Linux启动（1）

Linux启动\kernel\arch\arm\boot\compressed\ head.S分析

 

这段代码是linux boot后执行的第一个程序，完成的主要工作是解压内核，然后跳转到相关执行地址。这部分代码在做驱动开发时不需要改动，但分析其执行流程对是理解android的第一步

 

开头有一段宏定义这是gnu arm汇编的宏定义。关于GUN的汇编和其他编译器，在指令语法上有很大差别，具体可查询相关GUN汇编语法了解

另外此段代码必须不能包括重定位部分。因为这时一开始必须要立即运行的。所谓重定位，比如当编译时某个文件用到外部符号是用动态链接库的方式，那么该文件生成的目标文件将包含重定位信息，在加载时需要重定位该符号，否则执行时将因找不到地址而出错

#ifdef DEBUG//开始是调试用，主要是一些打印输出函数，不用关心

 

#if defined(CONFIG_DEBUG_ICEDCC)

……具体代码略

#endif

 

宏定义结束之后定义了一个段，

.section ".start", #alloc, #execinstr

 

这个段的段名是 .start，#alloc表示Section contains allocated data, #execinstr表示Section contains executable instructions.

生成最终映像时，这段代码会放在最开头

              .align

start:

              .type       start,#function /*.type指定start这个符号是函数类型*/

              .rept 8

              mov r0, r0 //将此命令重复8次，相当于nop，这里是为中断向量保存空间

.endr

 

              b     1f

              .word      0x016f2818           @ Magic numbers to help the loader

              .word      start               @ absolute load/run zImage

//此处保存了内核加载和运行的地址，实质上也是本函数的运行地址

address

              .word      _edata                   @ 内核结束地址

//注意这些地址在顶层vmlixu.lds（具体在/kernel文件夹里）里进行了定义，是链接的地址，加载内核后可能会进行重定位

1:            mov r7, r1                    @ 保存architecture ID ，这里是从bootload传递进来的

              mov r8, r2                    @ 保存参数列表 atags 指针

r1和r2中分别存放着由bootloader传递过来的architecture ID和指向标记列表的指针。这里将这两个参数先保存。

 

#ifndef __ARM_ARCH_2__

              /*

               * 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.

               */

读取cpsr并判断是否处理器处于supervisor模式——从bootload进入kernel，系统已经处于SVC32模式；而利用angel进入则处于user模式，还需要额外两条指令。之后是再次确认中断关闭，并完成cpsr写入

 

Angel 是 ARM 的调试协议,一般用的 是MULTI-ICE 。ANGLE 需要在板子上有 驻留程序,然后通过 串口就可以调试了 。用过的AXD或trace调试环境的话，对此应该比较熟悉。  

not_angel:  //若不是通过angel调试进入内核

              mrs  r2, cpsr          @ turn off interrupts to

              orr   r2, r2, #0xc0         @ prevent angel from running

              msr  cpsr_c, r2   //这里将cpsr中I、F位分别置“1”，关闭IRQ和FIQ

#else

              teqp pc, #0x0c000003          @ turn off interrupts

常用 TEQP PC,#(新模式编号) 来改变模式

#endif

  另外链接器会把一些处理器相关的代码链接到这个位置，也就是arch/arm/boot/compressed/head-xxx.S文件中的代码。在高通平台下，这个文件是head-msm.S连接脚是compress/vmlinux.lds，其中部分内容大致如下,在连接时，连接器根据每个文件中的段名将相同的段合在一起，比如将head.S和head-msm.S的.start段合在一起

SECTIONS

{

  . = TEXT_START;

  _text = .;

 

  .text : {

    _start = .;

    *(.start)

    *(.text)

    *(.text.*)

    *(.fixup)

    *(.gnu.warning)

    *(.rodata)

    *(.rodata.*)

    *(.glue_7)

    *(.glue_7t)

    *(.piggydata)

    . = ALIGN(4);

  }

 

  _etext = .;

} 

 

