linux内核启动第一阶段分析
http://blog.csdn.net/aaronychen/article/details/2838341
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。
本文从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。当前以linux-3.0内核版本来分析,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, CPU是s3c2410(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中,本文不做讨论。
一. 启动
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IRQ和FIQ中断都是禁止的;
2. MMU(内存单元)必须是关闭的, 此时地址就是物理地址;
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
二. 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)：
TEXT_OFFSET 内核在RAM中的起始位置相对于RAM起始地址偏移。值为0x00008000
./arch/arm/Makefile
118 textofs-y := 0x00008000
222 TEXT_OFFSET := $(textofs-y)
PAGE_OFFSE 内核镜像起始虚拟地址。值为0xC0000000
/arch/arm/configs/s3c2410_defconfig
CONFIG_PAGE_OFFSET=0xC0000000
./arch/arm/include/asm/memory.h
34 #define PAGE_OFFSET UL(CONFIG_PAGE_OFFSET)
PHYS_OFFSET RAM启始物理地址，对于2410来说值为0x30000000，RAM接在片选6上
arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/memory.h
from arch/arm/mach-rpc/include/mach/memory.h
#define PHYS_OFFSET UL(0x30000000)
KERNEL_RAM_VADDR 内核在RAM中的虚拟地址。值为0xC0008000
KERNEL_RAM_PADDR 内核在RAM中的物理地址。值为0x30008000
arch/arm/kernel/head.S
29 #define KERNEL_RAM_VADDR (PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)
30 #define KERNEL_RAM_PADDR (PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET)
PLAT_PHYS_OFFSET arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/memory.h 值为0x30000000
arm linux boot的主线可以概括为以下几个步骤:
1. 确定 processor type
2. 确定 machine type
3.检查参数合法性
4. 创建页表
5. 调用平台特定的__cpu_flush函数 (在struct proc_info_list中)
6. 开启mmu
7. 切换数据
最终跳转到start_kernel (在__switch_data的结束的时候,调用了 b start_kernel)
内核的入口是stext,这是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定义的:
31 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.
在arch/arm/kernel/head.S中 77 - 101 行,是arm linux boot的主代码:
arch/arm/kernel/head.S
77 __HEAD
78 ENTRY(stext)
79 setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ 确保进入管理（svc)模式
80 @ 并且禁止中断
81 mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ 读取CPU ID，存入r9寄存器
82 bl __lookup_processor_type @ 调用函数，输入参数r9=cpuid，
@ 返回值r5=procinfo
83 movs r10, r5 @ 如果不支持当前CPU，则返回 (r5=0),/*判断如果r10的值为0，跳转到出错处理，*/
84 beq __error_p @ yes, error 'p'
//查询machine ID并检查合法性
85 bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo
86 movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?
87 beq __error_a @ yes, error 'a'
88 bl __vet_atags //检查bootloader传入的参数列表atags的合法性
89 bl __create_page_tables //创建初始页表
90
91 /*
92 * The following calls CPU specific code in a position independent
93 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
94 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type
95 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be
96 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.
