uClinux移植和分析(1)

焦兴为

2023-12-01

简介：

前一段时间，曾先后移植了uClinux-2.0.x和uClinux-2.4.x的内核，我的移植基本上是从零做起，linux并没有支持该目标机的代码，所以这
个移植工作基本上是新增加对一种目标机的支持。

工作过程中，我学到了不少知识，除了操作系统，还了解了一些编译，调试，汇编，链接的的技术，在此我会一并介绍，可能介绍比较多
的是连接器，因为这个相对和操作系统联系更加紧密一些。
我希望能够与大家分享自己经验，同时，有错误和不当的地方欢迎网友指出，共同进步，这是我写这些原创帖的动力。

“编程并非零和的游戏。将己所知教给程序员同胞，他们并不会夺你所知。能将我所知与人分享，我感到高兴，因为我身在其中、热爱编程。”
——John Carmack

uClinux下用户程序的执行

之所以从用户程序谈起，是因为我们平常接触最多的还是应用程序。从应用程序引出到操作系统我觉得比较自然。下面就从一个简单例子介绍一个程序如何在操作系统中运行。

假如有个c程序：
int main(int argc, char **argv[])
{
printf("hello world!/n");
return 0;
}

这是一个最简单不过的程序了，一般一个C语言程序，都从main开始执行。那么，main函数是不是与其他函数有所区别，地位有些特殊呢？
不是的。main函数和其他函数地位一样。其实，我们完全可以做到让一个c程序从任何地方开始执行。比如linux，它就没有main函数，大家都知道，系统执行过启动的一段汇编后，就会跳转到位于init/main.c中的start_kernel中开始执行。

那么为什么用户程序都要从main函数执行呢？这就是用户C库的原因。一般用户用c语言开发时会调用一些库函数，编译成obj文件后，在链接过程中把库函数的二进制代码链接进入程序，最后形成二进制可执行文件。链接过程中，链接器会在用户程序前插入一些初始化的代码。uClinux下是在crt0.s中 (我移植的是uClibc库)。不管什么平台下什么形式的crt0.s，这个文件最后几行代码中肯定有一个jmp(或者call或br等转移指令) main(或__uClibc_main)。这就是为什么你的程序都从main开始执行。如果你把这个跳转标号改成任意一个标号，比如foo。而你的程序里面既有main，又有foo，则这种情况下，程序就先从foo开始执行。所以，main函数和其他函数一样，并没有特殊地位。

下面谈谈在uClinux中，main函数的argc,argv是参数怎样传递的。我们以flat格式可执行文件为例。uClinux下支持一种叫 flat的可执行文件格式。这种文件格式比较简单，基本上是平铺的，所以叫flat很形象。现在好像uClinux-2.4.x内核的版本已经能够支持 elf格式的文件执行了。不过为了举例简单，我还是用flat格式举例。这里暂不分析flat文件格式，我们把注意力放到参数传递上。uClinux开发用户程序，首先当然是编码，然后编译，编译生成的文件是elf格式的，所以要用工具elf2flt将elf文件转换成flat，假设这个工作已经完成。

我们在uclinux的shell下执行一个文件foo x y，foo是程序名，x, y是参数。学过C语言的都知道，x，y作为参数会传递给main，其中argc＝3，
argv[0]="foo", argv[1]="x", argv[2]="y"。这些参数是如何传递进来的呢。在你执行一个程序的时候，操作系统会调用程中把库函数的二进制代码链接进入程序，最后形成二进制可执行文件。链接过程中，链接器会在用户程序前插入一些初始化的代码。uClinux下是在crt0.s中(我移植的是uClibc库)。不管什么平台下什么形式的crt0.s，这个文件最后几行代码中肯定有一个jmp(或者call或br等转移指令) main(或__uClibc_main)。这就是为什么你的程序都从main开始执行。如果你把这个跳转标号改成任意一个标号，比如foo。而你的程序里面既有main，又有foo，则这种情况下，程序就先从foo开始执行。所以，main函数和其他函数一样，并没有特殊地位。

在装入文件时，系统会根据不同的文件格式调用不同文件装入的handler，如果是flat格式，就会调用load_flat_binary()，在 fs/binfmt_flat.c中。有关参数，会根据一路传递下来的argv,envp首先处理一遍计算出参数的个数argc,envc。然后在函数 create_flat_tables里面建立好参数表。整个函数代码如下：
static unsigned long create_flat_tables(unsigned long pp, struct linux_binprm *bprm)
{
(1) unsigned long *argv,*envp;
(2) unsigned long * sp;
(3) char * p = (char*)pp;
(4) int argc = bprm->argc;
(5) int envc = bprm->envc;
(6) char dummy;

(7) sp = (unsigned long *) /
((-(unsigned long)sizeof(char *))&(unsigned long) p);

(8) sp -= envc+1;
(9) envp = sp;
(10) sp -= argc+1;
(11) argv = sp;

(12)   flat_stack_align(sp);
(13)   if (flat_argvp_envp_on_stack()) {
(14)     --sp; put_user((unsigned long) envp, sp);
(15)     --sp; put_user((unsigned long) argv, sp);
(16)   }

