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linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析 [复制链接]

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发表于 2011-02-06 18:58 |显示全部楼层
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本文的很多内容是参考了网上某位大侠的文章写的<<>>,有些东西是直接从他那copy过来的。

最近分析了一下u-boot的源码,并写了分文档, 为了能够衔接那篇文章,这次又把arm linux的启动代码大致分析了一下,特此写下了这篇文档。一来是大家可以看看u-boot到底是如何具体跳转到linux下跑的,二来也为自己更深入的学习linux kernel打下基础。

本文以arm 版的linux为例kernel的第一条指令开始分析,一直分析到进入start_kernel()函数,也就是kernel启动的汇编部分,我们把它称之为第一部分, 以后有时间在把启动的第二部分在分析一下。我们当前以linux-2.6.18内核版本作为范例来分析,本文中所有的代码前面都会加上行号以便于讲解。

由于启动部分有一些代码是平台相关的,虽然大部分的平台所实现的功能都比较类似,但是为了更好的对code进行说明,对于平台相关的代码,我们选择smdk2410平台, CPUs3c2410(arm核是arm920T)进行分析。

   另外,本文是以未压缩的kernel来分析的.对于内核解压缩部分的code,在 arch/arm/boot/compressed,本文不做讨论。

   

启动条件

    通常从系统上电执行的boot loader的代码, 而要从boot loader跳转到linux kernel的第一条指令处执行需要一些特定的条件。关于对boot loader的分析请看我的另一篇文档u-boot源码分析。

    这里讨论下进入到linux kernel时必须具备的一些条件,这一般是boot loader在跳转到kernel之前要完成的:

   1. CPU必须处于SVC(supervisor)模式,并且IRQFIQ中断都是禁止的;

   2. MMU(内存管理单元)必须是关闭的此时虚拟地址就是物理地址;

   3. 数据cache(Data cache)必须是关闭的

   4. 指令cache(Instruction cache)可以是打开的,也可以是关闭的,这个没有强制要求;

   5. CPU 通用寄存器0 (r0)必须是 0;

   6. CPU 通用寄存器1 (r1)必须是 ARM Linux machine type (关于machine type, 我们后面会有讲解)

   7. CPU 通用寄存器2 (r2) 必须是 kernel parameter list 的物理地址(parameter list 是由boot loader传递给kernel,用来描述设备信息属性的列表)

   更详细的关于启动arm linux之前要做哪些准备工作可以参考,Booting ARM Linux"文档

 

. starting kernel

首先,我们先对几个重要的宏进行说明(我们针对有MMU的情况)

位置

默认值

说明

KERNEL_RAM_ADDR

arch/arm/kernel/head.S +26

0xc0008000

kernelRAM中的虚拟地址

PAGE_OFFSET

include/asm-arm/memeory.h +50

0xc0000000

内核空间的起始虚拟地址

TEXT_OFFSET

arch/arm/Makefile +131

0x00008000

内核在RAM中起始位置相对于

RAM起始地址的偏移

TEXTADDR

arch/arm/kernel/head.S +49 

0xc0008000 

kernel的起始虚拟地址

PHYS_OFFSET

include/asm-arm/arch- *** /memory.h

平台相关

RAM的起始物理地址,对于s3c2410来说在include/asm-arm/arch-s3c2410/memory.h下定义,值为0x30000000(ram接在片选6)

 

内核的入口是stext,这是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定义的:

         00011: ENTRY(stext)

    对于vmlinux.lds.S,这是ld script文件,此文件的格式和汇编及C程序都不同,本文不对ld script作过多的介绍,只对内核中用到的内容进行讲解,关于ld的详细内容可以参考ld.info

    这里的ENTRY(stext) 表示程序的入口是在符号stext.

    而符号stext是在arch/arm/kernel/head.S中定义的:

下面我们将arm linux boot的主要代码列出来进行一个概括的介绍,然后,我们会逐个的进行详细的讲解

arch/arm/kernel/head.S中 72 - 94 ,arm linux boot的主代码:

00072: ENTRY(stext)                                                        

00073:         msr        cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode

00074:                                                 @ and irqs disabled        

00075:         mrc        p15, 0, r9, c0, c0           @ get processor id         

00076:         bl        __lookup_processor_type       @ r5=procinfo r9=cpuid     

00077:         movs        r10, r5                     @ invalid processor (r5=0)?

