Arm linux启动分析（2）

fpseustar

昨天分析了一下SEP4020 LINUX的zImage的加载引导过程，zImage其实主要就是在重定位代码，然后就是将我们的Image镜像搬运到0x30008000位置，然后向Image传递r0=0,r1=体系架构号，r2=参数列表基址，然后就跳到了Image去执行系统启动了，不过这中间在解压缩内核和搬运过程中是要开MMU和CACHE的，所以其中有相当的篇幅是开这两个玩意的，下面就代码一句一句来介绍分析吧，代码位置在/arch/arm/boot/compressed/head.S中：                .section ".start", #alloc, #execinstr/* * sort out different calling conventions */                .alignstart:                .type        start,#function                .rept        8        /*重复定义8次下面的指令，也就是空出中断向量表的位置*/                mov        r0, r0        /*就是nop指令*/                .endr
                b        1f                .word        0x016f2818                @  辅助引导程序的幻数                 .word        start                        @  加载运行zImage的绝对地址，start表示赋的初值                .word        _edata                        @ zImage end address zImage结尾地址，_edata是在vmlinux.lds.S中定义的，表示init,text,data三个段的结束位置（155行）1:                mov        r7, r1                        @ save architecture ID 保存体系结构ID 用r1保存                mov        r8, r2                        @ save atags pointer 保存r2寄存器 参数列表，r0始终为0
                /*                 * Booting from Angel - need to enter SVC mode and disable                 * FIQs/IRQs (numeric definitions from angel arm.h source).                 * We only do this if we were in user mode on entry.                 */                mrs        r2, cpsr                @ get current mode                tst        r2, #3                        @ not user?，tst实际上是相与                bne        not_angel                mov        r0, #0x17                @ angel_SWIreason_EnterSVC，向SWI中传递参数                swi        0x123456                @ angel_SWI_ARM这个是让用户空间调到SVC空间，这个会从前面0x0008处重新执行not_angel:/*表示非用户模式，可以直接关闭中断*/                mrs        r2, cpsr                @ turn off interrupts to                orr        r2, r2, #0xc0                @ prevent angel from running关闭中断                msr        cpsr_c, r2
        [color="#0001FF"] /* 注意这里可能需要做cache刷新和其他工作 */ [color="#0001FF"]        /* 链接的时候，这里可以插入一些体系结构相关的代码，但是应该保留r7 r8 */ [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]/*读入地址表。因为我们的代码可以在任何地址执行，也就是位置无关代码（PIC），所以我们需要加上一个偏移量。[color="#0001FF"]下面有每一个列表项的具体意义。[color="#0001FF"]LC0是表的首项，它本身就是在此head.s中定义的[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].type[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]LC0, #object[color="#0001FF"]LC0:[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]LC0[color="#0001FF"]                        [color="#0001FF"]@ r1 LC0表的起始位置[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]__bss_start[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]@ r2 bss段的起始地址[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]_end[color="#0001FF"]                        [color="#0001FF"]@ r3 zImage（bss）连接的结束地址在vmlinux.lds.S中定义[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]zreladdr[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]@ r4 zImage的连接地址，我们在mach-sep4020/makefile.boot中定义的[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]_start[color="#0001FF"]                        [color="#0001FF"]@ r5 zImage的基地址，bootp/init.S中的_start函数，主要起传递参数作用[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]_got_start[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]@ r6 GOT（全局偏移表）起始地址，_got_start是在compressed/vmlinux.lds.in中定义的[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]_got_end[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]@ ip GOT结束地址[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"].word[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]user_stack+4096[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]@ sp 用户栈底 user_stack是紧跟在bss段的后面的，在compressed/vmlinux.lds.in中定义的[color="#0001FF"]在本head.S的末尾定义了zImag的临时栈空间，在这里分配了4K的空间用来做堆栈。[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"].section ".stack", "w"[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]user_stack:[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"].space[color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]4096[color="#0001FF"]GOT表的初值是连接器指定的，当时程序并不知道代码在哪个地址执行。如果当前运行的地址已经和表上的地址不一样，还要修正GOT表。*/                         .text                adr        r0, LC0                ldmia        r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}[color="#0001FF"]@r0是运行时地址，而r1则是链接时地址，而它们两都是表示LC0表的起始位置，这样他们两的差则是运行和链接的偏移量，纠正了这个偏移量才可以运行与”地址相关的代码“                subs        r0, r0, r1                @ calculate the delta offset
                                                @ if delta is zero, we are                beq        not_relocated                @ running at the address we                                                @ were linked at.若相等则不用重定位了。
