linux内核启动过程追踪

linux内核启动过程追踪

一、使用自己的Linux系统环境搭建MenuOS的过程

　　# 下载内核源代码编译内核

　　cd ~/LinuxKernel/

　　wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.18.6.tar.xz

　　xz -d linux-3.18.6.tar.xz

　　tar -xvf linux-3.18.6.tar

　　cd linux-3.18.6

　　make i386_defconfig

　　make # 一般要编译很长时间，少则20分钟多则数小时

　　# 制作根文件系统

　　cd ~/LinuxKernel/

　　mkdir rootfs

　　git clone https://github.com/mengning/menu.git # 如果被墙，可以使用附件menu.zip

　　cd menu

　　gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static –lpthread

　　cd ../rootfs

　　cp ../menu/init ./

　　find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img

　　# 启动MenuOS系统

　　cd ~/LinuxKernel/

　　qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

　　　　// -initrd file Use file as initial ram disk.

二、重新配置编译Linux使之携带调试信息

在原来配置的基础上，make menuconfig选中如下选项重新配置Linux，使之携带调试信息

　　kernel hacking—>[*] compile the kernel with debug info

　 make重新编译（时间较长）



三、使用gdb跟踪调试内核

　 1、qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S # 关于-s和-S选项的说明：

　　// # -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)

　 //# -s shorthand for -gdb tcp::1234 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

　2、另开一个shell窗口

　　gdb

　　（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux # 在gdb界面中targe remote之前加载符号表

　　（gdb）target remote:1234 # 建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行

　　（gdb）break start_kernel # 断点的设置可以在target remote之前，也可以在之后

四、过程图示：

　　1、可以看到QEMU 已经运行而且被“冻结”。（有几个文件没有，不影响后续操作）

　　

　　2、另外打开一个窗口，进入linuxkernel目录，输入gdb 回车

　　　　

　　3、输入：（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux

　　　 　（gdb）target remote:1234

　　　　　 　（gdb）break start_kernel

　 　

　　4、输入c 回车，可以看到内核继续启动，最后停在了start_kernel处：

更多gdb指令：

显示和查找程序源代码

（1）list ：显示10行代码，但是我为什么没有显示成功呢？

（2）list 5，10：显示源文件第五行到第十行的代码

（3）list t4.c：5，10：显示源文件中第五行到第十行的代码，在跳是含有多个源文件的次序时使用；

（4）list get_sum：显示get_sum函数周围的代码//什么叫周围的代码呢？

（5）list t4.c ：get_sum：显示源文件t4.c中第五行到第十行的代码，在跳是含有多个源文件的次序时使用；
（6）如果在调试中运行linux命令，则可以在gdb的提示符下输入shell命令. (gdb）shell ls
（7）search forward用来从当前行向前查找第一个匹配的字符串；
search get_sum forward get_sum
（8）reverse_search 用来从当前行想前查找第一个匹配的字符串: Example: reverse_search main

设置和管理断点：
（1）以行号设置断点：（gdb）break 7
（2）以函数名设置断点：（gdb）break get_sum
（3）以条件表达式设置断点：方法一：break 行号或者函数名 if 条件. Example: （gdb）break 7 if i==99
方法二：watch 条件表达式，下面是具体的举例：
方法三：awatch；用来给表达式设置断点，在表达式的值发生改变或者表达式的值杯读取的时候，程序暂时停止；
(4).查看当前设置的断点：info breakpoints

（5）使用“disable 断点编号”命令可以是某个断点失效，程序运行到该段点时不会停下来而是继续运行。

（6）使用“enable 断点编号”命令可以是某个断点恢复有效。

彻底的删除某个断点，可以使用clear或者delete命令。
（1）clear：删除程序中所有的断点；
（2）clear 行号：删除此行中的断点
（3）clear 函数名：删除该函数的断点
（4）delete 断点编号：删除指定编号的断点。如果一次要删除多个断点，各个断点编号以空格隔开。

控制程序的执行：
（1）continue命令：让程序继续运行，直到下一个断点或者运行完为止。格式：continue
（2）kill命令：用于结束当前程序的调试

（3）next和step命令
　　　区别：如果遇到函数，next会把函数调用当作一条语句来执行，再次输入next会执行函数调用后的语句；

　　　而step则会跟踪进入函数，一次一条的执行函数内的代码，直到函数内的代码执行完，在进行函数调用后的语句；
（4）nexti和stepi命令：用来单步执行一条机器指令，注意不是单步执行一条鱼据。单步执行一条语句使用next和step命令。通常一条语句有多条机器指令构成的。
　　　注意的是：gdb的一些命令可以简写，比如list可以用li来代替，continue命令可以用cont来代替。

　　

　　5、继续输入 list start_kernel 查看start_kernel函数为中心上下10行的代码

　　　　然后接着输入list 查看后续的代码（每输入一次list，向后显示10行）

　　

我们继续输入list跟踪start_kernel以后的代码，看看后面的执行过程：

可以看到，在start_kernel之后是一大堆的初始化操作，初始化外设、时钟、寄存器等。后面还有很多操作，这里不作过多的截图展示，

　　6、后面进入rest_init函数：

四、总结：

　　在start_kernel中调用了一系列的初始化函数，已完成内核本身的设置：设置与体系结构相关的环境、进程调度器初始化、控制台初始化、系统IRQ初始化、内存初始化等。在Start_kernel函数的最后调用了rest_init()函数，在rest_init中建立了init线程，并在最后调用cpu_idle()函数。

　　可以这样理解：start_kernel最后clone出一个新的进程，也就是init进程，然后原来的进程就去执行cpu_idle()函数了，也就变成了idle进程，当发生一次进程调度后，init进程被调度运行。

　　核心进程init（）主要进行一些外设初始化的工作包括SMP（Symmetric Multi-Processing 对称多处理）的初始化，以及调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化，当do_basic_setup()函数返回init() ，init() 又打开了、dev/console设备，重定向输出文件到控制台，最后通过kernel——execve加载执行init程序。

　　追踪到init后可以修改文件系统，比如把显示的ＭＥＮＵＯＳ修改为MYOS，修改quit指令，让其退出文件系统等：

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

　　　　// -initrd file Use file as initial ram disk.

　　这里将-initrd 后面的参数rootfs.img加载到内存中运行，所以，这里的rootfs.img 可以随便改名字，因为内核代码中不会直接用这个名字而是通过initrd来传递的。再者rootfs.img是由tootfs文件夹打包得来的，而rootfs文件夹中只有一个init可执行文件，而init可执行文件来自于menu文件夹，menu文件夹中执行make指令会发现生成了一个test可执行文件，运行menu文件夹中的test和init后会发现效果是一模一样的，所以显然init是由test通过(cp test init) 拷贝、重命名得来的，所以最终修改文件系统可以归结为修改menu文件夹中的main.c、test.c文件。

　　在init/initramfs.c文件中：