00078:         beq        __error_p                    @ yes, error 'p'           

00079:         bl        __lookup_machine_type         @ r5=machinfo              

00080:         movs        r8, r5                      @ invalid machine (r5=0)?  

00081:         beq        __error_a                    @ yes, error 'a' 

00082:         bl        __create_page_tables             

 

在进入linux kernel前要确保在管理模式下,并且IRQ,FIQ都是关闭的,因此在00073行就是要确保这几个条件成立。

1. 确定 processor type

arch/arm/kernel/head.S:

00075:         mrc        p15, 0, r9, c0, c0               @ get processor id         

00076:         bl        __lookup_processor_type           @ r5=procinfo r9=cpuid     

00077:         movs        r10, r5                         @ invalid processor (r5=0)?

00078:         beq        __error_p                        @ yes, error 'p'           

75通过cp15协处理器的c0寄存器来获得processor id的指令关于cp15的详细内容可参考相关的arm手册,也可直接参考s3c2410data sheet

76跳转到__lookup_processor_type.__lookup_processor_type,会把找到匹配的processor type 对象存储在r5中。

77,78判断r5中的processor type是否是0,如果是0,说明系统中没找到匹配当前processor type的对象, 则跳转到__error_p(出错)。系统中会预先定义本系统支持的processor type 对象集。

    __lookup_processor_type 函数主要是根据从cpu中获得的processor id和系统中预先定义的本系统能支持的proc_info集进行匹配,看系统能否支持当前的processor, 并将匹配到的proc_info的基地址存到r5, 0表示没有找到对应的processor type.

下面我们分析__lookup_processor_type函数。

arch/arm/kernel/head-common.S:

00145:         .type        __lookup_processor_type, %function

00146: __lookup_processor_type:

00147:         adr        r3, 3f

00148:         ldmda      r3, {r5 - r7}

00149:         sub        r3, r3, r7                        @ get offset between virt&phys

00150:         add        r5, r5, r3                        @ convert virt addresses to

00151:         add        r6, r6, r3                        @ physical address space

00152: 1:      ldmia      r5, {r3, r4}                      @ value, mask

00153:         and        r4, r4, r9                        @ mask wanted bits

00154:         teq        r3, r4

00155:         beq        2f

00156:         add        r5, r5, #PROC_INFO_SZ             @ sizeof(proc_info_list)

00157:         cmp        r5, r6

00158:         blo        1b

00159:         mov        r5, #0                                @ unknown processor

00160: 2:      mov        pc, lr

00161: 

00162: /*

00163:  * This provides a C-API version of the above function.

00164:  */

00165: ENTRY(lookup_processor_type)

00166:         stmfd        sp!, {r4 - r7, r9, lr}

00167:         mov        r9, r0

00168:         bl        __lookup_processor_type

00169:         mov        r0, r5

00170:         ldmfd        sp!, {r4 - r7, r9, pc}

00171: 

00172: /*

00173:  * Look in include/asm-arm/procinfo.h and arch/arm/kernel/arch.[ch] for

00174:  * more information about the __proc_info and __arch_info structures.

00175:  */

00176:         .long        __proc_info_begin

00177:         .long        __proc_info_end

00178:  3:     .long        .

00179:         .long        __arch_info_begin

00180:         .long        __arch_info_end

145, 146行是函数定义

147取地址指令,这里的3f是向前symbol名称是3的位置,即第178,将该地址存入r3. 这里需要注意的是,adr指令取址,获得的是基于pc的一个地址,要格外注意,这个地址是3f处的"运行时地址",由于此时MMU还没有打开,也可以理解成物理地址(实地址).(详细内容可参考arm指令手册)

148因为r3中的地址是178行的位置的地址,因而执行完后

        r5存的是176行符号 __proc_info_begin的地址

        r6存的是177行符号 __proc_info_end的地址

        r7存的是3f处的地址.

    这里需要注意链接地址和运行时地址的区别. r3存储的是运行时地址(物理地址),r7中存储的是链接地址(虚拟地址).

     __proc_info_begin__proc_info_end是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S:

00031:                __proc_info_begin = .;

00032:                        *(.proc.info.init)

00033:                __proc_info_end = .;

 

这里是声明了两个变量:__proc_info_begin 和 __proc_info_end,其中等号后面的"."location counter(详细内容请参考ld.info)

    这三行的意思是: __proc_info_begin 的位置上,放置所有文件中的 ".proc.info.init" 段的内容,然后紧接着是 __proc_info_end 的位置.

kernel 使用struct proc_info_list来描述processor type.