97 */
98 ldr r13, __switch_data @ address to jump to after //将列表__switch_data存到r13中后面会跳到该列表出
99 @ mmu has been enabled
100 adr lr, BSYM(__enable_mmu) @ return (PIC) address//将程序段__enable_mmu的地址存到lr中。此命令将导致程序段__arm920_setup的执行，后面会将到。
101 ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )//r10中存放的基地址是从__lookup_processor_type中得到的，如上面movs r10, r5
102 THUMB( add r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
103 THUMB( mov pc, r12 )
104 ENDPROC(stext)
76 __error_p:
77 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL
78 adr r0, str_p1
79 bl printascii
80 mov r0, r9
81 bl printhex8
82 adr r0, str_p2
83 bl printascii
84 b __error
85 str_p1: .asciz "\nError: unrecognized/unsupported processor variant (0x"
86 str_p2: .asciz ").\n"
87 .align
88 #endif
89 ENDPROC(__error_p)
91 __error_a:
92 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL
93 mov r4, r1 @ preserve machine ID
94 adr r0, str_a1
95 bl printascii
96 mov r0, r4
97 bl printhex8
98 adr r0, str_a2
99 bl printascii
100 adr r3, 4f
101 ldmia r3, {r4, r5, r6} @ get machine desc list
102 sub r4, r3, r4 @ get offset between virt&phys
103 add r5, r5, r4 @ convert virt addresses to
104 add r6, r6, r4 @ physical address space
105 1: ldr r0, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type
106 bl printhex8
107 mov r0, #'\t'
108 bl printch
109 ldr r0, [r5, #MACHINFO_NAME] @ get machine name
110 add r0, r0, r4
111 bl printascii
112 mov r0, #'\n'
113 bl printch
114 add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc
115 cmp r5, r6
116 blo 1b
117 adr r0, str_a3
118 bl printascii
119 b __error
120 ENDPROC(__error_a)
121
122 str_a1: .asciz "\nError: unrecognized/unsupported machine ID (r1 = 0x"
123 str_a2: .asciz ").\n\nAvailable machine support:\n\nID (hex)\tNAME\n"
124 str_a3: .asciz "\nPlease check your kernel config and/or bootloader.\n"
125 .align
126 #endif
128 __error:
129 #ifdef CONFIG_ARCH_RPC
130 /*
131 * Turn the screen red on a error - RiscPC only.
132 */
133 mov r0, #0x02000000
134 mov r3, #0x11
135 orr r3, r3, r3, lsl #8
136 orr r3, r3, r3, lsl #16
137 str r3, [r0], #4
138 str r3, [r0], #4
139 str r3, [r0], #4
140 str r3, [r0], #4
141 #endif
142 1: mov r0, r0
143 b 1b
144 ENDPROC(__error)
__lookup_processor_type
---------------------------------------------------------------
在讲解lookup_processor_type程序段之前先来看一些相关知识。
内核做支持的每一种CPU类型都由结构体proc_info_list 来描述。
该结构体在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h中定义：
struct proc_info_list {
unsigned int cpu_val;
unsigned int cpu_mask;
unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */
unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */
unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */
const char *arch_name;
const char *elf_name;
unsigned int elf_hwcap;
const char *cpu_name;
struct processor *proc;
struct cpu_tlb_fns *tlb;
struct cpu_user_fns *user;
struct cpu_cache_fns *cache;
};
对于arm920来说，其对应结构体在文件 linux/arch/arm/mm/proc-arm920.S中初始化。
442 .align
443
444 .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
445
446 .type __arm920_proc_info,#object
447 __arm920_proc_info:
448 .long 0x41009200
449 .long 0xff00fff0
450 .long PMD_TYPE_SECT | \
451 PMD_SECT_BUFFERABLE | \
452 PMD_SECT_CACHEABLE | \
453 PMD_BIT4 | \
454 PMD_SECT_AP_WRITE | \
455 PMD_SECT_AP_READ
456 .long PMD_TYPE_SECT | \
457 PMD_BIT4 | \
458 PMD_SECT_AP_WRITE | \
459 PMD_SECT_AP_READ
460 b __arm920_setup
461 .long cpu_arch_name
462 .long cpu_elf_name
463 .long HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB
464 .long cpu_arm920_name
465 .long arm920_processor_functions
466 .long v4wbi_tlb_fns
467 .long v4wb_user_fns
468 #ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH
469 .long arm920_cache_fns
470 #else
471 .long v4wt_cache_fns
472 #endif
473 .size __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info
.section ".proc.info.init"表明了该结构在编译后存放的位置。
在链接文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中,编译后它生成arch/arm/kernel/vmlinux.lds文件
20 SECTIONS
21 {
22 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
23 . = XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR);
24 #else
25 . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;
26 #endif
27
28 .init : { /* Init code and data */
29 _stext = .;
30 _sinittext = .;
31 HEAD_TEXT
32 INIT_TEXT
33 _einittext = .;
34 __proc_info_begin = .;
35 *(.proc.info.init)
36 __proc_info_end = .;
37 __arch_info_begin = .;
38 *(.arch.info.init)
39 __arch_info_end = .;
40 __tagtable_begin = .;
41 *(.taglist.init)
42 __tagtable_end = .;
所有CPU类型对应的被初始化的proc_info_list结构体都放在__proc_info_begin和__proc_info_end之间。
现在再来分析lookup_processor_type
147 /*
148 * Read processor ID register (CP#15, CR0), and look up in the linker-built
149 * supported processor list. Note that we can't use the absolute addresses
150 * for the __proc_info lists since we aren't running with the MMU on
151 * (and therefore, we are not in the correct address space). We have to
152 * calculate the offset.
