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分类: LINUX

2010-05-24 10:50:22

昨天分析了一下SEP4020 LINUX的zImage的加载引导过程,zImage其实主要就是在重定位代码,然后就是将我们的Image镜像搬运到0x30008000位置,然后向Image传递r0=0,r1=体系架构号,r2=参数列表基址,然后就跳到了Image去执行系统启动了,不过这中间在解压缩内核和搬运过程中是要开MMU和CACHE的,所以其中有相当的篇幅是开这两个玩意的,下面就代码一句一句来介绍分析吧,代码位置在/arch/arm/boot/compressed/head.S中:
.section ".start", #alloc, #execinstr
/*
 * sort out different calling conventions
 */
.align
start:
.type start,#function
.rept 8 /*重复定义8次下面的指令,也就是空出中断向量表的位置*/
mov r0, r0 /*就是nop指令*/
.endr

b 1f
.word 0x016f2818 @  辅助引导程序的幻数 
.word start @  加载运行zImage的绝对地址,start表示赋的初值
.word _edata @ zImage end address zImage结尾地址,_edata是在vmlinux.lds.S中定义的,表示init,text,data三个段的结束位置(155行)
1: mov r7, r1 @ save architecture ID 保存体系结构ID 用r1保存
mov r8, r2 @ save atags pointer 保存r2寄存器 参数列表,r0始终为0

/*
* 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.
*/
mrs r2, cpsr @ get current mode
tst r2, #3 @ not user?,tst实际上是相与
bne not_angel
mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC,向SWI中传递参数
swi 0x123456 @ angel_SWI_ARM这个是让用户空间调到SVC空间,这个会从前面0x0008处重新执行
not_angel:/*表示非用户模式,可以直接关闭中断*/
mrs r2, cpsr @ turn off interrupts to
orr r2, r2, #0xc0 @ prevent angel from running关闭中断
msr cpsr_c, r2


/* 注意这里可能需要做cache刷新和其他工作 */ 
        /* 链接的时候,这里可以插入一些体系结构相关的代码,但是应该保留r7 r8 */ 
/*读入地址表。因为我们的代码可以在任何地址执行,也就是位置无关代码(PIC),所以我们需要加上一个偏移量。
下面有每一个列表项的具体意义。
LC0是表的首项,它本身就是在此head.s中定义的
.type LC0, #object
LC0: .word LC0 @ r1 LC0表的起始位置
.word __bss_start @ r2 bss段的起始地址
.word _end @ r3 zImage(bss)连接的结束地址在vmlinux.lds.S中定义
.word zreladdr @ r4 zImage的连接地址,我们在mach-sep4020/makefile.boot中定义的
.word _start @ r5 zImage的基地址,bootp/init.S中的_start函数,主要起传递参数作用
.word _got_start @ r6 GOT(全局偏移表)起始地址,_got_start是在compressed/vmlinux.lds.in中定义的
.word _got_end @ ip GOT结束地址
.word user_stack+4096 @ sp 用户栈底 user_stack是紧跟在bss段的后面的,在compressed/vmlinux.lds.in中定义的
在本head.S的末尾定义了zImag的临时栈空间,在这里分配了4K的空间用来做堆栈。
.section ".stack", "w"
user_stack: .space 4096
GOT表的初值是连接器指定的,当时程序并不知道代码在哪个地址执行。如果当前运行的地址已经和表上的地址不一样,还要修正GOT表。*/
 
.text
adr r0, LC0
ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}
@r0是运行时地址,而r1则是链接时地址,而它们两都是表示LC0表的起始位置,这样他们两的差则是运行和链接的偏移量,纠正了这个偏移量才可以运行与”地址相关的代码“
subs r0, r0, r1 @ calculate the delta offset

@ if delta is zero, we are
beq not_relocated @ running at the address we
@ were linked at.若相等则不用重定位了。

