Little Kernel 01 | Mr Bluyee's Blog

LK是什么

LK 是 Little Kernel 它是 appsbl （Applications ARM Boot Loader）流程代码，little kernel 是小内核小操作系统。

LK主要功能：

初始化硬件模块，如时钟，中断，UART，USB，LCD，PMIC，eMMC/UFS等。
更新cmdline。其中重要的是区分启动模式。
选择和更新device tree。
设置好系统状态，跳转到kernel。 MMU = off, D-cache = off, I-cache = on or off，x0 = physical address to the FDT blob。
fastboot功能。
鉴权。

LK 代码结构:

app
// 应用相关
arch
// arm 体系
dev
// 设备相关
include
// 头文件
kernel
// lk系统相关
platform
// 相关驱动
projiect
// makefile文件
scripts
// Jtag 脚本
target
// 具体板子相关

一些宏定义

宏定义	意思
WITH_KERNEL_VM	支持虚拟内存
WITH_SMP	支持多核
ARM_CPU_CORTEX_A8	A8架构
ARM_WITH_MMU	支持MMU

LK流程分析

lk主要任务：

1.进行各种早期的初始化工作，包括 cpu, emmc, ddr, clocks, thread etc。
2.判断进入 recovery 或 fastboot 的条件是否被触发。
3.从 emmc 中获取 boot.img 并加载到指定内存区域 (scratch region)。
4.从 scratch region 加载 kernel 到 KERNEL_ADDRESS 。
5.从 scratch region 加载 ramdisk 到 RAMDISK_ADDRESS 。
6.加载设备树到 TAGS_ADDRESS 。
7.关闭 cache, interrupts, 跳转到 kernel。

在 lk/arch/arm64/ssystem-onesegment.ld 连接文件中 ENTRY（_start）指定 LK 从_start 函数开始，_start 在 lk/arch/start.S中。

start.S 主要做一些基本的 CPU 的初始化。

1.enable caches so atomics and spinlocks work
2.set up the mmu（主要部分）
3.clear bss
4.Set up the stack
最后，通过bl lk_main跳转到 C 代码中。

在lk/top/main.c中定义了lk_main函数。

lk_main流程

lk main流程
1.thread_init_early()

1 2	// get us into some sort of thread context thread_init_early();

初始化进程（lk 中的简单进程）相关结构体，初始化lk的线程系统。

2.arch_early_init()

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// early arch stuff
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_EARLIEST, LK_INIT_LEVEL_ARCH_EARLY - 1);
arch_early_init();

架构相关早期初始化，arch_early_init 和所使用的 CPU架构有很强的耦合性，这个函数的代码也主要是针对 CPU 的一些特性做设置。做一些如关闭cache，使能 mmu ，开启一些协处理器特性的 arm 相关工作。

3.platform_early_init()

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// do any super early platform initialization
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_ARCH_EARLY, LK_INIT_LEVEL_PLATFORM_EARLY - 1);
platform_early_init();

相关平台的早期初始化，如获取板级信息，初始化时钟、中断、定时器等，为 lk的启动和运行提供硬件环境。

4.target_early_init()

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// do any super early target initialization
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_PLATFORM_EARLY, LK_INIT_LEVEL_TARGET_EARLY - 1);
target_early_init();

初始化板子相关，其中只初始化了串口，开启uart调试接口。

5.heap_init()

// bring up the kernel heap
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_TARGET_EARLY, LK_INIT_LEVEL_HEAP - 1);
dprintf(SPEW, "initializing heap\n");
heap_init();

lk系统相关的堆栈初始化，用于malloc等函数的内存分配

6.call_constructors()

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// deal with any static constructors
dprintf(SPEW, "calling constructors\n");
call_constructors();

构造函数相关初始化，这个函数是 lk 和 c++ 联合编译使用的特性，主要是为了调用 c++ 代码的构造函数，单纯的 lk 中这个函数并没有作用。

7.kernel_init()

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// initialize the kernel
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_HEAP, LK_INIT_LEVEL_KERNEL - 1);
kernel_init();

内核初始化。

8.创建并唤醒bootstrap2线程

lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_KERNEL, LK_INIT_LEVEL_THREADING - 1);

// create a thread to complete system initialization
dprintf(SPEW, "creating bootstrap completion thread\n");
thread_t *t = thread_create("bootstrap2", &bootstrap2, NULL, DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE);
thread_set_pinned_cpu(t, 0);
thread_detach(t);
thread_resume(t);

// become the idle thread and enable interrupts to start the scheduler
thread_become_idle();

用于进一步完成bootloader工作，最终将本线程切换到idle状态。

以上与 boot 启动初始化相关函数是 arch_early_init、 platform_early_init 、bootstrap2

lk_init相关定义：

enum lk_init_level {
    LK_INIT_LEVEL_EARLIEST = 1,

    LK_INIT_LEVEL_ARCH_EARLY     = 0x10000,
    LK_INIT_LEVEL_PLATFORM_EARLY = 0x20000,
    LK_INIT_LEVEL_TARGET_EARLY   = 0x30000,
    LK_INIT_LEVEL_HEAP           = 0x40000,
    LK_INIT_LEVEL_VM             = 0x50000,
    LK_INIT_LEVEL_KERNEL         = 0x60000,
    LK_INIT_LEVEL_THREADING      = 0x70000,
    LK_INIT_LEVEL_ARCH           = 0x80000,
    LK_INIT_LEVEL_PLATFORM       = 0x90000,
    LK_INIT_LEVEL_TARGET         = 0xa0000,
    LK_INIT_LEVEL_APPS           = 0xb0000,

