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)：
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宏
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位置
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默认值
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说明
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KERNEL_RAM_ADDR
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arch/arm/kernel/head.S +26
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0xc0008000
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kernel在RAM中的虚拟地址
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PAGE_OFFSET
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include/asm-arm/memeory.h +50
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0xc0000000
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内核空间的起始虚拟地址
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TEXT_OFFSET
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arch/arm/Makefile +131
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0x00008000
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内核在RAM中起始位置相对于
RAM起始地址的偏移
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TEXTADDR
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arch/arm/kernel/head.S +49
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0xc0008000
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kernel的起始地址
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PHYS_OFFSET
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include/asm-arm/arch- *** /memory.h
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平台相关
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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上)
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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 74 - 94 行,是arm linux boot的主代码:
-
74 __HEAD
75 ENTRY(stext)
76 setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ 确保进入管理（svc)模式
77 @ 并且禁止中断
78 mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ 读取CPU ID，存入r9寄存器
79 bl __lookup_processor_type @ 调用函数，输入参数r9=cpuid，
@ 返回值r5=procinfo
80 movs r10, r5 @ 如果不支持当前CPU，则返回 (r5=0)
81 THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
82 beq __error_p @ 如果r5=0，则打印错误
83
84 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
@ 在调用__enable_mmu前使用的都是物理地址，而内核却是以虚拟地 址连接的，这里进行一次转换
85 adr r3, 2f ＠ r3＝ 第124行代码的物理地址
86 ldmia r3, {r4, r8} ＠ r4＝ 第124行代码的虚似地址，r8=PAGE_OFFSET
87 sub r4, r3, r4 @ (PHYS_OFFSET - PAGE_OFFSET)即物理地址与虚似地址差值
88 add r8, r8, r4 @ PHYS_OFFSET r8=PAGE_OFFSET对应的物理地址
89 #else
90 ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET @
RAM的起始物理地址，值为0x30000000
91 #endif
92
93 /*
94 * r1 = machine no, r2 = atags or dtb,
95 * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
96 */
97 bl __vet_atags @ 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性
98 #ifdef CONFIG_SMP_ON_UP @ 2410没有定义
99 bl __fixup_smp
100 #endif
101 #ifdef CONFIG_ARM_PATCH_PHYS_VIRT @ 2410没有定义
102 bl __fixup_pv_table
103 #endif
在2.6.39版本前，还增加了__lookup_machine_type板级类型支持的检查，这里已经被取消，却增加了84－91行的代码，并且除第97行外，其它有些是没有的，
104 bl __create_page_tables @创建初始页表
105
106 /*
107 * The following calls CPU specific code in a position independent
108 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
109 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
110 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be
111 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.
112 */
113 ldr r13, =__mmap_switched @ 将列表__switch_data存到r13中后面会跳到该列表出
114 @ mmu has been enabled
115 adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address将程序段 __enable_mmu的地址存到 lr中。
116 mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
@ r10中存放的基地址是从__lookup_processor_type中得到的，如上面movs r10, r5
117 ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
118 THUMB( add r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
119 THUMB( mov pc, r12 )
120 1: b __enable_mmu
121 ENDPROC(stext)
122 .ltorg
123 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
124 2: .long . ＠ "."号表示当前这行代码编译连接后的虚似地址
125 .long PAGE_OFFSET
126 #endif
78行: 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s3c2410的data sheet。
79行: 跳转到__lookup_processor_type.在__lookup_processor_type中,会把找到匹配的processor type 对象存储在r5中。
80,82行: 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中, 0表示没有找到对应的processor type.
1、检查内核是否支持该架构
下面我们分析__lookup_processor_type函数。
__lookup_processor_type
/**********************************************************************/
在讲解该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arch/arm/mm/proc-arm920.S 中初始化。
493 .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
494
495 .type __arm920_proc_info,#object
496 __arm920_proc_info:
497 .long 0x41009200
498 .long 0xff00fff0
499 .long PMD_TYPE_SECT | \
500 PMD_SECT_BUFFERABLE | \
501 PMD_SECT_CACHEABLE | \
502 PMD_BIT4 | \
503 PMD_SECT_AP_WRITE | \
504 PMD_SECT_AP_READ
505 .long PMD_TYPE_SECT | \
506 PMD_BIT4 | \
507 PMD_SECT_AP_WRITE | \
508 PMD_SECT_AP_READ
509 b __arm920_setup
510 .long cpu_arch_name
.section ".proc.info.init"表明了该结构在编译后存放的位置。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509行,即__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.)
