统的硬件配置，包括：
CPU架构和核心数 内存大小和地址 外设的寄存器地址和中断号 时钟和电源管理配置
Q3：如何修改内核命令行参数？
A：可以通过以下方式修改：
Q4：为什么需要initramfs？
A：initramfs（初始内存盘）的作用是：
提供一个最小的根文件系统 加载必要的驱动程序 挂载真正的根文件系统 启动init程序
Q5：OP-TEE驱动是如何工作的？
A：OP-TEE驱动通过SMC调用与OP-TEE OS通信：
总结
本文深入分析了Linux内核镜像的加载和启动过程，我们了解了：
Linux内核的启动是整个系统启动链的最后一步，也是最复杂的一步。在下一篇文章中，我们将继续分析rootfs挂载与OP-TEE驱动加载的细节。
下一篇预告：我们将分析rootfs挂载与OP-TEE驱动加载的详细过程，看看系统是如何完全就绪的。
💡 小贴士：Linux内核的启动过程虽然复杂，但核心逻辑是：解压内核 → 初始化硬件 → 挂载文件系统 → 启动用户空间程序。理解了这个流程，就掌握了普通世界的核心。
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