    LK_INIT_LEVEL_LAST = UINT_MAX,
};

enum lk_init_flags {
    LK_INIT_FLAG_PRIMARY_CPU     = 0x1,
    LK_INIT_FLAG_SECONDARY_CPUS  = 0x2,
    LK_INIT_FLAG_ALL_CPUS        = LK_INIT_FLAG_PRIMARY_CPU | LK_INIT_FLAG_SECONDARY_CPUS,
    LK_INIT_FLAG_CPU_SUSPEND     = 0x4,
    LK_INIT_FLAG_CPU_RESUME      = 0x8,
};

thread_init_early()

lk系统的thread初始化

1 2	for (i=0; i < NUM_PRIORITIES; i++) //NUM_PRIORITIES=32 list_initialize(&run_queue[i]); //初始化32个运行队列

thread_init_early 所完成的主要工作就是为 lk 完成早期的线程初始化工作，包括运行队列的初始化，线程链表的初始化，第一个线程的创建等工作。在这个过程中一共有以下重要的数据结构：

运行队列 run_queue
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#define NUM_PRIORITIES 32

struct list_node {
struct list_node *prev;
struct list_node *next;
};

static struct list_node run_queue[NUM_PRIORITIES];
run_queue 是作为多线程的调度中心存在，数组不同的下标对应不同的运行优先级，具体的应用会在后面涉及到。
线程链表 thread_list
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static struct list_node thread_list;
全局的线程链表，保存了所有创建的线程信息。

bootstrap 线程

/* create a thread to cover the current running state */
thread_t *t = idle_thread(0);
init_thread_struct(t, "bootstrap");

/* half construct this thread, since we're already running */
t->priority = HIGHEST_PRIORITY;
t->state = THREAD_RUNNING;
t->flags = THREAD_FLAG_DETACHED;
thread_set_curr_cpu(t, 0);
thread_set_pinned_cpu(t, 0);
wait_queue_init(&t->retcode_wait_queue);
list_add_head(&thread_list, &t->thread_list_node);
set_current_thread(t);

每个线程的上下文信息都通过 thread_t 结构体保存，而 bootstrap 是作为 lk的第一个线程存在, 拥有最高优先级(HIGHEST_PROORITY) 。

1 2	/* since we're implicitly uniprocessor, store a pointer to the current thread here / thread_t _current_thread;

current_thread 是一个全局变量，保存了当前运行的线程的信息。
这些数据结构都进行了初始化后，lk 就具有了创建和管理线程的结构及能力。

arch_early_init()

不同的芯片架构初始化内容不同，lk支持microblaze、or1k、mips、arm、arm-m、arm64，以arm64为例。函数定义在lk/arch/arm64/arch.c中。

void arch_early_init(void)
{
    arm64_cpu_early_init();
    platform_init_mmu_mappings();
}

arm64_cpu_early_init

1.设置向量基地址（中断相关）
2.switch to EL1
3.enable fiqs

platform_init_mmu_mappings

初始化MMU映射，与platform有关，定义在platform文件夹下对应平台的platform.c文件，大部分定义为空函数。

platform_early_init()

与平台相关，一般任务为从共享内存中读取板级信息、初始化时钟、初始化ARM GIC中断控制器、初始化timer。在lk/platform/armemu/platform.c中：

void platform_early_init(void)
{
    /* initialize the interrupt controller */
    platform_init_interrupts();

    /* initialize the timer block */
    platform_init_timer();

    /* initialize the display */
    platform_init_display();
}

完成中断初始化、定时器初始化和显示初始化。

target_early_init()

在目标平台定义。

heap_init()

堆栈初始化
start the heap off with some spare memory in the page allocator.
malloc等内存分配函数在heap_wrapper.c文件下实现。

call_constructors()

构造函数相关初始化

bootstrap2

bootstrap2 在kmain的末尾以线程方式开启。主要分三步：platform_init、target_init、apps_init。

1 2	lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_THREADING, LK_INIT_LEVEL_ARCH - 1); arch_init();

1.initialize the arch

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dprintf(SPEW, "initializing platform\n");
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_ARCH, LK_INIT_LEVEL_PLATFORM - 1);
platform_init();

2.initialize the rest of the platform

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dprintf(SPEW, "initializing target\n");
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_PLATFORM, LK_INIT_LEVEL_TARGET - 1);
target_init();

3.initialize the target

dprintf(SPEW, "calling apps_init()\n");
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_TARGET, LK_INIT_LEVEL_APPS - 1);
apps_init();
lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_APPS, LK_INIT_LEVEL_LAST);

4.calling apps_init