在链接文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中： * SECTIONS
SECTIONS
{
. = 0xC0000000 + 0x00108000;
.init : { /* Init code and data */
_stext = .;
_sinittext = .;
*(.head.text)
*(.init.text) *(.cpuinit.text) *(.meminit.text)
_einittext = .;
__proc_info_begin = .; *(.proc.info.init) __proc_info_end = .;
__arch_info_begin = .;
*(.arch.info.init)
__arch_info_end = .;
__tagtable_begin = .;
*(.taglist.init)
__tagtable_end = .;
__pv_table_begin = .;
*(.pv_table)
__pv_table_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。
下面我们分析__lookup_processor_type函数。在arch/arm/kernel/head-common.S中:
120 /*
121 * This provides a C-API version of __lookup_processor_type
122 */
123 ENTRY(lookup_processor_type)
124 stmfd sp!, {r4 - r6, r9, lr}
125 mov r9, r0
126 bl __lookup_processor_type
127 mov r0, r5
128 ldmfd sp!, {r4 - r6, r9, pc}
129 ENDPROC(lookup_processor_type)
131 /*
132 * Read processor ID register (CP#15, CR0), and look up in the linker-built
133 * supported processor list. Note that we can't use the absolute addresses
134 * for the __proc_info lists since we aren't running with the MMU on
135 * (and therefore, we are not in the correct address space). We have to
136 * calculate the offset.
137 *
138 * r9 = cpuid
139 * Returns:
140 * r3, r4, r6 corrupted
141 * r5 = proc_info pointer in physical address space
142 * r9 = cpuid (preserved)
143 */
144 __CPUINIT
145 __lookup_processor_type:
146 adr r3, __lookup_processor_type_data ＠r3存储的是物理地址（由于没有启用 mmu ，所以当前肯定是物理地址）
147 ldmia r3, {r4 - r6}
148 sub r3, r3, r4 @ 得到虚拟地址和物理地址之间的offset
149 add r5, r5, r3 @ 利用offset ，将 r5 和 r6 中保存的虚拟地址
150 add r6, r6, r3 @ 转变为物理地址
151 1: ldmia r5, {r3, r4} @ 对照struct proc_info_list,可以得知,这句是将当前proc_info的cpu_val和cpu_mask分别存到r3, r4中
152 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。
153 teq r3, r4 查看代码和CPU 硬件是否匹配
154 beq 2f 如果匹配成功就返回
155 add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ 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
156 cmp r5, r6
157 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。
158 mov r5, #0 @ unknown processor
159 2: mov pc, lr 子程序返回。
160 ENDPROC(__lookup_processor_type)
162 /*
163 * Look in
for information about the __proc_info structure.
164 */
165 .align 2
166 .type __lookup_processor_type_data, %object
167 __lookup_processor_type_data:
168 .long .
169 .long __proc_info_begin
170 .long __proc_info_end
171 .size __lookup_processor_type_data, . - __lookup_processor_type_data
166,167 行是数据域定义，将__lookup_processor_type_data设置为当前代码编译后连接后的虚拟地址，第146行取地址指令,这里将__lookup_processor_type_data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"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)
147行: 因为r3中的地址是168行的位置的物理地址,因而执行完后:
r4存的是168处的虚拟地址.
r5存的是169行符号 __proc_info_begin的地址
r6存的是170行符号 __proc_info_end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),而r6中存储的是链接地址(虚拟地址).
__proc_info_begin和__proc_info_end是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中:
148行: 从上面的分析我们可以知道r3中存储的是168行处的物理地址,而r4存储的是168处的地址,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中.
149行: 将r5存储的虚拟地址(__proc_info_begin)转换成物理地址
150行: 将r6存储的虚拟地址(__proc_info_end)转换成物理地址
151行: 对照struct proc_info_list,可以得知,这句是将当前proc_info的cpu_val和cpu_mask分别存到r3, r4中
152行: r9中存储了processor id,与r4的cpu_mask进行逻辑与得到我们需要的值
153行: 将152行中得到的值与r3中的cpu_val进行比较
154行: 如果相等,说明我们找到了对应的processor type,跳到160行,
155行: 如果不相等, 将r5指向下一个proc_info,
156行: 和r6比较,检查是否到了__proc_info_end.