153 *
154 * r9 = cpuid
155 * Returns:
156 * r3, r4, r6 corrupted
157 * r5 = proc_info pointer in physical address space
158 * r9 = cpuid (preserved)
159 */
160 __lookup_processor_type:
161 adr r3, 3f //r3存储的是标号3的物理地址（由于没有启用mmu，所以当前肯定是物理地址）
162 ldmia r3, {r5 - r7} //R5=__proc_info_begin，r6=__proc_info_end，r7=标号3处的虚拟地址。
163 add r3, r3, #8
164 sub r3, r3, r7 //得到虚拟地址和物理地址之间的offset
165 add r5, r5, r3 //利用offset，将r5和r6中保存的虚拟地址转变为物理地址
166 add r6, r6, r3 @ physical address space
167 1: ldmia r5, {r3, r4} //r3=cpu_val,r4= cpu_mask,
168 and r4, r4, r9 //r9中存放的是先前读出的processor ID，此处屏蔽不需要的位。
//查看代码和CPU硬件是否匹配（比如想在arm920t上运行为cortex-a8编译的内核？不让！）
169 teq r3, r4
170 beq 2f //如果匹配成功就返回
//PROC_INFO_SZ (proc_info_list结构的长度，在这等于48)，跳到下一个proc_info_list处
171 add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)
//判断是否已经到了结构体proc_info_list存放区域的末尾__proc_info_end，
172 cmp r5, r6
173 blo 1b
//如果没有匹配成功就将r5清零，如果匹配成功r5中放的是该CPU类型对应的结构体//proc_info_list的基地址。
174 mov r5, #0 @ unknown processor
175 2: mov pc, lr //子程序返回。
176 ENDPROC(__lookup_processor_type)
177
178 /*
179 * This provides a C-API version of the above function.
180 */
181 ENTRY(lookup_processor_type)
182 stmfd sp!, {r4 - r7, r9, lr}
183 mov r9, r0
184 bl __lookup_processor_type
185 mov r0, r5
186 ldmfd sp!, {r4 - r7, r9, pc}
187 ENDPROC(lookup_processor_type)
188
189 /*
190 * Look in
and arch/arm/kernel/arch.[ch] for
191 * more information about the __proc_info and __arch_info structures.
192 */
193 .align 2
194 3: .long __proc_info_begin
195 .long __proc_info_end
196 4: .long .