在 include/asm-arm/procinfo.h :

00029: struct proc_info_list {

00030:         unsigned int                cpu_val;

00031:         unsigned int                cpu_mask;

00032:         unsigned long                __cpu_mm_mmu_flags;        /* used by head.S */

00033:         unsigned long                __cpu_io_mmu_flags;        /* used by head.S */

00034:         unsigned long                __cpu_flush;                /* used by head.S */

00035:         const char                  *arch_name;

00036:         const char                  *elf_name;

00037:         unsigned int                elf_hwcap;

00038:         const char                  *cpu_name;

00039:         struct processor            *proc;

00040:         struct cpu_tlb_fns          *tlb;

00041:         struct cpu_user_fns         *user;

00042:         struct cpu_cache_fns        *cache;

00043: 

};

我们当前以s3c2410为例,processor920t.

arch/arm/mm/proc-arm920.S :

00448:      .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr

00449:

00450: .type   __arm920_proc_info,#object

00451:      __arm920_proc_info:

00452:      .long   0x41009200

004523:     .long   0xff00fff0

00454:      .long   PMD_TYPE_SECT | \

00455:          PMD_SECT_BUFFERABLE | \

00456:          PMD_SECT_CACHEABLE | \

00457:          PMD_BIT4 | \

00458:          PMD_SECT_AP_WRITE | \

00459:          PMD_SECT_AP_READ

00460:      .long   PMD_TYPE_SECT | \

00461:           PMD_BIT4 | \

00462:           PMD_SECT_AP_WRITE | \

00463:           PMD_SECT_AP_READ

00464:      b   __arm920_setup

00465:      .long   cpu_arch_name

00466:      .long   cpu_elf_name

00467:      .long   HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB

00468:      .long   cpu_arm920_name

00469:      .long   arm920_processor_functions

00470:      .long   v4wbi_tlb_fns

00471:      .long   v4wb_user_fns

00472:  #ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH

00473:      .long  arm920_cache_fns

00474:  #else

00475:      .long   v4wt_cache_fns

00476:  #endif

00477:      .size   __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info

 

448,我们可以看到 __arm920_proc_info 被放到了".proc.info.init"段中.对照struct proc_info_list,我们可以看到 __cpu_flush的定义是在464,__arm920_setup.(我们将在"4. 调用平台特定的__cpu_flush函数"一节中详细分析这部分的内容.)

我们继续分析__lookup_processor_type

149从上面的分析我们可以知道r3中存储的是3f处的物理地址,r7存储的是3f处的虚拟地址,这一行是计算当前程序运行的物理地址和虚拟地址的差值,将其保存到r3.

150r5存储的虚拟地址(__proc_info_begin)转换成物理地址

151r6存储的虚拟地址(__proc_info_end)转换成物理地址

152对照struct proc_info_list,可以得知,这句是将当前proc_infocpu_valcpu_mask分别存

r3, r4

153: r9中存储了processor id(arch/arm/kernel/head.S中的75),r4cpu_mask进行逻辑与得到我们需要的值

154153行中得到的值与r3中的cpu_val进行比较

155如果相等,说明我们找到了对应的processor type,跳到160,返回

156如果不相等r5指向下一个proc_info,

157r6比较,检查是否到了__proc_info_end.

158如果没有到__proc_info_end,表明还有proc_info配置,返回152行继续查找

159执行到这里,说明所有的proc_info都匹配过了,但是没有找到匹配的,r5设置成0(unknown processor)

160返回

 

2. 确定 machine type

继续分析head.S,确定了processor type之后,就要确定machine type

arch/arm/kernel/head.S:

00079:         bl        __lookup_machine_type                @ r5=machinfo              

00080:         movs        r8, r5                                @ invalid machine (r5=0)?  

00081:         beq        __error_a                        @ yes, error 'a'  

79跳转到__lookup_machine_type函数proc_info一样,在系统中也预先定义好了本系统能支持的machine type集, 在__lookup_machine_type,就是要查找系统中是否有对当前machine type的支持, 如果查找到则会把struct machine_desc的基地址(machine type)存储在r5中。

80,81r5中的 machine_desc的基地址存储到r8,并判断r5是否是0,如果是0,说明是无效的machine type,跳转到__error_a(出错)

__lookup_machine_type 函数

下面我们分析__lookup_machine_type 函数:

arch/arm/kernel/head-common.S:

00176:         .long        __proc_info_begin

00177:         .long        __proc_info_end

00178: 3:      .long        .

