序

谈到安卓手机，最先映入眼前的，肯定是开机过程，而安卓系统又是建立在Linux内核之上的，那么开机的时候，到底是怎么启动的呢？发生了哪些事情呢？本篇文章，笔者就和大家一起学习学习。

一、概览

在安卓手机上，整个系统的启动可以分为三个过程，如下：

BIOS和BootLoader阶段
Linux内核启动
Android系统启动

第一阶段主要由硬件和汇编语言完成，第二部分主要由C语言完成，第三部分主要由java完成，很多文档只会讲解了第三阶段的任务，我们就要追本溯源，看看从加电开始的启动过程。

二、启动过程

2.1 BIOS和BootLoader启动

这一部分一般由硬件厂商负责设计和实现，以x86为例，加电后，cpu工作在实模式下，该模式下cpu的寻址空间为1M，寄存器都复位为默认值，其中CS:IP的复位值是FFFF:0000，也就是说从这里开始执行指令，那么主板设计值必须保证这个地址映射到的位置是BIOS芯片的程序地址，而不是RAM。当运行BIOS上面的程序后，物理地址前1KB内存中会建立实模式的中断向量表，随后的一部分来保存BIOS启动阶段检测到的硬件信息。最后BIOS根据配置信息将BootLoader加载到物理地址0x07c00处，然后跳转到这里开始执行BootLoader。而在ARM上，执行类似BIOS操作的，是固化在ROM上的Boot程序，这部分程序加载BootLoader到RAM然后跳转执行。 Header.s是这个阶段执行的重要汇编代码，一共两个512字节（boot sector和setup，分别加载到内存地址0X00090000和0X0009200，同时把Linux小内核映像加载到内存地址0X00010000或者Linux大内核映像加载到内存地址0X00100000，最后跳转到header.S代码的setup代码。第一个512字节的内容是为了兼容软驱时代而存在的。它正好被放在一个磁盘扇区之内。真正的kernel入口从第二个512字节开始，当今的bootloader把控制权交到这个入口。 Header.s主演完成以下任务：

设置实模式堆栈（为运行程序做好准备）
检查setup中的标签
清除BSS段
调用C入口main（位于boot/main.c）关键代码如下：

# We will have entered with %cs = %ds+0x20, normalize %cs so
# it is on par with the other segments.
        pushw   %ds
        pushw   $6f
        lretw
6:

# Check signature at end of setup
        cmpl    $0x5a5aaa55, setup_sig
        jne     setup_bad

# Zero the bss
        movw    $__bss_start, %di
        movw    $_end+3, %cx
        xorl    %eax, %eax
        subw    %di, %cx
        shrw    $2, %cx
        rep; stosl

# Jump to C code (should not return)
        calll   main

2.2 kernel启动

执行main.c函数，其实已经是kernel的一部分，不过还有很多工作没有做，main()会处理一些登记工作，复制参数，建立内存映射等等，然后通过go_to_protected_mode()跳转到保护模式，而go_to_protected_mode()需要设置临时的IDT（中断描述符表）、GDT（全局描述表），因为保护模式和实模式的IDT和GDT是不同的，所有要提前设置好。重要代码如下：

void main(void)
{
	/* First, copy the boot header into the "zeropage" */
	copy_boot_params();

	/* End of heap check */
	init_heap();

	/* Make sure we have all the proper CPU support */
	if (validate_cpu()) {
		puts("Unable to boot - please use a kernel appropriate "
		     "for your CPU.\n");
		die();
	}

	/* Tell the BIOS what CPU mode we intend to run in. */
	set_bios_mode();

	/* Detect memory layout */
	detect_memory();

	/* Set keyboard repeat rate (why?) */
	keyboard_set_repeat();

	/* Query MCA information */
	query_mca();

	/* Voyager */
#ifdef CONFIG_X86_VOYAGER
	query_voyager();
#endif

	/* Query Intel SpeedStep (IST) information */
	query_ist();

	/* Query APM information */
#if defined(CONFIG_APM) || defined(CONFIG_APM_MODULE)
	query_apm_bios();
#endif

	/* Query EDD information */
#if defined(CONFIG_EDD) || defined(CONFIG_EDD_MODULE)
	query_edd();
#endif

