3. 创建页表
通过前面的两步,我们已经确定了processor type 和 machine type.
此时,一些特定寄存器的值如下所示:
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)
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ARM926,其L1 section entry的格式为
可参考arm926EJS TRM):
![]()
下面我们来分析 __create_page_tables 函数:
在 arch/arm/kernel/head.S 中:
00206: .type __create_page_tables, %function
00207: __create_page_tables:
00208: pgtbl r4 @ page table address
00209:
00210: /*
00211: * Clear the 16K level 1 swapper page table
00212: */
00213: mov r0, r4
00214: mov r3, #0
00215: add r6, r0, #0x4000
00216: 1: str r3, [r0], #4
00217: str r3, [r0], #4
00218: str r3, [r0], #4
00219: str r3, [r0], #4
00220: teq r0, r6
00221: bne 1b
00222:
00223: ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags
00224:
00225: /*
00226: * Create identity mapping for first MB of kernel to
00227: * cater for the MMU enable. This identity mapping
00228: * will be removed by paging_init(). We use our current program
00229: * counter to determine corresponding section base address.
00230: */
00231: mov r6, pc, lsr #20 @ start of kernel section
00232: orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base
00233: str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping
00234:
00235: /*
00236: * Now setup the pagetables for our kernel direct
00237: * mapped region.
00238: */
00239: add r0, r4, #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18 @ start of kernel
00240: str r3, [r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18]!
00241:
00242: ldr r6, =(_end - PAGE_OFFSET - 1) @ r6 = number of sections
00243: mov r6, r6, lsr #20 @ needed for kernel minus 1
00244:
00245: 1: add r3, r3, #1 << 20
00246: str r3, [r0, #4]!
00247: subs r6, r6, #1
00248: bgt 1b
00249:
00250: /*
00251: * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params.
00252: */
00253: add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18
00254: orr r6, r7, #PHYS_OFFSET
00255: str r6, [r0]
...
00314: mov pc, lr
00315: .ltorg
206, 207行: 函数声明
208行: 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 中:
00042: .macro pgtbl, rd
00043: ldr \rd, =(__virt_to_phys(KERNEL_RAM_ADDR - 0x4000))
00044: .endm
可以看到,页表是位于 KERNEL_RAM_ADDR 下面 16k 的位置
宏 __virt_to_phys 是在incude/asm-arm/memory.h 中:
00125: #ifndef __virt_to_phys
00126: #define __virt_to_phys(x) ((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)
00127: #define __phys_to_virt(x) ((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)
00128: #endif
下面从213行 - 221行, 是将这16k 的页表清0.
213行: r0 = r4, 将页表基地址存在r0中
214行: 将 r3 置成0
215行: r6 = 页表基地址 + 16k, 可以看到这是页表的尾地址
216 - 221 行: 循环,从 r0 到 r6 将这16k页表用0填充.
223行: 获得proc_info_list的__cpu_mm_mmu_flags的值,并存储到 r7中. (宏PROCINFO_MM_MMUFLAGS是在arch/arm/kernel/asm-offset.c中定义)
231行: 通过pc值的高12位(右移20位),得到kernel的section,并存储到r6中.因为当前是通过运行时地址得到的kernel的section,因而是物理地址.
232行: r3 = r7 | (r6 << 20); flags + kernel base,得到页表中需要设置的值.
233行: 设置页表: mem[r4 + r6 * 4] = r3
这里,因为页表的每一项是32 bits(4 bytes),所以要乘以4(<<2).
上面这三行,设置了kernel的第一个section(物理地址所在的page entry)的页表项
239, 240行: TEXTADDR是内核的起始虚拟地址(0xc0008000), 这两行是设置kernel起始虚拟地址的页表项(注意,这里设置的页表项和上面的231 - 233行设置的页表项是不同的 )
执行完后,r0指向kernel的第2个section的虚拟地址所在的页表项.
/* TODO: 这两行的code很奇怪,为什么要先取TEXTADDR的高8位(Bit[31:24])0xff000000,然后再取后面的8位(Bit[23:20])0x00f00000*/
242行: 这一行计算kernel镜像的大小(bytes).
_end 是在vmlinux.lds.S中162行定义的,标记kernel的结束位置(虚拟地址):
00158 .bss : {
00159 __bss_start = .; /* BSS */
00160 *(.bss)
00161 *(COMMON)
00162 _end = .;
00163 }
kernel的size = _end - PAGE_OFFSET -1, 这里 减1的原因是因为 _end 是 location counter,它的地址是kernel镜像后面的一个byte的地址.
243行: 地址右移20位,计算出kernel有多少sections,并将结果存到r6中
245 - 248行: 这几行用来填充kernel所有section虚拟地址对应的页表项.
253行: 将r0设置为RAM第一兆虚拟地址的页表项地址(page entry)
254行: 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.
255行: 设置RAM的第一个MB虚拟地址的页表.
上面这三行是用来设置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.
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 = 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: /*
00418: * R
00419: * .RVI ZFRS BLDP WCAM
00420: * .011 0001 ..11 0101
00421: *
00422: */
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: /*
00171: * Enable the MMU. This completely changes the structure of the visible
00172: * memory space. You will not be able to trace execution through this.
00173: * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel
00174: * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.
00175: *
00176: * r0 = cp#15 control register
00177: * r13 = *virtual* address to jump to upon completion
00178: *
00179: * other registers depend on the function called upon completion
00180: */
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:
![]()
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: /*
00027: * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,
00028: * and uses absolute addresses; this is not position independent.
00029: *
00030: * r0 = cp#15 control register
00031: * r1 = machine ID
00032: * r9 = processor ID
00033: */
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); /* location in binary */
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 = .; /* address in memory */
00112:
00113: /*
00114: * first, the init task union, aligned
00115: * to an 8192 byte boundary.
00116: */
00117: *(.init.task)
......
00158: .bss : {
00159: __bss_start = .; /* BSS */
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