00179:         .long        __arch_info_begin

00180:         .long        __arch_info_end

00181: 

00182: /*

00183:  * Lookup machine architecture in the linker-build list of architectures.

00184:  * Note that we can't use the absolute addresses for the __arch_info

00185:  * lists since we aren't running with the MMU on (and therefore, we are 

00186:  * not in the correct address space).  We have to calculate the offset.

00187:  *

00188:  *  r1 = machine architecture number

00189:  * Returns:

00190:  *  r3, r4, r6 corrupted

00191:  *  r5 = mach_info pointer in physical address space

00192:  */

00193:  .type   __lookup_machine_type, %function

00194: __lookup_machine_type:

00195:      adr r3, 3b

00196:      ldmia   r3, {r4, r5, r6}

00197:      sub r3, r3, r4         @ get offset between virt&phys

00198:      add r5, r5, r3         @ convert virt addresses to

00199:      add r6, r6, r3         @ physical address space

00200:  1:  ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE]   @ get machine type

00201:      teq r3, r1             @ matches loader number?

00202:      beq 2f                  @ found

00203:      add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC   @ next machine_desc

00204:      cmp r5, r6

00205:      blo 1b

00206:      mov r5, #0             @ unknown machine

00207: 2:   mov pc, lr

实际上上面这段代码的原理和确定processor type的原理是一样的。

 

内核中,一般使用宏MACHINE_START来定义machine type

对于smdk2410来说在 arch/arm/mach-s3c2410/Mach-smdk2410.c :

MACHINE_START(SMDK2410, "SMDK2410") /* @TODO: request a new identifier and switch

                    * to SMDK2410 */

    /* Maintainer: Jonas Dietsche */

    .phys_io    = S3C2410_PA_UART,

    .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

    .boot_params    = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

    .map_io     = smdk2410_map_io,

    .init_irq   = s3c24xx_init_irq,

    .init_machine   = smdk_machine_init,

    .timer      = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

195行:把3b处的地址存入r3中,3b处的地址就是178行处的地址。

1963b处开始的连续地址即3b处的地址,__arch_info_begin__arch_info_end依次存入r4,r5,r6.

197: r3中存储的是3b处的物理地址,r4中存储的是3b处的虚拟地址,这里计算处物理地址和虚拟地址的差值,保存到r3

198r5存储的虚拟地址(__arch_info_begin)转换成物理地址             

199r6存储的虚拟地址(__arch_info_end)转换成物理地址             

200: MACHINFO_TYPE 在 arch/arm/kernel/asm-offset.c 101行定义这里是取 struct machine_desc中的nr(architecture number) r3

201r3中取到的machine type 和 r1中的 machine type(见前面的"启动条件")进行比较

202如果相同,说明找到了对应的machine type,跳转到207行的2f,此时r5中存储了对应的struct machine_desc的基地址

203如果不匹配则取下一个machine_desc的地址

204r6进行比较,检查是否到了__arch_info_end.

205如果没到尾,说明还有machine_desc,返回200行继续查找.

206执行到这里,说明所有的machind_desc都查找完了,并且没有找到匹配的r5设置成0(unknown machine).

207返回

 

3. 创建页表

继续分析head.S,确定了processor type和 machine type之后,就是创建页表。

通过前面的两步,我们已经确定了processor type 和 machine type.

此时,一些特定寄存器的值如下所示:

r8 = machine info       (struct machine_desc的基地址)

r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id)

r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)

创建页表是通过函数 __create_page_tables 来实现的

这里,我们使用的是armL1主页表,L1主页表也称为段页表(section page table), L1 主页表将4 GB 的地址空间分成若干个1 MB的段(section),因此L1页表包含4096个页表项(section entry). 每个页表项是32 bits(4 bytes)

因而L1主页表占用 4096 *4 = 16k的内存空间.

对于ARM920,L1 section entry的格式为可参考arm920t TRM):

它的地址翻译过程如下:

 

下面我们来分析 __create_page_tables 函数:

在 arch/arm/kernel/head.S :

00206:         .type        __create_page_tables, %function

00207: __create_page_tables:

00208:         pgtbl        r4                                @ page table address

00209: 

00210:         /*

00211:          * Clear the 16K level 1 swapper page table

00212:          */

00213:         mov        r0, r4

00214:         mov        r3, #0

00215:         add        r6, r0, #0x4000

00216: 1:      str        r3, [r0], #4

00217:         str        r3, [r0], #4

00218:         str        r3, [r0], #4

00219:         str        r3, [r0], #4

00220:         teq        r0, r6

00221:         bne        1b

00222: 

00223:         ldr        r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS]     @ mm_mmuflags

00224: 

00225:         /*

00226:          * Create identity mapping for first MB of kernel to

00227:          * cater for the MMU enable.  This identity mapping

00228:          * will be removed by paging_init().  We use our current program

00229:          * counter to determine corresponding section base address.