157行: 如果没有到__proc_info_end,表明还有proc_info配置,返回151行继续查找
158行: 执行到这里,说明所有的proc_info都匹配过了,但是没有匹配的,将r5设置成0(unknown processor)
159行: 返回
2、检查bootloader传入的参数列表atags的合法性
__vet_atags //
/**********************************************************************/
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_MEM ， 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：
struct tag {
struct tag_header hdr;
union {
struct tag_core core;
struct tag_mem32 mem;
struct tag_videotext videotext;
struct tag_ramdisk ramdisk;
struct tag_initrd initrd;
struct tag_serialnr serialnr;
struct tag_revision revision;
struct tag_videolfb videolfb;
struct tag_cmdline cmdline;
/*
* Acorn specific
*/
struct tag_acorn acorn;
/*
* DC21285 specific
*/
struct tag_memclk memclk;
} u;
};
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：
struct tag_header {
__u32 size;
__u32 tag;
};
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。
__vet_atags函数源码在arch/arm/kernel/head-common.S中定义如下：
14 #define ATAG_CORE 0x54410001
15 #define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2)
16 #define ATAG_CORE_SIZE_EMPTY ((2*4) >> 2)
18 #ifdef CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN
19 #define OF_DT_MAGIC 0xd00dfeed
20 #else
21 #define OF_DT_MAGIC 0xedfe0dd0 /* 0xd00dfeed in big-endian */
22 #endif
46 __vet_atags:
47 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
48 bne 1f
49
50 ldr r5, [r2, #0] ＠获取第一个 tag 结构的 size
51 #ifdef CONFIG_OF_FLATTREE
52 ldr r6, =OF_DT_MAGIC @ is it a DTB?
53 cmp r5, r6
54 beq 2f
55 #endif
56 cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE @ is first tag ATAG_CORE?判断该 tag 的长度是否合法
57 cmpne r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY
58 bne 1f
59 ldr r5, [r2, #4] ＠获取第一个 tag 结构体的标记
60 ldr r6, =ATAG_CORE
61 cmp r5, r6 ＠判断第一个 tag 结构体的标记是不是 ATAG_CORE
62 bne 1f
63
64 2: mov pc, lr @ atag/dtb pointer is ok 正常退出
65
66 1: mov r2, #0
67 mov pc, lr ＠参数连表不正确
68 ENDPROC(__vet_atags)
3、创建一级页表
通过前面的两步,我们已经确定了processor type.和参数列表atags的合法性
此时,一些特定寄存器的值如下所示:
r8 = PHYS_OFFSET (r8=PAGE_OFFSET对应的物理地址)
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arm的L1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,其L1 section entry的格式为可参考arm920t TRM):
B – Write Buffer Bit
C – Cache Bit
Data Cache Data Cache
Cache Bit Buffer Bit Page attribute
0 0 not cached, not buffered
0 1 not cached, buffered
1 0 cached, writethrough
1 1 cached, writeback
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 中:
36 #define KERNEL_RAM_VADDR (PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)
37 #if (KERNEL_RAM_VADDR & 0xffff) != 0x8000
38 #error KERNEL_RAM_VADDR must start at 0xXXXX8000
39 #endif
40
44 .macro pgtbl, rd, phys
45 add \rd, \phys, #TEXT_OFFSET - 0x4000
46 .endm
48 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
49 #define KERNEL_START XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR)
50 #define KERNEL_END _edata_loc
51 #else
52 #define KERNEL_START KERNEL_RAM_VADDR
53 #define KERNEL_END _end
54 #endif
139 __create_page_tables:
140 pgtbl r4, r8 @ page table address通过宏 pgtbl 将r4设置成页表的基地址(物理地址)，宏pgtbl 在 arch/arm/kernel/head.S第44定义，可以看到,页表是位于 TEXT_OFFSET下面 16k 的位置，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。
141
142 /*下面从145行 - 153行, 是将这16k 的页表清0.
143 * Clear the 16K level 1 swapper page table
144 */
145 mov r0, r4 ＠将页表基地址存在r0中
146 mov r3, #0 ＠ 将 r3 置成0
147 add r6, r0, #0x4000 ＠r6 = 页表基地址 + 16k, 可以看到这是页表的尾地址
＠148 - 153行: 循环,从 r0 到 r6 将这16k页表用0填充.