197 .long __arch_info_begin
198 .long __arch_info_end
__lookup_machine_type
---------------------------------------------------------------
每一个CPU平台都可能有其不一样的结构体，描述这个平台的结构体是machine_desc。
这个结构体在文件arch/arm/include/asm/mach/arch.h中定义：
17 struct machine_desc {
18 /*
19 * Note! The first four elements are used
20 * by assembler code in head.S, head-common.S
21 */
22 unsigned int nr; /* architecture number */
23 unsigned int nr_irqs; /* number of IRQs */
24 unsigned int phys_io; /* start of physical io */
25 unsigned int io_pg_offst; /* byte offset for io
26 * page tabe entry */
27
28 const char *name; /* architecture name */
29 unsigned long boot_params; /* tagged list */
30
31 unsigned int video_start; /* start of video RAM */
32 unsigned int video_end; /* end of video RAM */
33
34 unsigned int reserve_lp0 :1; /* never has lp0 */
35 unsigned int reserve_lp1 :1; /* never has lp1 */
36 unsigned int reserve_lp2 :1; /* never has lp2 */
37 unsigned int soft_reboot :1; /* soft reboot */
38 void (*fixup)(struct machine_desc *,
39 struct tag *, char **,
40 struct meminfo *);
41 void (*reserve)(void);/* reserve mem blocks */
42 void (*map_io)(void);/* IO mapping function */
43 void (*init_irq)(void);
44 struct sys_timer *timer; /* system tick timer */
45 void (*init_machine)(void);
46 };
47
对于平台smdk2410来说其对应machine_desc结构在文件
linux/arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c中初始化：
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 = smdk2410_init,
.timer = &s3c24xx_timer,
MACHINE_END
对于宏MACHINE_START在文件arch/arm/include/asm/mach/arch.h中定义：
48 /*
49 * Set of macros to define architecture features. This is built into
50 * a table by the linker.
51 */
52 #define MACHINE_START(_type,_name) \
53 static const struct machine_desc __mach_desc_##_type \
54 __used \
55 __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { \
56 .nr = MACH_TYPE_##_type, \
57 .name = _name,
58
59 #define MACHINE_END \
60 };
61
62 #endif
__attribute__((__section__(".arch.info.init")))表明该结构体在并以后存放的位置。
在链接文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中,编译后它生成arch/arm/kernel/vmlinux.lds文件
20 SECTIONS
21 {
22 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
23 . = XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR);
24 #else
25 . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;
26 #endif
27
28 .init : { /* Init code and data */
29 _stext = .;
30 _sinittext = .;
31 HEAD_TEXT
32 INIT_TEXT
33 _einittext = .;
34 __proc_info_begin = .;
35 *(.proc.info.init)
36 __proc_info_end = .;
37 __arch_info_begin = .;
38 *(.arch.info.init)
39 __arch_info_end = .;
40 __tagtable_begin = .;
41 *(.taglist.init)
42 __tagtable_end = .;
在__arch_info_begin和 __arch_info_end之间存放了linux内核所支持的所有平台对应的machine_desc结构体。
现在再来看__lookup_machine_type
200 /*
201 * Lookup machine architecture in the linker-build list of architectures.
202 * Note that we can't use the absolute addresses for the __arch_info
203 * lists since we aren't running with the MMU on (and therefore, we are
204 * not in the correct address space). We have to calculate the offset.
205 *
206 * r1 = machine architecture number
207 * Returns:
208 * r3, r4, r6 corrupted
209 * r5 = mach_info pointer in physical address space
210 */
211 __lookup_machine_type:
212 adr r3, 4b //r3存储的是标号3的物理地址
//R4=标号3处的虚拟地址，r5=__arch_info_begin，r6=__arch_info_end。
213 ldmia r3, {r4, r5, r6}
214 sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys
215 add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to
216 add r6, r6, r3 @ physical address space
//读取machine_desc结构的nr参数，对于smdk2410来说该值是MACH_TYPE_SMDK2410。
//这个值在文件linux/arch/arm/tools/mach-types中：
//smdk2410 ARCH_SMDK2410 SMDK2410 193
217 1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type
218 teq r3, r1 //r1就是bootloader传递过来的机器码，就是上面的平台编号。
219 beq 2f //如果匹配成功就返回
220 add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC //没匹配成功就跳到下一个结构体machine_desc
221 cmp r5, r6
222 blo 1b
223 mov r5, #0 //如果匹配失败就将r5清零。
224 2: mov pc, lr //子程序返回。
225 ENDPROC(__lookup_machine_type)
226
227 /*
228 * This provides a C-API version of the above function.