                [color="#0001FF"]/*[color="#0001FF"] [color="#0001FF"]                        [color="#0001FF"] *   偏移量不为零，说明运行在不同的地址，那么需要修正几个指针 [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] *   r5 – zImage基地址 [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] *   r6 – GOT（全局偏移表）起始地址 [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] *   ip – GOT结束地址 [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] */                add        r5, r5, r0 /*加上偏移量*/                add        r6, r6, r0                add        ip, ip, r0 /*ip即是r12*/
/*                [color="#0001FF"] * If we're running fully PIC === CONFIG_ZBOOT_ROM = n,[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] * we need to fix up pointers into the BSS region.[color="#0001FF"] [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] * 这时需要修正BSS区域的指针，我们平台适用。 [color="#0001FF"]         [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"] *   r2 – BSS 起始地址 [color="#0001FF"]           [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"] *   r3 – BSS 结束地址 [color="#0001FF"]           [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"] *   sp – 堆栈指针 [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] */                add        r2, r2, r0                add        r3, r3, r0                add        sp, sp, r0
                [color="#0001FF"]/*[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] * 重新定位GOT表中所有的项.[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] */1:                ldr        r1, [r6, #0]                @ relocate entries in the GOT                add        r1, r1, r0                @ table.  This fixes up the                str        r1, [r6], #4                @ C references.                cmp        r6, ip                blo        1b
not_relocated:        mov        r0, #0                         /*清除bss段*/1:                str        r0, [r2], #4                @ clear bss                str        r0, [r2], #4                str        r0, [r2], #4                str        r0, [r2], #4                cmp        r2, r3                blo        1b[color="#0001FF"]@ @ 正如下面的注释所说，C环境我们已经设置好了。下面我们要打开cache和mmu。为什么要这样做呢？[color="#0001FF"]@ 这只是一个解压程序呀？为了速度。那为什么要开mmu呢，而且只是做一个平板式的映射？还是为了速度。[color="#0001FF"]@ 如果不开mmu的话，就只能打开icache。因为不开mmu的话就无法实现内存管理，而io区是决不能开dcache的。[color="#0001FF"]                [color="#0001FF"]/* 这时C运行环境应该已经配置好了。 [color="#0001FF"]             [color="#0001FF"]        [color="#0001FF"] * 打开cache，设置一些指针，开始解压vmlinux [color="#0001FF"]                [color="#0001FF"] */                bl        cache_on[color="#0080FF"]/************************************进入cache_on函数******************************************************/[color="#0080FF"]/*[color="#0080FF"] * Turn on the cache.  We need to setup some page tables so that we[color="#0080FF"] * can have both the I and D caches on.[color="#0080FF"] *[color="#0080FF"] * We place the page tables 16k down from the kernel execution address,[color="#0080FF"] * and we hope that nothing else is using it.  If we're using it, we[color="#0080FF"] * will go pop![color="#0080FF"] *[color="#0080FF"] * On entry,[color="#0080FF"] *  r4 = kernel execution address[color="#0080FF"] *  r6 = processor ID[color="#0080FF"] *  r7 = architecture number[color="#0080FF"] *  r8 = atags pointer[color="#0080FF"] *  r9 = run-time address of "start"  (???)[color="#0080FF"] * On exit,[color="#0080FF"] *  r1, r2, r3, r9, r10, r12 corrupted[color="#0080FF"] * This routine must preserve:[color="#0080FF"] *  r4, r5, r6, r7, r8[color="#0080FF"] */[color="#0080FF"]                [color="#000102"].align[color="#000102"]        [color="#000102"]5[color="#000102"]cache_on:[color="#000102"]        [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r3, #8[color="#000102"]                        [color="#000102"]@ cache_on function[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]call_cache_fn[color="#000102"]
[color="#000102"]call_cache_fn:[color="#000102"]        [color="#000102"]adr[color="#000102"]        [color="#000102"]r12, proc_types[color="#000102"]                [color="#000102"]mrc[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r6, c0, c0[color="#000102"]        [color="#000102"]@ get processor ID[color="#000102"]1:[color="#000102"]                [color="#000102"]ldr[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, [r12, #0][color="#000102"]                [color="#000102"]@ get value[color="#000102"]                [color="#000102"]ldr[color="#000102"]        [color="#000102"]r2, [r12, #4][color="#000102"]                [color="#000102"]@ get mask[color="#000102"]                [color="#000102"]eor[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, r6[color="#000102"]                [color="#000102"]@ (real ^ match)将从c0中读出的cpu id与下面的proc_types表中的cpu系列进行比较可得到其属于哪个系列的[color="#000102"]                [color="#000102"]tst[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r2[color="#000102"]                        [color="#000102"]@       & mask[color="#000102"]                [color="#000102"]addeq[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, r12, r3[color="#000102"]                [color="#000102"]@ 如果是这个系列的cpu调用其cache打开函数[color="#000102"]                [color="#000102"]add[color="#000102"]        [color="#000102"]r12, r12, #4*5[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]1b[color="#000102"]