148 1: str r3, [r0], #4
149 str r3, [r0], #4
150 str r3, [r0], #4
151 str r3, [r0], #4
152 teq r0, r6
153 bne 1b
154
155 ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags
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,并存储到 r7中,此处指令执行之后 r7=0x00000c1e,(宏PROCINFO_MM_MMUFLAGS是在arch/arm/kernel/asm-offsets.c中定义)
156
157 /*
158 * Create identity mapping to cater for __enable_mmu.
159 * This identity mapping will be removed by paging_init().
160 */
161 adr r0, __enable_mmu_loc
162 ldmia r0, {r3, r5, r6}
163 sub r0, r0, r3 @ virt->phys offset
164 add r5, r5, r0 @ phys __enable_mmu
165 add r6, r6, r0 @ phys __enable_mmu_end
166 mov r5, r5, lsr #20 ＠通过R5值的高12位(右移20位),得到kernel的section基址(从上面的图可以看出),并存储到r6中.因为当前是通过运行时地址得到的kernel的section地址,因而是物理地址.
167 mov r6, r6, lsr #20
168
169 1: orr r3, r7, r5, lsl #20 @ r3 = r7 | (r5 << 20);flags + kernel base得到页表中需要设置的值.
170 str r3, [r4, r5, lsl #2] @ identity mapping
设置页表: mem[r4 + r5 * 4] = r3,这里,因为页表的每一项是32 bits(4 bytes),所以要乘以4(<<2).
上面这二行,设置了kernel当前运行的section(物理地址所在的page entry)的页表项
171 teq r5, r6
172 addne r5, r5, #1 @ next section
173 bne 1b
174
175 /*
176 * Now setup the pagetables for our kernel direct
177 * mapped region.
178 */
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 。
179 mov r3, pc
180 mov r3, r3, lsr #20
181 orr r3, r7, r3, lsl #20
182 add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18 ＠r0 = 0x30007000
183 str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]! ＠r0 存放的是转换表的起始位置
184 ldr r6, =(KERNEL_END - 1) ＠获取内核的尾部虚拟地址存于 r6 中
185 add r0, r0, #4 ＠第一个地址条目存放在 0x30007004 处，以后一次递增
186 add r6, r4, r6, lsr #18 ＠计算最后一个地址条目存放的位置
187 1: cmp r0, r6 ＠填充这之间的地址条目
188 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。
189 strls r3, [r0], #4
190 bls 1b
182--190行: KERNEL_START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，每次循环设置1M。
191
192 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
193 /*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
194 * Map some ram to cover our .data and .bss areas.
195 */
196 add r3, r8, #TEXT_OFFSET
197 orr r3, r3, r7
198 add r0, r4, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18
199 str r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]!
200 ldr r6, =(_end - 1)
201 add r0, r0, #4
202 add r6, r4, r6, lsr #18
203 1: cmp r0, r6
204 add r3, r3, #1 << 20
205 strls r3, [r0], #4
206 bls 1b
207 #endif
208
209 /*
210 * Then map boot params address in r2 or
211 * the first 1MB of ram if boot params address is not specified.
212 */
213 mov r0, r2, lsr #20
214 movs r0, r0, lsl #20
215 moveq r0, r8
216 sub r3, r0, r8
217 add r3, r3, #PAGE_OFFSET
218 add r3, r4, r3, lsr #18
219 orr r6, r7, r0 ＠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.
220 str r6, [r3] ＠设置RAM的第一个MB虚拟地址的页表.
上面这几行是用来设置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.
221
222 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL 下面是为了调试而做的相关映射，跳过。
223 #ifndef CONFIG_DEBUG_ICEDCC
224 /*
225 * Map in IO space for serial debugging.
226 * This allows debug messages to be output
227 * via a serial console before paging_init.
228 */
229 addruart r7, r3
230
231 mov r3, r3, lsr #20
232 mov r3, r3, lsl #2
233
234 add r0, r4, r3
235 rsb r3, r3, #0x4000 @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)
236 cmp r3, #0x0800 @ limit to 512MB
237 movhi r3, #0x0800
238 add r6, r0, r3
239 mov r3, r7, lsr #20
240 ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags
241 orr r3, r7, r3, lsl #20
242 1: str r3, [r0], #4
243 add r3, r3, #1 << 20
244 teq r0, r6
245 bne 1b
246
247 #else /* CONFIG_DEBUG_ICEDCC */
248 /* we don't need any serial debugging mappings for ICEDCC */
249 ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags
250 #endif /* !CONFIG_DEBUG_ICEDCC */
251
252 #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)
253 /*
254 * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map
255 * in the 16550-type serial port for the debug messages
256 */
257 add r0, r4, #0xff000000 >> 18
258 orr r3, r7, #0x7c000000
259 str r3, [r0]
260 #endif
261 #ifdef CONFIG_ARCH_RPC
262 /*
263 * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE
264 * Similar reasons here - for debug. This is
265 * only for Acorn RiscPC architectures.