下面即进入.text段

   .text

    adr   r0, LC0 //当前运行时LC0符号所在地址位置 ，注意，这里用的是adr指令，这个指令会根据目前PC的值，计算符号相对于PC的位置，是个相对地址。之所以这样做，是因为下面指令用到了绝对地址加载ldmia指令，必须要调整确定目前LC0的真实位置，这个位置也就是用adr来计算

    ldmia       r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}

   subs r0, r0, r1        @ //这里获得当前LCD0实际地址与链接地址 差值

//r1即是LC0的连接地址，也即由vmlinux.lds定位的地址

//差值存入r0中。

              beq  not_relocated //如果相等不需要重定位，因为已经在正确的//地址运行了。重定位的原因是，MMU单元未使能，不能进行地址映射，必须要手工重定位。

下面举个简单例子说明：

如果连接地址是0xc0000000，那么LC0的连接地址假如连接为0xc0000010，那么LC0相对于连接起始地址的差为0x10，当此段代码是从0xc0000000运行的话，那么执行adr r0，LC0的值实际上按下面公式计算：

R0=PC+0x10，由于PC=连接处的值，可知，此时是在ram中运行， 同理如果是在不是在连接处运行，则假设是在0x00000000处运行，则R0=0x00000000+0x10，可知，此时不是在ram的连接处运行。

上面这几行代码用于判断代码是否已经重定位到内存中，LC0这个符号在head.S中定义如下，实质上相当于c语言的全局数据结构，结构的每个域存储的是一个指针。指针本身的值代表不同的代码段，已经在顶层连接脚本vmlinux.lds里进行了赋值，比如_start是内核开始的地址

              .type       LC0, #object

LC0:              .word      LC0               @ r1 //这个要加载到r1中的LC0是链接时LC0的地址

              .word      __bss_start            @ r2

              .word      _end                     @ r3

              .word      zreladdr          @ r4

              .word      _start                    @ r5

              .word      _got_start              @ r6

              .word      _got_end        @ ip

              .word      user_stack+4096           @ sp

通过当前运行时LC0的地址与链接器所链接的地址进行比较判断。若相等则是运行在链接的地址上。

 

如果不是运行在链接的地址上，则下面的代码必须修改相关地址，进行重新运行

              /*

               *   r5 - zImage base address

               *   r6 - GOT start

               *   ip - GOT end

               */

                            //修正实际运行的位置，否则跳转指令就找不到相关代码

              add  r5, r5, r0 //修改内核映像基地址

              add  r6, r6, r0

              add  ip, ip, r0 //修改got表的起始和结束位置

 

#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM

              /*若没有定义CONFIG_ZBOOT_ROM，此时运行的是完全位置无关代码

位置无关代码，也就是不能有绝对地址寻址。所以为了保持相对地址正确，

需要将bss段以及堆栈的地址都进行调整

            

               *   r2 - BSS start

               *   r3 - BSS end

               *   sp - stack pointer

               */

              add  r2, r2, r0

              add  r3, r3, r0

              add  sp, sp, r0

//全局符号表的地址也需要更改，否则，对全局变量引用将会出错

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

#else //若定义了CONFIG_ZBOOT_ROM，只对got表中在bss段以外的符号进行重定位

            

1:            ldr   r1, [r6, #0]            @ relocate entries in the GOT

              cmp r1, r2                    @ entry < bss_start ||

              cmphs     r3, r1                    @ _end < entry

              addlo       r1, r1, r0        @ table.  This fixes up the

              str   r1, [r6], #4            @ C references.

              cmp r6, ip

              blo   1b

#endif

 

 

 

 

 

如果运行当前运行地址和链接地址相等，则不需进行重定位。直接清除bss段

not_relocated: mov r0, #0

1:            str   r0, [r2], #4            @ clear bss

              str   r0, [r2], #4

              str   r0, [r2], #4

              str   r0, [r2], #4

              cmp r2, r3

              blo   1b

 

之后跳转到cache_on处

         

              bl     cache_on

 

cache_on定义

              .align       5

cache_on:       mov r3, #8                    @ cache_on function

              b     call_cache_fn

 