(17)   put_user(argc,--sp);
(18)   current->mm->arg_start = (unsigned long) p;
(19)   while (argc-->0) {
(20)     put_user((unsigned long) p, argv++);
(21)     do {
(22)         get_user(dummy, p); p++;
(23)     } while (dummy);
(24)   }
(25)   put_user((unsigned long) NULL, argv);
(26)   current->mm->arg_end = current->mm->env_start = (unsigned long) p;
(27)   while (envc-->0) {
(28)     put_user((unsigned long)p, envp); envp++;
(29)     do {
(30)         get_user(dummy, p); p++;
(31)     } while (dummy);
(32)   }
(33)   put_user((unsigned long) NULL, envp);
(34)   current->mm->env_end = (unsigned long) p;
(35)   return (unsigned long)sp;
}
(1)-(6) 行是变量声明。其中argc和envc分别记录前面已经计算出来的参数个数和环境变量参数个数。p=pp是参数和环境变量数组的指针，sp是你要执行程序的用户区堆栈，就是foo程序执行时，用户空间堆栈的起始地址。(8)-(11)是一个堆栈调整。首先sp移动envc+1个单位，这envc+1个用来存放一共envc个envp[0]->envc[envp-1]元素地址的，多余一个放0，表示envp数组结束。然后sp在移动argc+1各单位，留出argc+1单位空间，这argc+1个单位是用来存放argc个argv[0]->argv[argc-1]元素地址的，多余一个也放 0，表示argv数组结束。经过堆栈调整，argv和envp各自指向自己在堆栈中的位置。如果开始堆栈初值记为init_sp，则现在envp= init_sp-(envc+1)，argv=envp-(argc+1)。

(12)无关紧要，略去不提。(13)-(17)又是一次堆栈调整。(14)是sp再移动1个单位,然后将envp放入这个地址(此时envp= init_sp-(envc+1)),然后(15)又将sp移动一个单位,将argv写入. (17)是移动堆栈后将argc也写入里面.

(18)-(35)行是将argv[0]->argv[argc-1](在p所指向地方)依次写入argv所指堆栈区域中.然后再将envp[0]->edummy, p); p++;
(31)     } while (dummy);
(32)   }
(33)   put_user((unsigned long) NULL, envp);
(34)   current->mm->env_end = (unsigned long) p;
(35)   return (unsigned long)sp;
}
(1)-(6)行是变量声明。其中argc和envc分别记录前面已经计算出来的参数个数和环境变量参数个数。p=pp是参数和环境变量数组的指针，sp 是你要执行程序的用户区堆栈，就是foo程序执行时，用户空间堆栈的起始地址。(8)-(11)是一个堆栈调整。首先sp移动envc+1个单位，这 envc+1个用来存放一共envc个envp[0]->envc[envp-1]元素地址的，多余一个放0，表示envp数组结束。然后sp在移动argc+1各单位，留出argc+1单位空间，这argc+1个单位是用来存放argc个argv[0]->argv[argc-1]元素地址的，多余一个也放0，表示argv数组结束。经过堆栈调整，argv和envp各自指向自己在堆栈中的位置。如果开始堆栈初值记为init_sp，则现在 envp=init_sp-(envc+1)，
argv=envp-(argc+1)。

(18)-(35)行是将argv[0]->argv[argc-1](在p所指向地方)依次写入argv所指堆栈区域中.然后再将envp[0] ->envp[envc-1](也是由p所指)写入envp所指的堆栈区域中.在写入同时,还要设置进程控制块相应的数据结构,如 arg_start,env_start,env_end等.

下面举例和画图来说明过程.比如执行foo x y,此时argc=3,argv[0]="foo",argv[1]="x", argv[2]="y", envc=1, envp[0]="path=/bin". 假设用户堆栈起始
空间堆栈地址是sp=0x1f0000,pp=0x1c0000.则处理过后在foo执行前,他的用户空间堆栈frame如下:

      --------------------------------
0x1f0000   |       0000           |
      --------------------------------
0x1efffc   | envp[0] = 0x1c0008       | ---->指向"path=/bin"
      --------------------------------
0x1efff8   |       0000           |
      --------------------------------
0x1efff4   | argv[2] = 0x1c0006       | ----->指向"y"
      --------------------------------
0x1efff0   | argv[1] = 0x1c0004       | ----->指向"x"
      --------------------------------
0x1effec   | argv[0] = 0x1c0000       | ----->指向"foo"
      --------------------------------
0x1effe8   | start addr of envp = 0x1efffc|
      --------------------------------

到r2-r6里来传递。当然，如果超过5个，就要借助堆栈了。

既然main带了参数，那么在调用main之前，要把argc放到r2里面，argv放到r3里面，envp放到r4里面。刚才说了，sp是用户空间堆栈起始地址。所以在开始执行foo代码时候，r0=sp，在上文例子里r0等于0x1effe0.则如下伪汇编代码可以让参数装入正确寄存器。

load   r2, (r0)     /* r2 = argc */
load   r3, (r0, 4)   /* r3 = argv */
load   r4, (r0, 8)   /* r4 = envp */
call   main       /* 跳转到main函数 */

call _exit

以上代码就是最简单的进入main函数前的预处理。当然，不同系统不同格式文件处理方式是不同的，刚才的一些例子是我碰到的一些情景和解决方案。

我这个程序例子还没有完全讲完，比如后面printf怎么处理等，不过手都酸了，就先讲到main函数的参数传递吧。刚学c语言那阵觉得main挺神秘，做过系统就知道，其实main跟别的函数没有任何区别:)

写了半天，头晕脑胀，肯定还有一些错误或者不够优化的地方，欢迎拍砖。没讲清楚

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