00230:          */

00231:         mov        r6, pc, lsr #20                        @ start of kernel section

00232:         orr        r3, r7, r6, lsl #20                @ flags + kernel base

00233:         str        r3, [r4, r6, lsl #2]                @ identity mapping

00234: 

00235:         /*

00236:          * Now setup the pagetables for our kernel direct

00237:          * mapped region. We round TEXTADDR down to the

00238:          * nearest megabyte boundary.  It is assumed that

00239:          * the kernel fits within 4 contigous 1MB sections.

00240:          */

00241:         add     r0, r4,  #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18        @ start of kernel

00242:         str     r3, [r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18]!

00243:         add     r3, r3, #1 << 20

00244:         str     r3, [r0, #4]!          @ KERNEL + 1MB

00245:         add     r3, r3, #1 << 20

00246:         str     r3, [r0, #4]!          @ KERNEL + 2MB

00247:         add     r3, r3, #1 << 20

00248:         str     r3, [r0, #4]           @ KERNEL + 3MB

00249:         

00250:         /*

00251:          * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params.

00252:          */

00253:         add        r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18

00254:         orr        r6, r7, #PHYS_OFFSET

00255:         str        r6, [r0]

        

        ...

        

00314:        mov        pc, lr

00315:        .ltorg         

206, 207函数声明

208通过宏 pgtbl r4设置成页表的基地址(物理地址)

    宏pgtbl 在 arch/arm/kernel/head.S :

00042:        .macro        pgtbl, rd

00043:        ldr        \rd, =(__virt_to_phys(KERNEL_RAM_ADDR - 0x4000))

00044:        .endm

   可以看到,页表是位于 KERNEL_RAM_ADDR 下面 16k 的位置

宏 __virt_to_phys 是在incude/asm-arm/memory.h :

00125: #ifndef __virt_to_phys

00126: #define __virt_to_phys(x)        ((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)

00127: #define __phys_to_virt(x)        ((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)

00128: #endif 

下面从213行 - 221是将这16k 的页表清0.

213: r0 = r4, 将页表基地址存在r0

214将 r3 置成0

215: r6  = 页表基地址 + 16k, 可以看到这是页表的尾地址

216 - 221 循环,从 r0 到 r6 将这16k页表用0填充.

223获得proc_info_list__cpu_mm_mmu_flags的值,并存储到 r7. (PROCINFO_MM_MMUFLAGS是在arch/arm/kernel/asm-offset.c中定义)

231通过pc值的高12(右移20),得到kernelsection基址(从上面的图可以看出),并存储到r6.因为当前是通过运行时地址得到的kernelsection地址,因而是物理地址.

232: r3 = r7 | (r6 << 20); flags + kernel base,得到页表中需要设置的值.

233设置页表: mem[r4 + r6 * 4] = r3,这里,因为页表的每一项是32 bits(4 bytes),所以要乘以4(<<2).

上面这三行,设置了kernel当前运行的section(物理地址所在的page entry)的页表项

241--248: TEXTADDR是内核的起始虚拟地址(0xc0008000), 这几行是设置kernel起始4M虚拟地址的页表项(个人觉得242行设置的页表项和上面233行设置的页表项是同一个,因为r3没有变,就是kernel1M的页表项)。 

/* TODO: 这两行的code很奇怪,为什么要先取TEXTADDR的高8(Bit[31:24])0xff000000,然后再取后面的8(Bit[23:20])0x00f00000*/           

253r0设置为RAM第一兆虚拟地址的页表项地址(page entry)

254: r7中存储的是mmu flags, 逻辑或上RAM的起始物理地址,得到RAM第一个MB页表项的值.

255: 设置RAM的第一个MB虚拟地址的页表.

上面这三行是用来设置RAM中第一兆虚拟地址的页表之所以要设置这个页表项的原因是RAM的第一兆内存中可能存储着boot params.