229 */
230 ENTRY(lookup_machine_type)
231 stmfd sp!, {r4 - r6, lr}
232 mov r1, r0
233 bl __lookup_machine_type
234 mov r0, r5
235 ldmfd sp!, {r4 - r6, pc}
236 ENDPROC(lookup_machine_type)
__vet_atags 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性
---------------------------------------------------------------
关于参数链表：
内核参数链表的格式和说明可以从内核源代码目录树中的arch/arm/include/asm/setup.h中
找到，参数链表必须以ATAG_CORE 开始，以ATAG_NONE结束。这里的 ATAG_CORE，
ATAG_NONE是各个参数的标记，本身是一个32位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。
其它的参数标记还包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，
ATAG_COMDLINE 等。每个参数标记就代表一个参数结构体，由各个参数结构体构成了参
数链表。参数结构体的定义如下：
146 struct tag {
147 struct tag_header hdr;
148 union {
149 struct tag_core core;
150 struct tag_mem32 mem;
151 struct tag_videotext videotext;
152 struct tag_ramdisk ramdisk;
153 struct tag_initrd initrd;
154 struct tag_serialnr serialnr;
155 struct tag_revision revision;
156 struct tag_videolfb videolfb;
157 struct tag_cmdline cmdline;
158
159 /*
160 * Acorn specific
161 */
162 struct tag_acorn acorn;
163
164 /*
165 * DC21285 specific
166 */
167 struct tag_memclk memclk;
168 } u;
169 };
参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header结构体,一个是u联合体。
tag_header结构体的定义如下：
24 struct tag_header {
25 __u32 size;
26 __u32 tag;
27 };
28
其中 size：表示整个 tag 结构体的大小(用字的个数来表示，而不是字节的个数)，等于tag_header的大小加上 u联合体的大小，例如，参数结构体 ATAG_CORE 的 size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通过函数 tag_size(struct * tag_xxx)来获得每个参数结构体的 size。其中 tag：表示整个 tag 结构体的标记，如：ATAG_CORE等。
238 /* Determine validity of the r2 atags pointer. The heuristic requires
239 * that the pointer be aligned, in the first 16k of physical RAM and
240 * that the ATAG_CORE marker is first and present. Future revisions
241 * of this function may be more lenient with the physical address and
242 * may also be able to move the ATAGS block if necessary.
243 *
244 * r8 = machinfo
245 *
246 * Returns:
247 * r2 either valid atags pointer, or zero
248 * r5, r6 corrupted
249 */
250 __vet_atags:
251 tst r2, #0x3 //r2指向该参数链表的起始位置，此处判断它是否字对齐
252 bne 1f
253
254 ldr r5, [r2, #0] //获取第一个tag结构的size
//#define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2) 判断该tag的长度是否合法
255 cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE
256 cmpne r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY
257 bne 1f
258 ldr r5, [r2, #4] //获取第一个tag结构体的标记，
259 ldr r6, =ATAG_CORE
260 cmp r5, r6 //判断第一个tag结构体的标记是不是ATAG_CORE
261 bne 1f
262
263 mov pc, lr //正常退出
264
265 1: mov r2, #0 //参数连表不正确
266 mov pc, lr
267 ENDPROC(__vet_atags)
arch/arm/kernel/head.S
206 /*
207 * Setup the initial page tables. We only setup the barest
208 * amount which are required to get the kernel running, which
209 * generally means mapping in the kernel code.
