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2012-10-22 19:30:10

最近研究了一下arm linux的入口部分的代码, code不是太多,所以写了个笔记,详细的分析了每一条语句.

大家看看, 交流一下.


下面使正文. 由于内容比较多,分几层楼发吧

____________________________________________________________________________________


本文针对arm linux, 从kernel的第一条指令开始分析,一直分析到进入start_kernel()函数.
我们当前以linux-2.6.19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和源码进行对照,
例:
在文件init/main.c中:
00478: asmlinkage void __init start_kernel(void)
前面的"00478:" 表示478行,冒号后面的内容就是源码了.

在分析代码的过程中,我们使用缩进来表示各个代码的调用层次.

由于启动部分有一些代码是平台特定的,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at91(ARM926EJS)平台进行分析.

另外,本文是以uncompressed kernel开始讲解的.对于内核解压缩部分的code,在 arch/arm/boot/compressed中,本文不做讨论.
 
一. 启动条件
        通常从系统上电到执行到linux kenel这部分的任务是由boot loader来完成.
        关于boot loader的内容,本文就不做过多介绍.
        这里只讨论进入到linux kernel的时候的一些限制条件,这一般是boot loader在最后跳转到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(内存管理单元)必须是关闭的, 此时虚拟地址对物理地址;
        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,详细内容可参考"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):

     宏                 位置                           默认值          说明
KERNEL_RAM_ADDR  arch/arm/kernel/head.S +26          0xc0008000      kernel在RAM中的的虚拟地址
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 +137              0x00008000      内核相对于存储空间的偏移
TEXTADDR         arch/arm/kernel/head.S +49          0xc0008000      kernel的起始虚拟地址
PHYS_OFFSET      include/asm-arm/arch-xxx/memory.h   平台相关        RAM的起始物理地址


        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.
       
        在arch/arm/kernel/head.S中 72 - 94 行,是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                                       
00083:                                                                     
00084:         /*                                                                 
00085:          * The following calls CPU specific code in a position independent
00086:          * manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S for details.  r10 = base of   
00087:          * xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type      
00088:          * above.  On return, the CPU will be ready for the MMU to be      
00089:          * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.     
00090:          */                                                               
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                                


其中,73行是确保kernel运行在SVC模式下,并且IRQ和FIRQ中断已经关闭,这样做是很谨慎的.

arm linux boot的主线可以概括为以下几个步骤:
        1. 确定 processor type                        (75 - 78行)
        2. 确定 machine type                        (79 - 81行)
        3. 创建页表                                (82行)     
        4. 调用平台特定的__cpu_flush函数        (在struct proc_info_list中)        (94 行)                           
        5. 开启mmu                                (93行)
        6. 切换数据                                 (91行)
       
        最终跳转到start_kernel                        (在__switch_data的结束的时候,调用了 b        start_kernel)

下面,我们按照这个主线,逐步的分析Code.
 
1. 确定 processor type
       

    arch/arm/kernel/head.S中:
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

76行: 跳转到__lookup_processor_type.在__lookup_processor_type中,会把processor type 存储在r5中
77,78行: 判断r5中的processor type是否是0,如果是0,说明是无效的processor type,跳转到__error_p(出错)

__lookup_processor_type 函数主要是根据从cpu中获得的processor id和系统中的proc_info进行匹配,将匹配到的proc_info_list的基地址存到r5中, 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中:
       
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行: 取地址指令,这里的3f是向前symbol名称是3的位置,即第178行,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行: 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),而r7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:
        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"."是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 中:
        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at91为例,其processor是926的.
                在arch/arm/mm/proc-arm926.S 中:
        00464:         .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
        00465:
        00466:         .type        __arm926_proc_info,#object
        00467: __arm926_proc_info:
        00468:         .long        0x41069260                        @ ARM926EJ-S (v5TEJ)
        00469:         .long        0xff0ffff0
        00470:         .long   PMD_TYPE_SECT | \
        00471:                 PMD_SECT_BUFFERABLE | \
        00472:                 PMD_SECT_CACHEABLE | \
        00473:                 PMD_BIT4 | \
        00474:                 PMD_SECT_AP_WRITE | \
        00475:                 PMD_SECT_AP_READ
        00476:         .long   PMD_TYPE_SECT | \
        00477:                 PMD_BIT4 | \
        00478:                 PMD_SECT_AP_WRITE | \
        00479:                 PMD_SECT_AP_READ
        00480:         b        __arm926_setup
        00481:         .long        cpu_arch_name
        00482:         .long        cpu_elf_name
        00483:         .long        HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_VFP|HWCAP_EDSP|HWCAP_JAVA
        00484:         .long        cpu_arm926_name
        00485:         .long        arm926_processor_functions
        00486:         .long        v4wbi_tlb_fns
        00487:         .long        v4wb_user_fns
        00488:         .long        arm926_cache_fns
        00489:         .size        __arm926_proc_info, . - __arm926_proc_info
        
        从464行,我们可以看到 __arm926_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480行,即__arm926_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.)
        
从以上的内容我们可以看出: r5中的__proc_info_begin是proc_info_list的起始地址, r6中的__proc_info_end是proc_info_list的结束地址.

149行: 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,而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中.