这样,kernel所需要的基本的页表我们都设置完了如下图所示:

 

4. 调用平台特定的 __cpu_flush 函数 

当 __create_page_tables 返回之后

此时,一些特定寄存器的值如下所示:

r4 = pgtbl              (page table 的物理基地址)

r8 = machine info       (struct machine_desc的基地址)

r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id)

r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)

在我们需要开启mmu之前,做一些必须的工作:清除ICache, 清除 DCache, 清除 Writebuffer, 清除TLB.这些一般是通过cp15协处理器来实现的,并且是平台相关的这就是__cpu_flush 需要做的工作

在 arch/arm/kernel/head.S

00091:         ldr        r13, __switch_data                @ address to jump to after 

00092:                                                 @ mmu has been enabled     

00093:         adr        lr, __enable_mmu                @ return (PIC) address     

00094:         add        pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC            

91r13设置为 __switch_data 的地址

92lr设置为 __enable_mmu 的地址

93: r10存储的是procinfo的基地址, PROCINFO_INITFUNC是在 arch/arm/kernel/asm-offset.c 107行定义该行将pc设为 proc_info_list的 __cpu_flush 函数的地址即下面跳转到该函数.在分析 __lookup_processor_type 的时候,我们已经知道,对于 ARM920t 来说,__cpu_flush指向的是函数 __arm920_setup

 

下面我们来分析函数 __arm920_setup        

在 arch/arm/mm/proc-arm920.S :

00385: .type   __arm920_setup, #function

00386: __arm920_setup:

00387:      mov r0, #0

00388:      mcr p15, 0, r0, c7, c7     @ invalidate I,D caches on v4

00389:      mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer on v4

00390: #ifdef CONFIG_MMU

00391:      mcr p15, 0, r0, c8, c7     @ invalidate I,D TLBs on v4

00392: #endif

00393:      adr r5, arm920_crval

00394:      ldmia   r5, {r5, r6}

00395:      mrc p15, 0, r0, c1, c0     @ get control register v4

00396:      bic r0, r0, r5

00397:      orr r0, r0, r6

00398:      mov pc, lr

00399:      .size   __arm920_setup, . - __arm920_setup

385,386定义__arm920_setup函数。

387行: 设置r00

388行: 使数据cahche, 指令cache无效。

389行: 使write buffer无效。

391行: 使数据TLB,指令TLB无效。

393行: 获取arm920_crval的地址,并存入r5

394行: 获取arm920_crval地址处的连续8字节分别存入r5,r6

arm920_crvalarch\arm\mm\proc-arm920t.c:

    .type   arm920_crval, #object

arm920_crval:

    crval   clear=0x00003f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001130  

由此可知,r5 = 0x00003f3f, r6 = 0x00003135

 

395行: 获取CP15下控制寄存器的值,并存入r0

396行: 通过查看arm920_crval的值可知该行是清除r0中相关位,为以后对这些位的赋值做准备。

397行: 设置r0中的相关位,即为mmu做相应设置。

398行: 函数返回。

 

5. 开启mmu

   开启mmu是由函数 __enable_mmu 实现的.

   在进入 __enable_mmu 的时候, r0中已经存放了控制寄存器c1的一些配置(在上一步中进行的设置), 但是并没有真正的打开mmu, 在 __enable_mmu ,我们将打开mmu.

   此时,一些特定寄存器的值如下所示:

r0 = c1 parameters      (用来配置控制寄存器的参数)        

r4 = pgtbl              (page table 的物理基地址)

r8 = machine info       (struct machine_desc的基地址)

r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id)

r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)

 

在 arch/arm/kernel/head.S :

00146:         .type        __enable_mmu, %function

00147: __enable_mmu:

00148: #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP

00149:         orr        r0, r0, #CR_A

00150: #else

00151:         bic        r0, r0, #CR_A

00152: #endif

00153: #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE

00154:         bic        r0, r0, #CR_C

00155: #endif

00156: #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE

00157:         bic        r0, r0, #CR_Z

00158: #endif

00159: #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE

00160:         bic        r0, r0, #CR_I

00161: #endif

00162:         mov        r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \

00163:                       domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \

00164:                       domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \

00165:                       domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))

00166:         mcr        p15, 0, r5, c3, c0, 0                @ load domain access register

00167:         mcr        p15, 0, r4, c2, c0, 0                @ load page table pointer

00168:         b        __turn_mmu_on

00169: 

00170: /*

00171:  * Enable the MMU.  This completely changes the structure of the visible

00172:  * memory space.  You will not be able to trace execution through this.

