ARM Linux 啟動流程深度剖析：從 Reset 向量到 start_kernel

ARM Linux 內核啟動是一場精密的接力賽：從 Bootloader 傳遞參數，到內核解壓、建立頁表、啟用 MMU、跳轉 C 語言環境，最終進入 start_kernel() 展開子系統初始化。本文以 ARMv7 (ARMv7-A) 架構為例，結合連結腳本、彙編入口、頁表建立、MMU 啟用等關鍵環節，帶你完整走完內核進入之路。

1. 連結腳本與映射佈局

內核映像 vmlinux 由 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 定義佈局：

ENTRY(stext)                 /* 入口點符號 */
SECTIONS {
    . = 0xC0008000;          /* 內核虛擬基址 (PAGE_OFFSET) */
    .text : { *(.text) }     /* 代碼段 */
    .data : { *(.data) }     /* 已初始化數據 */
    .bss  : { *(.bss) }      /* 未初始化數據 */
    /* ... */
}

• 虛擬基址 0xC0008000：對應物理記憶體起始 + 0x8000（如物理 0x40000000 → 虛擬 0xC0008000）。
• MMU 啟用前：CPU 運行於物理地址模式，代碼需使用物理地址或經位置無關代碼 (PIC) 訪問。
• MMU 啟用後：跳轉至虛擬地址運行，所有符號解析為虛擬地址。

2. 彙編入口：arch/arm/kernel/head.S

ENTRY(stext)
    mov r12, r0              @ 保存 Bootloader 傳入的 r0 (通常為 0)
    mrc p15, 0, r9, c0, c0   @ 讀取 CPUID
    bl  __lookup_processor_type   @ 識別處理器類型
    bl  __lookup_architecture_type @ 識別機器類型
    bl  __create_page_tables      @ 建立初始頁表
    adr lr, __ret
    add pc, r10, #12         @ 跳轉至處理器特定初始化 (__proc_info.init)

關鍵子流程

• __lookup_processor_type：遍歷 .proc.info 段，匹配 CPUID，取得處理器描述符 struct proc_info_list，包含 __init 函式指標。
• __create_page_tables：建立臨時頁表（swapper_pg_dir），映射內核代碼/數據段、外設 I/O 區域，為啟用 MMU 鋪路。
• 跳轉處理器初始化：add pc, r10, #12 跳至 proc_info_list.__init（如 __arm920_setup），配置快取、寫緩衝、TLB 等處理器特定功能。

3. 返回通用流程：__ret -> __mmap_switched

__ret:
    ldr lr, =__mmap_switched
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0  @ 啟用 MMU (設定 CP15 c1 控制寄存器 M 位)
    mov r0, r0                 @ 指令流水線清空 (CP15 指令後需 ISB/DSB)
    mov r0, r0
    mov pc, lr                 @ 跳轉至 __mmap_switched (此時已在虛擬地址空間)

此處 mcr p15 指令啟用 MMU，完成「物理 → 虛擬」地址翻譯的切換。隨後跳轉至 __mmap_switched，此標號在連結腳本中定義於虛擬地址空間。

4. C 語言世界：start_kernel()

asmlinkage void __init start_kernel(void) {
    lock_kernel();                 // 大核心鎖 (舊版 BKL)
    printk(linux_banner);          // 印出版本橫幅
    setup_arch(&command_line);     // 架構相關初始化 (記憶體、時鐘、中斷控制器)
    parse_options(command_line);   // 解析啟動參數
    trap_init();                   // 陷阱/異常向量初始化
    init_IRQ();                    // 中斷子系統初始化
    sched_init();                  // 調度器初始化
    time_init();                   // 時間子系統初始化
    // ... 更多子系統初始化 ...
    rest_init();                   // 創建 init 線程，啟動調度
}

5. 關鍵里程碑：rest_init() 與用戶空間誕生

static void __init rest_init(void) {
    kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL);
    // 創建 PID 1 的 init 任務 (內核線程)
    unlock_kernel();
    schedule();  // 觸發首次調度，切換到 init 任務
    cpu_idle();  // 當前線程 (idle 線程) 進入空閒迴圈
}

• init 線程 (PID 1) 在 kernel_init() 中執行：掛載根文件系統、執行 /sbin/init (或 /etc/init, /bin/init, /bin/sh)。
• 若內核命令行指定 init=/bin/sh，則直接進入 Shell 環境。
• Systemd/SysVinit 進程接管後，用戶空間正式啟動。

6. 內核初始化調用鏈：__initcall 機制

內核使用 __initcall 系列宏將初始化函式註冊至 .initcall.init 段，do_initcalls() 依序執行：

#define __initcall(fn) \
    static initcall_t __initcall_##fn __attribute__((__section__(".initcall.init"))) = fn

// 使用範例：
static int __init my_driver_init(void) { ... }
module_init(my_driver_init);  // 靜態編譯進內核時展開為 __initcall(my_driver_init)

驅動若為 built-in (y)，則透過 __initcall 自動調用；若為模組 (m)，則由 insmod 觸發 module_init。

總結：啟動流程關鍵節點速查

ARM Linux 啟動是軟硬體協同的精密編排。理解每個階段的「誰在跑、地址空間是什麼、MMU 狀態如何」，是解決帶板不開機、內核掛起、驅動探針失敗等疑難雜症的鑰匙。