arm-linux 启动代码分析——stage1 （2）

文章来自http://blog.chinaunix.net/u3/101219/showart_2030665.html

这样,kernel所需要的基本的页表我们都设置完了, 如下图所示:
 

                                     
                        _,,_                          _,,_                    
                      -`    `'-.,,.                 -`    `'-.,,.             
                      |           |                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      +-----------+                 |           |             
                      |           |                 |           |             
                      |           |-------------\   |           |             
                      |           |             |   |           |             
                      |  KERNEL   |             |   |           |             
                      |           |             |   |           |             
                      |           |             |   |           |             
                      |           |             |   |           |             
                      |           |             |   |           |             
            +0x8000 ->+-----------+--------\    |   |           |             
                      |           |        |    |   |           |             
                      |    L1     |        |    |   |           |              
                      | Page Table|        |    |   |           |              
                      |           |        |    |   |           |              
            +0x4000 ->+-----------+        |    |   |           |              
                      |           |        |    |   +-----------+              
                      |   Boot    |        |    |   |           |              
                      |  Params   |        |    |   |           |              
                      |           |        |    |   |           |              
    PAGE_OFFSET(3G) ->+-----------+---\    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    |   +-----------+              
                      |           |   |    |    |   |           |              
                      |           |   |    |    \-->|           |              
                      |           |   |    |        |           |              
                      |           |   |    |        |  KERNEL   |              
                      |           |   |    |        |           |              
                      |           |   |    |        |           |              
                      +- - - - - -+   |    |        |           |              
                      |   1MB     |   |    |        |           |              
 PHYS_OFFSET+0x8000 ->+- - - - - -+--------+------->'-----------+<- +0x8000    
                      |           |   |             |           |              
                      |           |   |             |    L1     |              
                      |           |   |             | Page Table|              
                      |           |   |             |           |              
                      |           |   |             +-----------+<- +0x4000    
                      |           |   |             |           |              
                      |           |   |             |   Boot    |              
                      |           |   |             |  Params   |              
                      |           |   |             |           |              
                      |           |   \------------>+-----------+<- PHYS_OFFSET
                      |           |                 |           |              
                      |           |                 | _,,_      |              
                      |           |                 -`    `'-.,,.              
                  0 --+-----------+                                            
                                                                               
                       VIRT Address                  PHYS Address     

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)

在我们需要在开启mmu之前,做一些必须的工作:清除ICache, 清除 DCache, 清除 Writebuffer, 清除TLB等.
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中
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           

第91行: 将r13设置为 __switch_data 的地址
第92行: 将lr设置为 __enable_mmu 的地址
第93行: r10存储的是procinfo的基地址, PROCINFO_INITFUNC是在 arch/arm/kernel/asm-offset.c 中107行定义.
        则该行将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 ARM926EJS 来说,其__cpu_flush指向的是函数 __arm926_setup

       
        下面我们来分析函数 __arm926_setup
       
        在 arch/arm/mm/proc-arm926.S 中:
00391:  .type __arm926_setup, #function
00392: __arm926_setup:
00393:  mov r0, #0
00394:  mcr p15, 0, r0, c7, c7  @ invalidate I,D caches on v4
00395:  mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4  @ drain write buffer on v4
00396: #ifdef CONFIG_MMU
00397:  mcr p15, 0, r0, c8, c7  @ invalidate I,D TLBs on v4
00398: #endif
00399:
00400:
00401: #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH
00402:  mov r0, #4    @ disable write-back on caches explicitly
00403:  mcr p15, 7, r0, c15, c0, 0
00404: #endif
00405:
00406:  adr r5, arm926_crval
00407:  ldmia r5, {r5, r6}
00408:  mrc p15, 0, r0, c1, c0  @ get control register v4
00409:  bic r0, r0, r5
00410:  orr r0, r0, r6
00411: #ifdef CONFIG_CPU_CACHE_ROUND_ROBIN
00412:  orr r0, r0, #0x4000   @ .1.. .... .... ....
00413: #endif
00414:  mov pc, lr       
00415:  .size __arm926_setup, . - __arm926_setup
00416:
00417:  
00423:  .type arm926_crval, #object
00424: arm926_crval:
00425:  crval clear=0x00007f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001134

 

第391, 392行: 是函数声明
第393行: 将r0设置为0
第394行: 清除(invalidate)Instruction Cache 和 Data Cache.
第395行: 清除(drain) Write Buffer.
第396 - 398行: 如果有配置了MMU,则需要清除(invalidate)Instruction TLB 和Data TLB

接下来,是对控制寄存器c1进行配置,请参考 ARM926 TRM.

第401 - 404行: 如果配置了Data Cache使用writethrough方式, 需要关掉write-back.
                
第406行:　取arm926_crval的地址到r5中, arm926_crval 在第424行
  
第407行:　这里我们需要看一下424和425行,其中用到了宏crval,crval是在 arch/arm/mm/proc-macro.S 中:

        00053:  .macro crval, clear, mmuset, ucset
        00054: #ifdef CONFIG_MMU
        00055:  .word \clear
        00056:  .word \mmuset
        00057: #else
        00058:  .word \clear
        00059:  .word \ucset
        00060: #endif
        00061:  .endm

        配合425行,我们可以看出,首先在arm926_crval的地址处存放了clear的值,然后接下来的地址存放了mmuset的值(对于配置了MMU的情况)               
       
所以,在407行中,我们将clear和mmuset的值分别存到了r5, r6中

第408行:　获得控制寄存器c1的值
第409行:  将r0中的 clear (r5) 对应的位都清除掉
第410行:　设置r0中 mmuset (r6) 对应的位