210 *
211 * r8 = machinfo
212 * r9 = cpuid
213 * r10 = procinfo
214 *
215 * Returns:
216 * r0, r3, r6, r7 corrupted
217 * r4 = physical page table address
218 */
219 __create_page_tables:
220 pgtbl r4 @ page table address
//r4 = 0x30004000这是转换表的物理基地址，最终将写入CP15的寄存器2，C2。这个值必须是16K对齐的。
//为内核代码存储区域创建页表，首先将内核起始地址-0x4000到内核起始地址之间的16K 存储器清0，将创建的页表存于此处。
221
222 /*
223 * Clear the 16K level 1 swapper page table
224 */
225 mov r0, r4
226 mov r3, #0
227 add r6, r0, #0x4000
228 1: str r3, [r0], #4
229 str r3, [r0], #4
230 str r3, [r0], #4
231 str r3, [r0], #4
232 teq r0, r6
233 bne 1b
//从proc_info_list结构中获取字段__cpu_mm_mmu_flags，该字段包含了存储空间访问权限 等。此处指令执行之后r7=0x00000c1e
234
235 ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags
236
237 /*
238 * Create identity mapping for first MB of kernel to
239 * cater for the MMU enable. This identity mapping
240 * will be removed by paging_init(). We use our current program
241 * counter to determine corresponding section base address.
242 */
243 mov r6, pc
/*
此处建立一个物理地址到物理地址的平板映射，这个映射将在函数paging_init(). 被清除。
r6 = 0x300 r3 = 0x30000c1e [0x30004c00]=0x30000c1e
*/
244 mov r6, r6, lsr #20 @ start of kernel section
245 orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base
246 str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping //字对齐
247
/*
MMU是通过C2中基地址（高18位）与虚拟地址的高12位组合成物理地址，在转换表中查找地址条目。R4中存放的就是这个基地址0x30004000。下面通过两次获取虚拟地址
KERNEL_START的高12位。KERNEL_START是内核存放的起始地址，为0X30008000。
*/
248 /*
249 * Now setup the pagetables for our kernel direct
250 * mapped region.
251 */
252 add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18 // r0 = 0x30007000
253 str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]! // r0 存放的是转换表的起始位置
254 ldr r6, =(KERNEL_END - 1) //获取内核的尾部虚拟地址存于r6中
255 add r0, r0, #4 //第一个地址条目存放在0x30007004处，以后一次递增
256 add r6, r4, r6, lsr #18 //计算最后一个地址条目存放的位置
257 1: cmp r0, r6 //填充这之间的地址条目
258 add r3, r3, #1 << 20 //每一个地址条目代表了1MB空间的地址映射。物理地址将从 0x30100000 开始映射。0X30000000开始的1MB空间将在下面映射。
259 strls r3, [r0], #4
260 bls 1b
261
//如果是XIP就进行以下映射，这只是将内核代码存储的空间重新映射，
262 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
263 /*
264 * Map some ram to cover our .data and .bss areas.
265 */
266 orr r3, r7, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0xff000000)
267 .if (KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)
268 orr r3, r3, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)
269 .endif
270 add r0, r4, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18
271 str r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]!
272 ldr r6, =(_end - 1)
273 add r0, r0, #4
274 add r6, r4, r6, lsr #18
275 1: cmp r0, r6
276 add r3, r3, #1 << 20
277 strls r3, [r0], #4
278 bls 1b
279 #endif
280
281 /*
282 * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params.
283 */
/*
映射0X30000000开始的1MB空间。
PAGE_OFFSET = 0XC0000000,PHYS_OFFSET = 0X30000000,
*/
//r0 = 0x30007000,上面是从0x30007004开始存放地址条目的。
284 add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18
285 orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)
286 .if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)
287 orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000)
288 .endif
289 str r6, [r0] //将0x30000c1e存于0x30007000处。
290
291 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL //下面是为了调试而做的相关映射，跳过。
292 ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags
293 /*
294 * Map in IO space for serial debugging.
295 * This allows debug messages to be output
296 * via a serial console before paging_init.