	/* Set the video mode */
	set_video();

	/* Do the last things and invoke protected mode */
	go_to_protected_mode();
}

void go_to_protected_mode(void)
{
	/* Hook before leaving real mode, also disables interrupts */
	realmode_switch_hook();

	/* Move the kernel/setup to their final resting places */
	move_kernel_around();

	/* Enable the A20 gate */
	if (enable_a20()) {
		puts("A20 gate not responding, unable to boot...\n");
		die();
	}

	/* Reset coprocessor (IGNNE#) */
	reset_coprocessor();

	/* Mask all interrupts in the PIC */
	mask_all_interrupts();

	/* Actual transition to protected mode... */
	setup_idt();//中断描述符表
	setup_gdt();//全局描述符表
	protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,
			    (u32)&boot_params + (ds() << 4));
}

最后一步的protected_mode_jump()会跳转到pmjump.s中执行，这一步通过设置cr0来进入保护模式，然后进入setup header中指定的code32_start，code32_start在header.s的第二部分，对应压缩镜像的head_32.s。 head_32.s代码如下：

        __HEAD
ENTRY(startup_32)
        cld
        /*
         * Test KEEP_SEGMENTS flag to see if the bootloader is asking
         * us to not reload segments
      */
      testb   $(1<<6), BP_loadflags(%esi)
      jnz     1f

      cli
      movl    $__BOOT_DS, %eax
      movl    %eax, %ds
      movl    %eax, %es
      movl    %eax, %fs
      movl    %eax, %gs
      movl    %eax, %ss

这部分代码调用startup_32函数，调用decompress_kernel()解压Linux内核映像，然后跳转到kernel，关键代码如下：

 * Do the decompression, and jump to the new kernel..
 */
	movl output_len(%ebx), %eax
	pushl %eax
	pushl %ebp	# output address
	movl input_len(%ebx), %eax
	pushl %eax	# input_len
	leal input_data(%ebx), %eax
	pushl %eax	# input_data
	leal boot_heap(%ebx), %eax
	pushl %eax	# heap area as third argument
	pushl %esi	# real mode pointer as second arg
	call decompress_kernel
	addl $20, %esp
	popl %ecx

/*
 * Jump to the decompressed kernel.
 */
	xorl %ebx,%ebx
	jmp *%ebp

在vmlinux.lds中定义了start_kernel的位置，总之最后会调用start_kernel()函数。 start_kernel函数完整的初始化了所有Linux内核，包括进程调度、内存管理、系统时间等，最后调用kernel_thread()创建init进程。到这一步的流程可以如图所示： Linux启动到了这一步，Linux内核基本启动完成，不过还有一点需要注意的是，Linux 下有 3 个特殊的进程， idle（swapper）（进程 PID = 0 ）、 init 进程（ PID = 1 ）和 kthreadd（PID = 2）。其功能和特点如下：

idle（swapper）进程由系统自动创建，运行在内核态 idle进程其pid =0，其前身是系统创建的第一个进程，也是唯一一个没有通过 fork或者kernel_thread产生的进程。完成加载系统后，演变为进程调度、交换，常常被称为交换进程。
init 进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后，加载init程序，并最终转变为用户空间的init进程由0号进程创建，完成系统的初始化，是系统中所有其它用户进程的祖先进程。Linux 中的所有进程都是有init进程创建并运行的。首先 Linux 内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统启动完成后，init将变为守护进程监视系统其他进程。
kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间，负责所有内核线程的调度和管理它的任务就是管理和调度其他内核线程 kernel_thread ，会循环执行一个kthreadd函数，该函数的作用就是运行kthread_create_list全局链表中维护的kthread，我们调用kernel_thread创建的内核线程会被加入到此链表中，因此所有的内核线程都是直接或者间接的以kthreadd为父进程。

三、小结

到这一步，Linux内核已经完成了启动，下面将要启动Android系统，我将在下一篇文章中和各位一起学习，同时希望各位可以指正小弟文章中不严谨的地方。

安卓手机启动时发生的那些事儿——上篇

序

一、概览

二、启动过程

2.1 BIOS和BootLoader启动

2.2 kernel启动

三、小结