150行: 将r5存储的虚拟地址(__proc_info_begin)转换成物理地址
151行: 将r6存储的虚拟地址(__proc_info_end)转换成物理地址
152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r3, r4中
153行: r9中存储了processor id(arch/arm/kernel/head.S中的75行),与r4的cpu_mask进行逻辑与操作,得到我们需要的值
154行: 将153行中得到的值与r3中的cpu_val进行比较
155行: 如果相等,说明我们找到了对应的processor type,跳到160行,返回
156行: (如果不相等) , 将r5指向下一个proc_info,
157行: 和r6比较,检查是否到了__proc_info_end.
158行: 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行: 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,将r5设置成0(unknown processor)
160行: 返回
 
2. 确定 machine type

    arch/arm/kernel/head.S中:
00079:         bl        __lookup_machine_type                @ r5=machinfo              
00080:         movs        r8, r5                                @ invalid machine (r5=0)?  
00081:         beq        __error_a                        @ yes, error 'a'  

79行: 跳转到__lookup_machine_type函数,在__lookup_machine_type中,会把struct machine_desc的基地址(machine type)存储在r5中
80,81行: 将r5中的 machine_desc的基地址存储到r8中,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中:
        
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

193, 194行: 函数声明
195行: 取地址指令,这里的3b是向后symbol名称是3的位置,即第178行,将该地址存入r3.
        和上面我们对__lookup_processor_type 函数的分析相同,r3中存放的是3b处物理地址.
196行: r3是3b处的地址,因而执行完后:
        r4存的是 3b处的地址
        r5存的是__arch_info_begin 的地址
        r6存的是__arch_info_end 的地址

        __arch_info_begin 和 __arch_info_end是在 arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中:

        00034:                __arch_info_begin = .;
        00035:                        *(.arch.info.init)
        00036:                __arch_info_end = .;
     

        这里是声明了两个变量:__arch_info_begin 和 __arch_info_end,其中等号后面的"."是location counter(详细内容请参考ld.info)
        这三行的意思是: __arch_info_begin 的位置上,放置所有文件中的 ".arch.info.init" 段的内容,然后紧接着是 __arch_info_end 的位置.

        kernel 使用struct machine_desc 来描述 machine type.
        在 include/asm-arm/mach/arch.h 中:

        00017: struct machine_desc {
        00018:         /*
        00019:          * Note! The first four elements are used
        00020:          * by assembler code in head-armv.S
        00021:          */
        00022:         unsigned int                nr;                /* architecture number        */
        00023:         unsigned int                phys_io;        /* start of physical io        */
        00024:         unsigned int                io_pg_offst;        /* byte offset for io
        00025:                                                  * page tabe entry        */
        00026:
        00027:         const char                *name;                /* architecture name        */
        00028:         unsigned long                boot_params;        /* tagged list                */
        00029:
        00030:         unsigned int                video_start;        /* start of video RAM        */
        00031:         unsigned int                video_end;        /* end of video RAM        */
        00032:
        00033:         unsigned int                reserve_lp0 :1;        /* never has lp0        */
        00034:         unsigned int                reserve_lp1 :1;        /* never has lp1        */
        00035:         unsigned int                reserve_lp2 :1;        /* never has lp2        */
        00036:         unsigned int                soft_reboot :1;        /* soft reboot                */
        00037:         void                        (*fixup)(struct machine_desc *,
        00038:                                          struct tag *, char **,
        00039:                                          struct meminfo *);
        00040:         void                        (*map_io)(void);/* IO mapping function        */
        00041:         void                        (*init_irq)(void);
        00042:         struct sys_timer        *timer;                /* system tick timer        */
        00043:         void                        (*init_machine)(void);
        00044: };
        00045:
        00046: /*
        00047:  * Set of macros to define architecture features.  This is built into
        00048:  * a table by the linker.
        00049:  */
        00050: #define MACHINE_START(_type,_name)                        \
        00051: static const struct machine_desc __mach_desc_##_type        \
        00052:  __attribute_used__                                        \
        00053:  __attribute__((__section__(".arch.info.init")) = {        \
        00054:         .nr                = MACH_TYPE_##_type,                \
        00055:         .name                = _name,
        00056:
        00057: #define MACHINE_END                                \
        00058: };        
        
        内核中,一般使用宏MACHINE_START来定义machine type.
        对于at91, 在 arch/arm/mach-at91rm9200/board-ek.c 中:
        00137: MACHINE_START(AT91RM9200EK, "Atmel AT91RM9200-EK"
        00138:         /* Maintainer: SAN People/Atmel */
        00139:         .phys_io        = AT91_BASE_SYS,
        00140:         .io_pg_offst        = (AT91_VA_BASE_SYS >> 1 & 0xfffc,
        00141:         .boot_params        = AT91_SDRAM_BASE + 0x100,
        00142:         .timer                = &at91rm9200_timer,
        00143:         .map_io                = ek_map_io,
        00144:         .init_irq        = ek_init_irq,
        00145:         .init_machine        = ek_board_init,
        00146: MACHINE_END


197行: r3中存储的是3b处的物理地址,而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中
198行: 将r5存储的虚拟地址(__arch_info_begin)转换成物理地址            
199行: 将r6存储的虚拟地址(__arch_info_end)转换成物理地址            
200行: 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) 到r3中
201行: 将r3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行: 如果相同,说明找到了对应的machine type,跳转到207行的2f处,此时r5中存储了对应的struct machine_desc的基地址
203行: (不相同), 取下一个machine_desc的地址
204行: 和r6进行比较,检查是否到了__arch_info_end.
205行: 如果不相同,说明还有machine_desc,返回200行继续查找.
206行: 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, 将r5设置成0(unknown machine).
207行: 返回
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