297 */
298 ldr r3, [r8, #MACHINFO_PGOFFIO]
299 add r0, r4, r3
300 rsb r3, r3, #0x4000 @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)
301 cmp r3, #0x0800 @ limit to 512MB
302 movhi r3, #0x0800
303 add r6, r0, r3
304 ldr r3, [r8, #MACHINFO_PHYSIO]
305 orr r3, r3, r7
306 1: str r3, [r0], #4
307 add r3, r3, #1 << 20
308 teq r0, r6
309 bne 1b
310 #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)
311 /*
312 * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map
313 * in the 16550-type serial port for the debug messages
314 */
315 add r0, r4, #0xff000000 >> 18
316 orr r3, r7, #0x7c000000
317 str r3, [r0]
318 #endif
319 #ifdef CONFIG_ARCH_RPC
320 /*
321 * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE
322 * Similar reasons here - for debug. This is
323 * only for Acorn RiscPC architectures.
324 */
325 add r0, r4, #0x02000000 >> 18
326 orr r3, r7, #0x02000000
327 str r3, [r0]
328 add r0, r4, #0xd8000000 >> 18
329 str r3, [r0]
330 #endif
331 #endif
332 mov pc, lr //子程序返回。
333 ENDPROC(__create_page_tables)
334 .ltorg
335
336 #include "head-common.S"
__arm920_setup
---------------------------------------------------------------
回到arch/arm/kernel/head.S中有这么几条
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
R10中存放的是在函数__lookup_processor_type中成功匹配的结构体proc_info_list。
对于arm920来说在文件arch/arm/mm/proc-arm920.S中有：
444 .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
445
446 .type __arm920_proc_info,#object
447 __arm920_proc_info:
448 .long 0x41009200
449 .long 0xff00fff0
450 .long PMD_TYPE_SECT | \
451 PMD_SECT_BUFFERABLE | \
452 PMD_SECT_CACHEABLE | \
453 PMD_BIT4 | \
454 PMD_SECT_AP_WRITE | \
455 PMD_SECT_AP_READ
456 .long PMD_TYPE_SECT | \
457 PMD_BIT4 | \
458 PMD_SECT_AP_WRITE | \
459 PMD_SECT_AP_READ
460 b __arm920_setup
所以add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC的意思跳到函数__arm920_setup去执行。
文件arch/arm/mm/proc-arm920.S中
380 .type __arm920_setup, #function //表明这是一个函数
381 __arm920_setup:
382 mov r0, #0
383 mcr p15, 0, r0, c7, c7 //使数据cahche, 指令cache无效。
384 mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 //使write buffer无效。
385 #ifdef CONFIG_MMU
386 mcr p15, 0, r0, c8, c7 //使数据TLB,指令TLB无效。
387 #endif
388 adr r5, arm920_crval //获取arm920_crval的地址，并存入r5。
389 ldmia r5, {r5, r6} //获取arm920_crval地址处的连续8字节分别存入r5,r6。
390 mrc p15, 0, r0, c1, c0 //获取CP15下控制寄存器的值，并存入r0。
//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
391 bic r0, r0, r5
392 orr r0, r0, r6 //设置r0中的相关位，即为mmu做相应设置。
393 mov pc, lr //上面有操作adr lr, __enable_mmu 此处将跳到程序段__enable_mmu处。
394 .size __arm920_setup, . - __arm920_setup
arch/arm/kernel/head.S
160 __enable_mmu:
161 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
162 orr r0, r0, #CR_A //使能地址对齐错误检测
163 #else
164 bic r0, r0, #CR_A
165 #endif
166 #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE
167 bic r0, r0, #CR_C //禁止数据cache
168 #endif
169 #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
170 bic r0, r0, #CR_Z
171 #endif
172 #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE
173 bic r0, r0, #CR_I //禁止指令cache
174 #endif
//配置相应的访问权限并存入r5中
175 mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \
176 domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \
177 domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \
178 domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))
179 mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register//将访问权限写入协处理器
180 mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer//将页表基地址写入基址寄存器C2，0X30004000
181 b __turn_mmu_on //跳转到程序段去打开MMU
182 ENDPROC(__enable_mmu)
183
184 /*
185 * Enable the MMU. This completely changes the structure of the visible
186 * memory space. You will not be able to trace execution through this.