[color="#000102"]                [color="#000102"].type[color="#000102"]        [color="#000102"]proc_types,#object[color="#000102"]proc_types:[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0x41560600[color="#000102"]                [color="#000102"]@ ARM6/610[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0xffffffe0[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]__arm6_cache_off[color="#000102"]        [color="#000102"]@ works, but slow[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]__arm6_cache_off[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#000102"]
[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0x00000000[color="#000102"]                [color="#000102"]@ old ARM ID[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0x0000f000[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#000102"]
[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0x41007000[color="#000102"]                [color="#000102"]@ ARM7/710[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0xfff8fe00[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]__arm7_cache_off[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]__arm7_cache_off[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#000102"]
[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0x41807200[color="#000102"]                [color="#000102"]@ ARM720T (writethrough)[color="#000102"]                [color="#000102"].word[color="#000102"]        [color="#000102"]0xffffff00[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]__armv4_cache_on[color="#000102"]                [color="#000102"]b[color="#000102"]        [color="#000102"]__armv4_cache_off[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#000102"]                [color="#000102"].size[color="#000102"]        [color="#000102"]proc_types, . - proc_types[color="#000102"]
[color="#000102"]__armv4_cache_on:[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r12, lr  /*在后面的cache_on函数返回的时候会用到的*/[color="#000102"]                [color="#000102"]bl[color="#000102"]        [color="#000102"]__setup_mmu[color="#0080FF"]/************************************进入__setup_mmu函数******************************************************/[color="#000102"]__setup_mmu:[color="#000102"]        [color="#000102"]sub[color="#000102"]        [color="#000102"]r3, r4, #16384[color="#000102"]                [color="#000102"]@ Page directory size（16k），r4是zImage的起始位置，再减16k即是0x30004000[color="#000102"]                [color="#000102"]bic[color="#000102"]        [color="#000102"]r3, r3, #0xff[color="#000102"]                [color="#000102"]@ Align the pointer[color="#000102"]                [color="#000102"]bic[color="#000102"]        [color="#000102"]r3, r3, #0x3f00[color="#000102"]/*[color="#000102"] * Initialise the page tables, turning on the cacheable and bufferable[color="#000102"] * bits for the RAM area only.[color="#000102"]* 在这里只建立了一级虚实映射，是虚实一一映射的，映射的大小为4GB[color="#000102"] */[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r0, r3[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r9, r0, lsr #18[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r9, r9, lsl #18[color="#000102"]                [color="#000102"]@ start of RAM，当前可用sdram的起始地址（以256k为边界）[color="#000102"]                [color="#000102"]add[color="#000102"]        [color="#000102"]r10, r9, #0x10000000[color="#000102"]        [color="#000102"]@ a reasonable RAM size，这里假设的可用ram大小为256M[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, #0x12[color="#000102"]                [color="#000102"]/*填充段描述符的第五位*/[color="#000102"]                [color="#000102"]orr[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, #3 [color="#000102"]        [color="#000102"]/*段描述符的AP为11b*/[color="#000102"]                [color="#000102"]add[color="#000102"]        [color="#000102"]r2, r3, #16384[color="#000102"]                [color="#000102"]/*段描述符的空间大小为16k*/[color="#000102"]1:[color="#000102"]                [color="#000102"]cmp[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r9[color="#000102"]                        [color="#000102"]@ if virt > start of RAM只有虚空间在sdram中才是可cache和可buffer[color="#000102"]                [color="#000102"]orrhs[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, #0x0c[color="#000102"]                [color="#000102"]@ set cacheable, bufferable[color="#000102"]                [color="#000102"]cmp[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r10[color="#000102"]                        [color="#000102"]@ if virt > end of RAM[color="#000102"]                [color="#000102"]bichs[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, #0x0c[color="#000102"]                [color="#000102"]@ clear cacheable, bufferable[color="#000102"]                [color="#000102"]str[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, [r0], #4[color="#000102"]                [color="#000102"]@ 1:1 mapping[color="#000102"]                [color="#000102"]add[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, #1048576[color="#000102"]        [color="#000102"]/*每次描述符的地址内容是自加0x100000*/[color="#000102"]                [color="#000102"]teq[color="#000102"]        [color="#000102"]r0, r2[color="#000102"]                [color="#000102"]bne[color="#000102"]        [color="#000102"]1b[color="#0080FF"]/*[color="#0080FF"] * 在这里如果我们是从flash上直接启动，我们也可以将flash这快空间映射为可cache和可buffer的，这样可以加快这段代码的运行速度[color="#0080FF"] */[color="#0080FF"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, #0x1e[color="#000102"]                [color="#000102"]orr[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, #3 [color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r2, pc, lsr #20[color="#000102"]                [color="#000102"]orr[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, r2, lsl #20[color="#000102"]                [color="#000102"]add[color="#000102"]        [color="#000102"]r0, r3, r2, lsl #2[color="#000102"]                [color="#000102"]str[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, [r0], #4[color="#000102"]                [color="#000102"]add[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, r1, #1048576[color="#000102"]                [color="#000102"]str[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, [r0][color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#0080FF"]
[color="#0080FF"]/************************************从__setup_mmu函数返回****************************************************/[color="#0080FF"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r0, #0[color="#000102"]                [color="#000102"]mcr[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r0, c7, c10, 4[color="#000102"]        [color="#000102"]@ 济干write buffer[color="#000102"]                [color="#000102"]mcr[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r0, c8, c7, 0[color="#000102"]        [color="#000102"]@ 失效I/D TLBs[color="#000102"]                [color="#000102"]mrc[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r0, c1, c0, 0[color="#000102"]        [color="#000102"]@ read control reg[color="#000102"]                [color="#000102"]orr[color="#000102"]        [color="#000102"]r0, r0, #0x5000[color="#000102"]                [color="#000102"]@ I-cache enable, RR cache replacement[color="#000102"]                [color="#000102"]orr[color="#000102"]        [color="#000102"]r0, r0, #0x0030[color="#000102"]                [color="#000102"]bl[color="#000102"]        [color="#000102"]__common_cache_on[color="#0080FF"]/************************************进入__common_cache_on函数********************************************/[color="#000102"]__common_cache_on:[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r1, #-1[color="#000102"]                [color="#000102"]mcr[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r3, c2, c0, 0[color="#000102"]        [color="#000102"]@ load page table pointer[color="#000102"]                [color="#000102"]mcr[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r1, c3, c0, 0[color="#000102"]        [color="#000102"]@ load domain access control所有域都是可读可写[color="#000102"]                [color="#000102"]mcr[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r0, c1, c0, 0[color="#000102"]        [color="#000102"]@ load control register赋值cp15的控制寄存器，这时候开MMU，cache[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, lr[color="#0080FF"]/******************************从__common_cache_on函数返回***************************************************/[color="#0080FF"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]r0, #0[color="#000102"]                [color="#000102"]mcr[color="#000102"]        [color="#000102"]p15, 0, r0, c8, c7, 0[color="#000102"]        [color="#000102"]@ 失效I/D TLBs[color="#000102"]                [color="#000102"]mov[color="#000102"]        [color="#000102"]pc, r12[color="#0080FF"]/******************************从cache_on函数返回*************************************************************/                        mov        r1, sp                        @ malloc space above stack                add        r2, sp, #0x10000        @ 64k max解压缩的缓冲区
[color="#0001FF"]


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