00173:  * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel

00174:  * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.

00175:  *

00176:  *  r0  = cp#15 control register

00177:  *  r13 = *virtual* address to jump to upon completion

00178:  *

00179:  * other registers depend on the function called upon completion

00180:  */

00181:  .align  5

00182:  .type   __turn_mmu_on, %function

00183:__turn_mmu_on:

00184:      mov r0, r0

00185:      mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0      @ write control reg

00186:      mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0      @ read id reg

00187:      mov r3, r3

00188:      mov r3, r3

00189:      mov pc, r13

 

146147定义__enable_mmu函数。

148--152行:根据配置使能或禁止地址对齐错误检测。

153--155行:根据配置使能或禁止数据cache

156--158行:reserved

159--161行:根据配置使能或禁止指令cache

162--165行:配置相应的访问权限并存入r5

166行:把访问权限写入CP15协处理器。

167行:把页表地址写入CP15协处理器。

168行:跳转到__turn_mmu_on来打开MMU

 

接下来就是打开MMU了,我们看它的代码:

 

185cp15的控制寄存器c1, 这里是打开mmu的动作,同时会打开cache(根据r0相应的配置)

186读取id寄存器.

187 - 188两个nop. 

189r13pc,我们前面已经看到了, r13中存储的是 __switch_data (arch/arm/kernel/head.S 91),下面会跳到 __switch_data.

187,188行的两个nop是非常重要的,因为在185行打开mmu 动作之后,要等到3cycle之后才会生效,这和arm的流水线有关系.

因而,在打开mmu动作之后又加了两个nop动作.

 

6. 切换数据

下面我们就来看__switch_data:

在 arch/arm/kernel/head-common.S :

00014:         .type        __switch_data, %object

00015: __switch_data:

00016:         .long        __mmap_switched

00017:         .long        __data_loc                        @ r4

00018:         .long        __data_start                        @ r5

00019:         .long        __bss_start                        @ r6

00020:         .long        _end                                @ r7

00021:         .long        processor_id                        @ r4

00022:         .long        __machine_arch_type                @ r5

00023:         .long        cr_alignment                        @ r6

00024:         .long        init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp

00025: 

14, 15对象定义。

16 - 24为对象里的每个域赋值,例如第16行存储的是 __mmap_switched 的地址17行存储的是 __data_loc 的地址 ......

由上面对__switch_data的定义可知,最终调用的是__mmap_switched

下面我们就来看__mmap_switched:

在 arch/arm/kernel/head-common.S :

00026: /*

00027:  * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,

00028:  * and uses absolute addresses; this is not position independent.

00029:  *

00030:  *  r0  = cp#15 control register

00031:  *  r1  = machine ID

00032:  *  r9  = processor ID

00033:  */

00034:  .type  __mmap_switched, %function

00035: __mmap_switched:

00036:      adr r3, __switch_data + 4

00037:

00038:      ldmia   r3!, {r4, r5, r6, r7}

00039:      cmp r4, r5             @ Copy data segment if needed

00040: 1:   cmpne   r5, r6

00041:      ldrne   fp, [r4], #4

00042:      strne   fp, [r5], #4

00043:      bne 1b

00044:

00045:      mov fp, #0             @ Clear BSS (and zero fp)

00046: 1:   cmp r6, r7

00047:      strcc   fp, [r6],#4

00048:      bcc 1b

00049:

00050:      ldmia   r3, {r4, r5, r6, sp}

00051:      str r9, [r4]           @ Save processor ID

00052:      str r1, [r5]           @ Save machine type

00053:      bic r4, r0, #CR_A          @ Clear 'A' bit

00054:      stmia   r6, {r0, r4}           @ Save control register values

00055:      b   start_kernel

注意上面这些代码就已经跑在了MMU打开的情况下了。

 

34, 35函数 __mmap_switched的定义。

36取 __switch_data + 4的地址到r3. 从上文可以看到这个地址就是第17行的地址.

38: 依次取出从第17行到第20行的地址,存储到r4, r5, r6, r7 并且累加r3的值.当执行完后, r3指向了第21行的位置.