187 * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel
188 * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.
189 *
190 * r0 = cp#15 control register
191 * r13 = *virtual* address to jump to upon completion
192 *
193 * other registers depend on the function called upon completion
194 */
195 .align 5
196 __turn_mmu_on:
197 mov r0, r0
198 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg//打开MMU同时打开cache等。
199 mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg//读取id寄存器
200 mov r3, r3 //两个空操作，等待前面所取的指令得以执行。
201 mov r3, r13
202 mov pc, r3 //程序跳转，如下面解释。
203 ENDPROC(__turn_mmu_on)
在前面有过这样的指令操作ldr r13, __switch_data ，
mov pc, r13 就是将跳转到__switch_data处。
arch/arm/kernel/head-common.S
14 #define ATAG_CORE 0x54410001
15 #define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2)
16 #define ATAG_CORE_SIZE_EMPTY ((2*4) >> 2)
17
18 .align 2
19 .type __switch_data, %object //定义一个对象
20 __switch_data:
21 .long __mmap_switched //由此可知上面程序将跳转到该程序段处。
22 .long __data_loc @ r4
23 .long _data @ r5
24 .long __bss_start @ r6
25 .long _end @ r7
26 .long processor_id @ r4
27 .long __machine_arch_type @ r5
28 .long __atags_pointer @ r6
29 .long cr_alignment @ r7
30 .long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp
31
/*
__data_loc 是数据存放的位置
_data 是数据开始的位置
__bss_start 是bss开始的位置
_end 是bss结束的位置, 也是内核结束的位置
.data 段,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).
这几个字段在文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中指定位置如下：
20 SECTIONS
21 {
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
134 .data : AT(__data_loc) { //此处数据存储在上面__data_loc处。
135 _data = .; /* address in memory */
136 _sdata = .;
137
138 /*
139 * first, the init task union, aligned
140 * to an 8192 byte boundary.
141 */
142 INIT_TASK_DATA(THREAD_SIZE)
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
231
232 BSS_SECTION(0, 0, 0)
233 _end = .;
234
235 STABS_DEBUG
236 .comment 0 : { *(.comment) }
237
238 /* Default discards */
239 DISCARDS
240 }
init_thread_union 是 init进程的基地址. 在 arch/arm/kernel/init_task.c 中:
27 union thread_union init_thread_union __init_task_data =
28 { INIT_THREAD_INFO(init_task) };
对照 vmlnux.lds.S 中,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
*/
32 /*
33 * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,
34 * and uses absolute addresses; this is not position independent.
35 *
36 * r0 = cp#15 control register
37 * r1 = machine ID
38 * r2 = atags pointer
39 * r9 = processor ID
40 */
41 __mmap_switched:
42 adr r3, __switch_data + 4
43
44 ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}
45 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
46 1: cmpne r5, r6 //将 __data_loc处数据搬移到_data处
47 ldrne fp, [r4], #4
48 strne fp, [r5], #4
49 bne 1b
50
51 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)//清除BSS段内容
52 1: cmp r6, r7
53 strcc fp, [r6],#4
54 bcc 1b
55
56 ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
57 THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )
58 THUMB( ldr sp, [r3, #16] )
59 str r9, [r4] @ Save processor ID
60 str r1, [r5] @ Save machine type
61 str r2, [r6] @ Save atags pointer
62 bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit
63 stmia r7, {r0, r4} @ Save control register values
64 b start_kernel //程序跳转到函数start_kernel进入C语言部分。
65 ENDPROC(__mmap_switched)