266 */
267 add r0, r4, #0x02000000 >> 18
268 orr r3, r7, #0x02000000
269 str r3, [r0]
270 add r0, r4, #0xd8000000 >> 18
271 str r3, [r0]
272 #endif
273 #endif
274 mov pc, lr ＠子程序返回。
275 ENDPROC(__create_page_tables)
276 .ltorg
277 .align
278 __enable_mmu_loc:
279 .long .
280 .long __enable_mmu
281 .long __enable_mmu_end
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 = PHYS_OFFSET (r8=PAGE_OFFSET对应的物理地址)
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
113 ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after
114 @ mmu has been enabled
115 adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address
116 mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_di r
117 ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
118 THUMB( add r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
119 THUMB( mov pc, r12 )
120 1: b __enable_mmu
第113行: 将r13设置为 __mmap_switched的地址
第115行: 将lr设置为 __enable_mmu 的地址
第117行: r10存储的是procinfo的基地址, PROCINFO_INITFUNC是在 arch/arm/kernel/asm-offsets.c 中110行定义. 该行将pc设为 proc_info_list的 __cpu_flush 函数的地址,（DEFINE(PROCINFO_INITFUNC, offsetof(struct proc_info_list, __cpu_flush)）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,其__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 中:
424 __CPUINIT
425
426 .type __arm920_setup, #function ＠定义__arm920_setup函数。
427 __arm920_setup: ＠定义__arm920_setup函数。
428 mov r0, #0 ＠设置r0为0。
429 mcr p15, 0, r0, c7, c7 ＠使数据cahche, 指令cache无效。
430 mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 ＠使write buffer无效。
431 #ifdef CONFIG_MMU
432 mcr p15, 0, r0, c8, c7 ＠使数据TLB,指令TLB无效。
433 #endif
434 adr r5, arm920_crval ＠获取arm920_crval的地址，并存入r5。
435 ldmia r5, {r5, r6} ＠获取arm920_crval地址处的连续8字节分别存入r5,r6。
436 mrc p15, 0, r0, c1, c0 ＠获取CP15下控制寄存器的值，并存入r0。
437 bic r0, r0, r5 ＠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。
438 orr r0, r0, r6 ＠设置r0中的相关位，即为mmu做相应设置。
439 mov pc, lr
440 .size __arm920_setup, . - __arm920_setup
第434行arm920_crval在arch/arm/mm/proc-arm920t.c:
448 .type arm920_crval, #object
449 arm920_crval:
450 crval clear=0x00003f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001130
由此可知，r5 = 0x00003f3f, r6 = 0x00003135
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 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:
使能MMU之前设置一些普通bit，装载页表地址以及域访问寄存器
350 __enable_mmu:
351 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP @根据配置使能或禁止地址对齐错误检测。
352 orr r0, r0, #CR_A
353 #else
354 bic r0, r0, #CR_A
355 #endif
356 #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE @根据配置使能或禁止数据cache。
357 bic r0, r0, #CR_C
358 #endif
359 #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
360 bic r0, r0, #CR_Z
361 #endif
362 #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE @根据配置使能或禁止指令cache。
363 bic r0, r0, #CR_I
364 #endif
365 mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \
366 domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \
367 domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \
368 domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT)) @配置相应的访问权限并存入r5。
369 mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register把访问权限写入CP15协处理器。设置域访问寄存器C3
370 mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer把页表地址写入CP15协处理器。设置页表地址c2
371 b __turn_mmu_on @跳转到__turn_mmu_on来打开MMU。
372 ENDPROC(__enable_mmu)
374 /*
375 * Enable the MMU. This completely changes the structure of the visible
376 * memory space. You will not be able to trace execution through this.
377 * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel
378 * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.
379 *
380 * r0 = cp#15 control register
381 * r1 = machine ID
382 * r2 = atags or dtb pointer
383 * r9 = processor ID
384 * r13 = *virtual* address to jump to upon completion
385 *
386 * other registers depend on the function called upon completion
387 */
388 .align 5
389 __turn_mmu_on:
390 mov r0, r0
391 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg写cp15的控制寄存器c1, 这里是打开mmu的动作,同时会打开cache等(根据r0相应的配置)
392 mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg读取id寄存器.