        对照上文,我们可以得知

                r4 - __data_loc

                r5 - __data_start

                r6 - __bss_start

                r7 - _end

这几个符号都是在 arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S 中定义的变量:

00102: #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL

00103:         __data_loc = ALIGN(4);                /* location in binary */

00104:         . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;

00105: #else

00106:         . = ALIGN(THREAD_SIZE);

00107:         __data_loc = .;

00108: #endif

00109: 

00110:         .data : AT(__data_loc) {

00111:                 __data_start = .;        /* address in memory */

00112: 

00113:                 /*

00114:                  * first, the init task union, aligned

00115:                  * to an 8192 byte boundary.

00116:                  */

00117:                 *(.init.task)

          ......

00158:         .bss : {

00159:                 __bss_start = .;        /* BSS                                */

00160:                 *(.bss)

00161:                 *(COMMON)

00162:                 _end = .;

00163:         }

    对于这四个变量,我们简单的介绍一下:

__data_loc 是数据存放的位置

__data_start 是数据开始的位置

        

__bss_start bss开始的位置

_end bss结束的位置也是内核结束的位置

        

   其中对第110行的指令讲解一下这里定义了.data ,后面的AT(__data_loc) 的意思是这部分的内容是在__data_loc中存储的(要注意,储存的位置和链接的位置是可以不相同的).

   关于 AT 详细的信息请参考 ld.info

 

38比较 __data_loc 和 __data_start

39 - 43这几行是判断数据存储的位置和数据的开始的位置是否相等,如果不相等,则需要搬运数据,从 __data_loc 将数据搬到 __data_start. 其中 __bss_start bss的开始的位置,也标志了 data 结束的位置,因而用其作为判断数据是否搬运完成.

45 - 48: 是清除 bss 段的内容,将其都置成0. 这里使用 _end 来判断 bss 的结束位置.

50因为在第38行的时候,r3被更新到指向第21行的位置.因而这里取得r4, r5, r6, sp的值分别是:

        r4 - processor_id

        r5 - __machine_arch_type

        r6 - cr_alignment

        sp - init_thread_union + THREAD_START_SP

    processor_id 和 __machine_arch_type 这两个变量是在 arch/arm/kernel/setup.c 中 第62, 63行中定义的.

    cr_alignment 是在 arch/arm/kernel/entry-armv.S 中定义的:

00182:         .globl        cr_alignment

00183:         .globl        cr_no_alignment

00184: cr_alignment:

00185:         .space        4

00186: cr_no_alignment:

00187:         .space        4

        

init_thread_union 是 init进程的基地址在 arch/arm/kernel/init_task.c :

00033: union thread_union init_thread_union

00034:         __attribute__((__section__(".init.task"))) =

00035:                 { INIT_THREAD_INFO(init_task) };        

    对照 vmlnux.lds.S 中的 的117,我们可以知道init task是存放在 .data 段的开始8k, 并且是THREAD_SIZE(8k)对齐的

51r9中存放的 processor id (arch/arm/kernel/head.S 75赋值给变量 processor_id

52r1中存放的 machine id ("启动条件"一节)赋值给变量 __machine_arch_type

53清除r0中的 CR_A 位并将值存到r4. CR_A 是在 include/asm-arm/system.h 21行定义cp15控制寄存器c1Bit[1](alignment fault enable/disable)

54这一行是存储控制寄存器的值

    从上面 arch/arm/kernel/entry-armv.S 的代码我们可以得知.

    这一句是将r0存储到了 cr_alignment ,r4存储到了 cr_no_alignment .

55最终跳转到start_kernel

我的总结

未压缩的内核在Arch/arm/kernel/head.S中的stext开始执行

__lookup_processor_type查找放在.proc.info.init中的信息。对于ARM926,放入这个段的信息在arch/arm/mm/proc-arm926.S中定义(__arm926_proc_info

__lookup_machine_type查找放在.arch.info中的信息。对于DAVINCI,在"arch/arm/mach-davinci/board-evm.c"在用MACHINE_START  定义

Stext中:

   ldr     r13, __switch_data              @ address to jump to after

                                                @ mmu has been enabled

        adr     lr, __enable_mmu                @ return (PIC) address

        add     pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

这里的意思:跳到r10+ PROCINFO_INITFUNC这个地址去执行。当程序运行到这里时,R10存放的是procinfo的基地址, PROCINFO_INITFUNC12r10+ PROCINFO_INITFUNC就是__cpu_flush 函数的地址.对于 ARM926t 来说,__cpu_flush指向的是函数 __arm926_setup

执行完__cpu_flush后跳到_enable_mmu中,而enable-mmu完成后,跳到_switch_data中执行。在__switch_data的最后会调用start_kernel

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