/*
  *   偏移量不为零,说明运行在不同的地址,那么需要修正几个指针 
         *   r5 – zImage基地址 
         *   r6 – GOT(全局偏移表)起始地址 
         *   ip – GOT结束地址 
*/
add r5, r5, r0 /*加上偏移量*/
add r6, r6, r0
add ip, ip, r0 /*ip即是r12*/

/*
* If we're running fully PIC === CONFIG_ZBOOT_ROM = n,
* we need to fix up pointers into the BSS region.
  * 这时需要修正BSS区域的指针,我们平台适用。 
         *   r2 – BSS 起始地址 
           *   r3 – BSS 结束地址 
           *   sp – 堆栈指针
*/
add r2, r2, r0
add r3, r3, r0
add sp, sp, r0

/*
* 重新定位GOT表中所有的项.
*/
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

not_relocated: mov r0, #0 /*清除bss段*/
1: str r0, [r2], #4 @ clear bss
str r0, [r2], #4
str r0, [r2], #4
str r0, [r2], #4
cmp r2, r3
blo 1b
@ @ 正如下面的注释所说,C环境我们已经设置好了。下面我们要打开cache和mmu。为什么要这样做呢?
@ 这只是一个解压程序呀?为了速度。那为什么要开mmu呢,而且只是做一个平板式的映射?还是为了速度。
@ 如果不开mmu的话,就只能打开icache。因为不开mmu的话就无法实现内存管理,而io区是决不能开dcache的。
/* 这时C运行环境应该已经配置好了。 
             * 打开cache,设置一些指针,开始解压vmlinux 
*/
bl cache_on
/************************************进入cache_on函数******************************************************/
/*
 * Turn on the cache.  We need to setup some page tables so that we
 * can have both the I and D caches on.
 *
 * We place the page tables 16k down from the kernel execution address,
 * and we hope that nothing else is using it.  If we're using it, we
 * will go pop!
 *
 * On entry,
 *  r4 = kernel execution address
 *  r6 = processor ID
 *  r7 = architecture number
 *  r8 = atags pointer
 *  r9 = run-time address of "start"  (???)
 * On exit,
 *  r1, r2, r3, r9, r10, r12 corrupted
 * This routine must preserve:
 *  r4, r5, r6, r7, r8
 */
.align 5
cache_on: mov r3, #8 @ cache_on function
b call_cache_fn

call_cache_fn: adr r12, proc_types
mrc p15, 0, r6, c0, c0 @ get processor ID
1: ldr r1, [r12, #0] @ get value
ldr r2, [r12, #4] @ get mask
eor r1, r1, r6 @ (real ^ match)将从c0中读出的cpu id与下面的proc_types表中的cpu系列进行比较可得到其属于哪个系列的
tst r1, r2 @       & mask
addeq pc, r12, r3 @ 如果是这个系列的cpu调用其cache打开函数
add r12, r12, #4*5
b 1b

.type proc_types,#object
proc_types:
.word 0x41560600 @ ARM6/610
.word 0xffffffe0
b __arm6_cache_off @ works, but slow
b __arm6_cache_off
mov pc, lr

.word 0x00000000 @ old ARM ID
.word 0x0000f000
mov pc, lr
mov pc, lr
mov pc, lr

.word 0x41007000 @ ARM7/710
.word 0xfff8fe00
b __arm7_cache_off
b __arm7_cache_off
mov pc, lr

.word 0x41807200 @ ARM720T (writethrough)
.word 0xffffff00
b __armv4_cache_on
b __armv4_cache_off
mov pc, lr
.size proc_types, . - proc_types

