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第5篇04-Linux内核镜像的加载和启动

2026-09-02 23:09:32

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ID mrc p15, 0, r9, c0, c0 bl __lookup_processor_type @ 计算物理地址偏移 adr_l r8, _text sub r8, r8, #TEXT_OFFSET @ 验证ATAGS/DTB bl __vet_atags @ 创建页表 bl __create_page_tables @ 处理器初始化 bl __cpu_flush @ 启用MMU bl __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_start mov r4, #01: cmp r3, r4 strcc r4, [r3], #4 bcc 1b @ 跳转到C语言入口点 ldr r2, =__mmap_switched_data ldmia r2, {r3, r4, sp} ldr r1, =__switch_data bx 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 OS

OP-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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第5篇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

前言

一、U-Boot：普通世界的引导者

1.1 U-Boot的启动

1.2 U-Boot的启动流程

二、加载Linux内核镜像

2.1 bootz命令

2.2 bootz命令的实现

2.3 zImage格式

三、Linux内核的启动过程

3.1 入口点：stext

3.2 关键初始化步骤

四、C语言入口点：start_kernel

4.1 __mmap_switched函数

4.2 start_kernel函数

4.3 关键初始化步骤

五、设备树（DTB）

5.1 设备树的作用

5.2 QEMU的设备树

5.3 设备树的传递

六、根文件系统挂载

6.1 内核命令行参数

6.2 initramfs/initrd

6.3 根文件系统的挂载

七、OP-TEE驱动加载

7.1 OP-TEE驱动的作用

7.2 OP-TEE驱动的加载

7.3 SMC调用流程

八、启动流程总结

九、调试技巧

9.1 启用Linux内核调试

9.2 使用GDB调试Linux内核

9.3 查看内核日志

9.4 内核命令行参数调试

十、常见问题

Q1：为什么Linux内核要运行在S-EL1？

Q2：设备树（DTB）有什么作用？

Q3：如何修改内核命令行参数？

Q4：为什么需要initramfs？

Q5：OP-TEE驱动是如何工作的？

总结

第9篇 | OP-TEE Linux驱动深度剖析——内核态如何与安全世界对话

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