393 mov r3, r3 @1个nop.
394 mov r3, r13
395 mov pc, r3 @取r13到pc中,我们前面已经看到了, r13中存储的是 __mmap_switched (在arch/arm/kernel/head.S 113行),下面会跳到__mmap_switched
396 __enable_mmu_end:
397 ENDPROC(__turn_mmu_on)
下面我们就来看__mmap_switched:注意这些代码就已经跑在了MMU打开的情况下了。无需再进行虚拟地址和物理地址的手工转换，完全由MMU来完成。
在 arch/arm/kernel/head-common.S 中:
70 /*
71 * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,
72 * and uses absolute addresses; this is not position independent.
73 *
74 * r0 = cp#15 control register
75 * r1 = machine ID
76 * r2 = atags/dtb pointer
77 * r9 = processor ID
78 */
79 __INIT
80 __mmap_switched:
81 adr r3, __mmap_switched_data @取__mmap_switched_data的地址到r3. 这个地址就是第109行的地址.
82
83 ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}
/*依次取出从第109行到第112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*113行的位置.我们可以得知:
r4 - __data_loc 是数据存放的位置
r5 - _sdata 是数据开始的位置
r6 - __bss_start 是bss开始的位置
r7 - _end 是bss结束的位置, 也是内核结束的位置
这几个符号都是在 arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S 和vmlinux.lds 中定义的变量,
arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S
155 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
156 __data_loc = ALIGN(4); /* location in binary */
157 . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;
158 #else
159 . = ALIGN(THREAD_SIZE);
160 __data_loc = .;
161 #endif
162
163 .data : AT(__data_loc) {
164 _data = .; /* address in memory */
165 _sdata = .;
166
167 /*
168 * first, the init task union, aligned
169 * to an 8192 byte boundary.
170 */
171 INIT_TASK_DATA(THREAD_SIZE)
其中对第163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
*/
84 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed比较 __data_loc 和 _sdata
85 1: cmpne r5, r6
86 ldrne fp, [r4], #4
87 strne fp, [r5], #4
88 bne 1b
89
90 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)
91 1: cmp r6, r7
92 strcc fp, [r6],#4
93 bcc 1b
94
95 ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
96 THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )
97 THUMB( ldr sp, [r3, #16] )
98 str r9, [r4] @ Save processor ID
99 str r1, [r5] @ Save machine type
100 str r2, [r6] @ Save atags pointer
101 bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit
102 stmia r7, {r0, r4} @ Save control register values
103 b start_kernel ＠最终跳转到start_kernel
104 ENDPROC(__mmap_switched)
其中85－88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 _sdata. 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.
其中90－93这几行是清除 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95行因为在第83行的时候,r3被更新到指向第113行的位置.因而这里取得r4, r5, r6, r7，sp的值分别是:
r4 - processor_id
r5 - __machine_arch_type
r6 - __atags_pointer
r7 - 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79, 81行中定义的.
cr_alignment 是在 arch/arm/kernel/entry-armv.S 中定义的:
1229 .data
1230
1231 .globl cr_alignment
1232 .globl cr_no_alignment
1233 cr_alignment:
1234 .space 4
1235 cr_no_alignment:
1236 .space 4
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 中的 的171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98行: 将r9中存放的 processor id (在arch/arm/kernel/head.S 78行) 赋值给变量 processor_id
第99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101行: 清除r0中的 CR_A 位并将值存到r4中. CR_A 是在 arch/arm/include/asm/system.h 21行定义, 是cp15控制寄存器c1的Bit[1](alignment fault enable/disable)
第102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.
105
106 .align 2
107 .type __mmap_switched_data, %object
108 __mmap_switched_data:
109 .long __data_loc @ r4
110 .long _sdata @ r5
111 .long __bss_start @ r6
112 .long _end @ r7
113 .long processor_id @ r4
114 .long __machine_arch_type @ r5
115 .long __atags_pointer @ r6
116 .long cr_alignment @ r7
117 .long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp
118 .size __mmap_switched_data, . - __mmap_switched_data
第107, 108行: 对象定义。
第109 - 117行: 为对象里的每个域赋值，例如,第109行存储的是 __data_loc 的地址,第114行存储的是__machine_arch_type的地址 ......