__armv4_cache_on:
mov r12, lr  /*在后面的cache_on函数返回的时候会用到的*/
bl __setup_mmu
/************************************进入__setup_mmu函数******************************************************/
__setup_mmu: sub r3, r4, #16384 @ Page directory size(16k),r4是zImage的起始位置,再减16k即是0x30004000
bic r3, r3, #0xff @ Align the pointer
bic r3, r3, #0x3f00
/*
 * Initialise the page tables, turning on the cacheable and bufferable
 * bits for the RAM area only.
* 在这里只建立了一级虚实映射,是虚实一一映射的,映射的大小为4GB
 */
mov r0, r3
mov r9, r0, lsr #18
mov r9, r9, lsl #18 @ start of RAM,当前可用sdram的起始地址(以256k为边界)
add r10, r9, #0x10000000 @ a reasonable RAM size,这里假设的可用ram大小为256M
mov r1, #0x12 /*填充段描述符的第五位*/
orr r1, r1, #3 << 10 /*段描述符的AP为11b*/
add r2, r3, #16384 /*段描述符的空间大小为16k*/
1: cmp r1, r9 @ if virt > start of RAM只有虚空间在sdram中才是可cache和可buffer
orrhs r1, r1, #0x0c @ set cacheable, bufferable
cmp r1, r10 @ if virt > end of RAM
bichs r1, r1, #0x0c @ clear cacheable, bufferable
str r1, [r0], #4 @ 1:1 mapping
add r1, r1, #1048576 /*每次描述符的地址内容是自加0x100000*/
teq r0, r2
bne 1b
/*
 * 在这里如果我们是从flash上直接启动,我们也可以将flash这快空间映射为可cache和可buffer的,这样可以加快这段代码的运行速度
 */
mov r1, #0x1e
orr r1, r1, #3 << 10
mov r2, pc, lsr #20
orr r1, r1, r2, lsl #20
add r0, r3, r2, lsl #2
str r1, [r0], #4
add r1, r1, #1048576
str r1, [r0]
mov pc, lr

/************************************从__setup_mmu函数返回****************************************************/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ 济干write buffer
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ 失效I/D TLBs
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control reg
orr r0, r0, #0x5000 @ I-cache enable, RR cache replacement
orr r0, r0, #0x0030
bl __common_cache_on
/************************************进入__common_cache_on函数********************************************/
__common_cache_on:
mov r1, #-1
mcr p15, 0, r3, c2, c0, 0 @ load page table pointer
mcr p15, 0, r1, c3, c0, 0 @ load domain access control所有域都是可读可写
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ load control register赋值cp15的控制寄存器,这时候开MMU,cache
mov pc, lr
/******************************从__common_cache_on函数返回***************************************************/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ 失效I/D TLBs
mov pc, r12
/******************************从cache_on函数返回*************************************************************/
mov r1, sp @ malloc space above stack
add r2, sp, #0x10000 @ 64k max解压缩的缓冲区
 
 
下面是接着第二节往下的:

@ 对下面这些地址的理解其实还是很麻烦,但有篇文档写得很清楚《About TEXTADDR, ZTEXTADDR, 
@ PAGE_OFFSET etc...》。下面程序的意义就是保证解压地址和当前程序的地址不重叠。上面分配了64KB的空间来做解压时的数据缓存。
/*
 检查是否会覆盖内核映像本身 
 *   r4 = 最后我们的Image内核执行的最终实地址 
 *   r5 = 本映像zImage的起始地址 
 *   r2 = 分配空间的结束地址(并且处于本映像的前面) 
 * 基本要求:r4 >= r2 或者 r4 + 映像长度 <= r5 
在实际的调试中我们的SEP4020的各个寄存器:
r0 = 0;
r1 = 0x30180358;
r2 = 0x30190358;
r3 = 0x30004000;
r4 = 0x30008000;
r5 = 0x30008000;
r6 = 0x41807202;
r7 = 0x000000c2
 */
cmp r4, r2
bhs wont_overwrite /*如果大于或等于的话*/
add r0, r4, #4096*1024 @ 4MB largest kernel size
cmp r0, r5
bls wont_overwrite /*如果r4 + 映像长度 <= r5 的话*/