第411 - 413行:　如果配置了使用 round robin方式,需要设置控制寄存器c1的 Bit[16]
第412行: 取lr的值到pc中.
而lr中的值存放的是 __enable_mmu 的地址(arch/arm/kernel/head.S 93行),所以,接下来就是跳转到函数 __enable_mmu

5. 开启mmu
        开启mmu是又函数 __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 中,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 中:

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:
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
       
第146, 147行: 函数声明
第148 - 161行:  根据相应的配置,设置r0中的相应的Bit. (r0 将用来配置控制寄存器c1)
第162 - 165行: 设置 domain 参数r5.(r5 将用来配置domain)
第166行: 配置 domain (详细信息清参考arm相关手册)
第167行: 配置页表在存储器中的位置(set ttb).这里页表的基地址是r4, 通过写cp15的c2寄存器来设置页表基地址.

第168行: 跳转到 __turn_mmu_on. 从名称我们可以猜到,下面是要真正打开mmu了.
        (继续向下看,我们会发现,__turn_mmu_on就下当前代码的下方,为什么要跳转一下呢? 这是有原因的. go on)
第169 - 180行: 空行和注释. 这里的注释我们可以看到, r0是cp15控制寄存器的内容, r13存储了完成后需要跳转的虚拟地址(因为完成后mmu已经打开了,都是虚拟地址了).

第181行: .algin 5 这句是cache line对齐. 我们可以看到下面一行就是 __turn_mmu_on, 之所以
第182 - 183行:  __turn_mmu_on 的函数声明. 这里我们可以看到, __turn_mmu_on 是紧接着上面第168行的跳转指令的,只是中间在第181行多了一个cache line对齐.
        这么做的原因是: 下面我们要进行真正的打开mmu操作了, 我们要把打开mmu的操作放到一个单独的cache line上. 而在之前的"启动条件"一节我们说了,I Cache是可以打开也可以关闭的,这里这么做的原因是要保证在I Cache打开的时候,打开mmu的操作也能正常执行.
第184行: 这是一个空操作,相当于nop. 在arm中,nop操作经常用指令 mov rd, rd 来实现.
        注意: 为什么这里要有一个nop,我思考了很长时间,这里是我的猜测,可能不是正确的:
        因为之前设置了页表基地址(set ttb),到下一行(185行)打开mmu操作,中间的指令序列是这样的:
        set ttb(第167行)
        branch(第168行)
        nop(第184行)
        enable mmu(第185行)
        对于arm的五级流水线: fetch - decode - execute - memory - write
       
        他们执行的情况如下图所示:
       
            +------------+---+---+---+---+---+---+---+---+       
            |  set ttb   | F | D | E | M | W |   |   |   |       
            +------------+---+---+---+---+---+---+---+---+       
            |  branch    |   | F | D | E |   |   |   |   |       
            +------------+---+---+---+---+---+---+---+---+       
            |   nop      |   |   |   |   | F | D |   |   |       
            +------------+---+---+---+---+---+---+---+---+       
            | enable mmu |   |   |   |   |   | F |   |   |       
            +------------+---+---+---+---+---+---+---+---+       
                                                                 
                                                                 
             F - fetch                                           
             D - Decode                                          
             E - Execute                                         
             M - Memory                                          
             W - Write Register                                  
                                                                 
        这里需要说明的是,branch操作会在3个cycle中完成,并且会导致重新取指.
       
        从这个图我们可以看出来,在enable mmu操作取指的时候, set ttb操作刚好完成.
    
       
第185行: 写cp15的控制寄存器c1, 这里是打开mmu的操作,同时会打开cache等(根据r0相应的配置)
第186行: 读取id寄存器.
第187 - 188行: 两个nop.
第189行: 取r13到pc中,我们前面已经看到了, r13中存储的是 __switch_data (在 arch/arm/kernel/head.S 91行),下面会跳到 __switch_data.

第187,188行的两个nop是非常重要的,因为在185行打开mmu操作之后,要等到3个cycle之后才会生效,这和arm的流水线有关系.
因而,在打开mmu操作之后的加了两个nop操作.

6. 切换数据

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

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:
00026:
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       

第14, 15行: 函数声明
第16 - 24行: 定义了一些地址,例如第16行存储的是 __mmap_switched 的地址, 第17行存储的是 __data_loc 的地址 ......
第34, 35行: 函数 __mmap_switched
第36行: 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.
第37行:　依次取出从第17行到第20行的地址,存储到r4, r5, r6, r7 中. 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);  
        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 = .; 
        00112:
        00113:   
        00117:   *(.init.task)
       
                ......
               
        00158:  .bss : {
        00159:   __bss_start = .; 
        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 是bss开始的位置
        _end 是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 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).
        关于 AT 详细的信息请参考 ld.info
       
       
       
       
第38行: 比较 __data_loc 和 __data_start
第39 - 43行: 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 是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.

第45 - 48行:　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.
第50行: 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 中:

        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行,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
第51行: 将r9中存放的 processor id (在arch/arm/kernel/head.S 75行) 赋值给变量 processor_id
第52行: 将r1中存放的 machine id (见"启动条件"一节)赋值给变量　__machine_arch_type
第53行: 清除r0中的 CR_A 位并将值存到r4中. CR_A 是在 include/asm-arm/system.h 21行定义, 是cp15控制寄存器c1的Bit[1](alignment fault enable/disable)
第54行: 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 中,将r4存储到了 cr_no_alignment 中.
第55行: 最终跳转到start_kernel