把r3的值设为8。这是一个偏移量，也就是索引proc_types中的操作函数。

然后跳转到call_cache_fn。这个函数的定义如下：

 

call_cache_fn:

adr   r12, proc_types  //把proc_types的相对地址加载到r12中

#ifdef CONFIG_CPU_CP15

              mrc p15, 0, r6, c0, c0   @ get processor ID

#else

              ldr   r6, =CONFIG_PROCESSOR_ID

#endif

1:            ldr   r1, [r12, #0]          @ get value

              ldr   r2, [r12, #4]          @ get mask

              eor   r1, r1, r6        @ (real ^ match)

              tst    r1, r2           @是否和CPU ID匹配？

              addeq      pc, r12, r3             @ 用刚才的偏移量，查找//到cache操作函数，找到后就执行相关操作，比如执行b     __armv7_mmu_cache_on

 // 

 

  add  r12, r12, #4*5 //如果不相等，则偏移到下个proc_types结构处

   b     1b

 

addeq      pc, r12, r3             @ call cache function

 

 

proc_type的定义如下  ，实质上还是一张数据结构表

              .type       proc_types,#object

proc_types:

              .word      0x41560600           @ ARM6/610

              .word      0xffffffe0

              b     __arm6_mmu_cache_off      @ works, but slow

              b     __arm6_mmu_cache_off

              mov pc, lr

@           b     __arm6_mmu_cache_on              @ untested

@           b     __arm6_mmu_cache_off

@           b     __armv3_mmu_cache_flush

 

              .word      0x00000000           @ old ARM ID

              .word      0x0000f000

              mov pc, lr

              mov pc, lr

              mov pc, lr

 

              .word      0x41007000           @ ARM7/710

              .word      0xfff8fe00

              b     __arm7_mmu_cache_off

              b     __arm7_mmu_cache_off

              mov pc, lr

 

              .word      0x41807200           @ ARM720T (writethrough)

              .word      0xffffff00

              b     __armv4_mmu_cache_on

              b     __armv4_mmu_cache_off

              mov pc, lr

 

              .word      0x41007400           @ ARM74x

              .word      0xff00ff00

              b     __armv3_mpu_cache_on

              b     __armv3_mpu_cache_off

              b     __armv3_mpu_cache_flush

             

              .word      0x41009400           @ ARM94x

              .word      0xff00ff00

              b     __armv4_mpu_cache_on

              b     __armv4_mpu_cache_off

              b     __armv4_mpu_cache_flush

 

              .word      0x00007000           @ ARM7 IDs

              .word      0x0000f000

              mov pc, lr

              mov pc, lr

              mov pc, lr

 

              @ Everything from here on will be the new ID system.

 

              .word      0x4401a100           @ sa110 / sa1100

              .word      0xffffffe0

              b     __armv4_mmu_cache_on

              b     __armv4_mmu_cache_off

              b     __armv4_mmu_cache_flush

 

              .word      0x6901b110           @ sa1110

              .word      0xfffffff0

              b     __armv4_mmu_cache_on

              b     __armv4_mmu_cache_off

              b     __armv4_mmu_cache_flush

 

              @ These match on the architecture ID

 

              .word      0x00020000    @

              .word      0x000f0000        //

b   __armv4_mmu_cache_on

              b     __armv4_mmu_cache_on  //指令的地址

              b     __armv4_mmu_cache_off

              b     __armv4_mmu_cache_flush

 

              .word      0x00050000           @ ARMv5TE

              .word      0x000f0000

              b     __armv4_mmu_cache_on

              b     __armv4_mmu_cache_off

              b     __armv4_mmu_cache_flush

 

              .word      0x00060000           @ ARMv5TEJ

              .word      0x000f0000

              b     __armv4_mmu_cache_on

              b     __armv4_mmu_cache_off

              b     __armv4_mmu_cache_flush

 

              .word      0x0007b000           @ ARMv6

              .word      0x0007f000

              b     __armv4_mmu_cache_on

              b     __armv4_mmu_cache_off

              b     __armv6_mmu_cache_flush

              .word      0                   @ unrecognised type

              .word      0

              mov pc, lr

              mov pc, lr

              mov pc, lr

 

              .size proc_types, . - proc_types

   找到执行的cache函数后，就用上面的 addeq   pc, r12, r3直接跳转，例如执行下面这个处理器结构的cache函数