@ 如果空间不够了,只好解压到缓冲区地址后面。调用decompress_kernel进行解压缩,这段代码是用c实现的,和架构无关。

mov r5, r2 @ decompress after malloc space
mov r0, r5   /*解压程序从分配空间后面存放 */
mov r3, r7
bl decompress_kernel
/******************************进入decompress_kernel***************************************************/
@ decompress_kernel共有4个参数,解压的内核地址、缓存区首地址、缓存区尾地址、和芯片ID,返回解压缩代码的长度。注意r5会在其中改变的
ulg
decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr_end_p,
  int arch_id)
{
output_data = (uch *)output_start; /* Points to kernel start */
free_mem_ptr = free_mem_ptr_p;
free_mem_ptr_end = free_mem_ptr_end_p;
__machine_arch_type = arch_id;

arch_decomp_setup();  /*在sep4020中什么都没作*/

makecrc(); /*镜像校验*/
putstr("Uncompressing Linux...");
gunzip(); /*通过free_mem_ptr来解压缩*/
putstr(" done, booting the kernel.\n");
return output_ptr; /*返回镜像的大小*/
}
/******************************从decompress_kernel函数返回*************************************************/
add r0, r0, #127
bic r0, r0, #127 @ align the kernel length对齐内核长度
/*
 * r0     = 解压后内核长度  0x002ec480
 * r1-r3  = 未使用 
 * r4     = 真正内核执行地址  0x30008000
 * r5     = 临时解压内核Image的起始地址  0x3019149c
 * r6     = 处理器ID  0x41807202
 * r7     = 体系结构ID  0x000000c2
 * r8     = 参数列表 0x30000100
 * r9-r14 = 未使用
 */
@ 完成了解压缩之后,由于空间不够,内核也没有解压到正确的地址,最后必须通过代码搬移来搬到指定的地址0x30008000。搬运过程中有
@ 可能会覆盖掉现在运行的这段代码,所以必须将有可能会执行到的代码搬运到安全的地方,
@ 这里帮运到的地址是解压缩了的代码的后面r5+r0=0x3047d91c的位置。
add r1, r5, r0 @ end of decompressed kernel
adr r2, reloc_start
ldr r3, LC1

@ LC1: .word reloc_end - reloc_start 表示reloc_start段代码的大小

add r3, r2, r3
1: ldmia r2!, {r9 - r14} @ copy relocation code
stmia r1!, {r9 - r14}
ldmia r2!, {r9 - r14}
stmia r1!, {r9 - r14}
cmp r2, r3
blo 1b

bl cache_clean_flush
add pc, r5, r0 @ call relocation code

@ 在此处会调用重定位代码reloc_start来将Image 的代码从缓冲区r5帮运到最终的目的地r4:0x30008000处
/*
 * All code following this line is relocatable.  It is relocated by
 * the above code to the end of the decompressed kernel image and
 * executed there.  During this time, we have no stacks.
 *
 * r0     = decompressed kernel length  0x002ec480
 * r1-r3  = unused
 * r4     = kernel execution address 0x30008000
 * r5     = decompressed kernel start 0x3019149c
 * r6     = processor ID 0x41807202
 * r7     = architecture ID 0x000000c2
 * r8     = atags pointer 0x30000100
 * r9-r14 = corrupted
 */
.align 5
reloc_start: add r9, r5, r0
debug_reloc_start
mov r1, r4
1:
.rept 4
ldmia r5!, {r0, r2, r3, r10 - r14} @ relocate kernel
stmia r1!, {r0, r2, r3, r10 - r14} /*重新帮运内核Image的过程*/
.endr

cmp r5, r9
blo 1b
debug_reloc_end

call_kernel: bl cache_clean_flush
bl cache_off
mov r0, #0 @ must be zero
mov r1, r7 @ restore architecture number
mov r2, r8 @ restore atags pointer

@ 这个地方就是最终我们从zImage跳转到Image的伟大一跳了,跳之前准备好r0,r1,r2
mov pc, r4 @ call kernel
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