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linux kernel 從入口到start_kernel 的代碼分析 [復(fù)制鏈接]

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發(fā)表于 2011-02-06 18:58 |只看該作者 |倒序瀏覽
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本文的很多內(nèi)容是參考了網(wǎng)上某位大俠的文章寫的<<>>,有些東西是直接從他那copy過來的。

最近分析了一下u-boot的源碼,并寫了分文檔, 為了能夠銜接那篇文章,這次又把arm linux的啟動代碼大致分析了一下,特此寫下了這篇文檔。一來是大家可以看看u-boot到底是如何具體跳轉(zhuǎn)到linux下跑的,二來也為自己更深入的學(xué)習(xí)linux kernel打下基礎(chǔ)。

本文以arm 版的linux為例kernel的第一條指令開始分析,一直分析到進(jìn)入start_kernel()函數(shù),也就是kernel啟動的匯編部分,我們把它稱之為第一部分, 以后有時間在把啟動的第二部分在分析一下。我們當(dāng)前以linux-2.6.18內(nèi)核版本作為范例來分析,本文中所有的代碼前面都會加上行號以便于講解。

由于啟動部分有一些代碼是平臺相關(guān)的,雖然大部分的平臺所實現(xiàn)的功能都比較類似,但是為了更好的對code進(jìn)行說明,對于平臺相關(guān)的代碼,我們選擇smdk2410平臺, CPUs3c2410(arm核是arm920T)進(jìn)行分析。

   另外,本文是以未壓縮的kernel來分析的.對于內(nèi)核解壓縮部分的code,在 arch/arm/boot/compressed,本文不做討論。

   

啟動條件

    通常從系統(tǒng)上電執(zhí)行的boot loader的代碼, 而要從boot loader跳轉(zhuǎn)到linux kernel的第一條指令處執(zhí)行需要一些特定的條件。關(guān)于對boot loader的分析請看我的另一篇文檔u-boot源碼分析。

    這里討論下進(jìn)入到linux kernel時必須具備的一些條件,這一般是boot loader在跳轉(zhuǎn)到kernel之前要完成的:

   1. CPU必須處于SVC(supervisor)模式,并且IRQFIQ中斷都是禁止的;

   2. MMU(內(nèi)存管理單元)必須是關(guān)閉的此時虛擬地址就是物理地址;

   3. 數(shù)據(jù)cache(Data cache)必須是關(guān)閉的

   4. 指令cache(Instruction cache)可以是打開的,也可以是關(guān)閉的,這個沒有強制要求;

   5. CPU 通用寄存器0 (r0)必須是 0;

   6. CPU 通用寄存器1 (r1)必須是 ARM Linux machine type (關(guān)于machine type, 我們后面會有講解)

   7. CPU 通用寄存器2 (r2) 必須是 kernel parameter list 的物理地址(parameter list 是由boot loader傳遞給kernel,用來描述設(shè)備信息屬性的列表)。

   更詳細(xì)的關(guān)于啟動arm linux之前要做哪些準(zhǔn)備工作可以參考,Booting ARM Linux"文檔

 

. starting kernel

首先,我們先對幾個重要的宏進(jìn)行說明(我們針對有MMU的情況)

位置

默認(rèn)值

說明

KERNEL_RAM_ADDR

arch/arm/kernel/head.S +26

0xc0008000

kernelRAM中的虛擬地址

PAGE_OFFSET

include/asm-arm/memeory.h +50

0xc0000000

內(nèi)核空間的起始虛擬地址

TEXT_OFFSET

arch/arm/Makefile +131

0x00008000

內(nèi)核在RAM中起始位置相對于

RAM起始地址的偏移

TEXTADDR

arch/arm/kernel/head.S +49 

0xc0008000 

kernel的起始虛擬地址

PHYS_OFFSET

include/asm-arm/arch- *** /memory.h

平臺相關(guān)

RAM的起始物理地址,對于s3c2410來說在include/asm-arm/arch-s3c2410/memory.h下定義,值為0x30000000(ram接在片選6)

 

內(nèi)核的入口是stext,這是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定義的:

         00011: ENTRY(stext)

    對于vmlinux.lds.S,這是ld script文件,此文件的格式和匯編及C程序都不同,本文不對ld script作過多的介紹,只對內(nèi)核中用到的內(nèi)容進(jìn)行講解,關(guān)于ld的詳細(xì)內(nèi)容可以參考ld.info

    這里的ENTRY(stext) 表示程序的入口是在符號stext.

    而符號stext是在arch/arm/kernel/head.S中定義的:

下面我們將arm linux boot的主要代碼列出來進(jìn)行一個概括的介紹,然后,我們會逐個的進(jìn)行詳細(xì)的講解

arch/arm/kernel/head.S中 72 - 94 ,arm linux boot的主代碼:

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             

 

在進(jìn)入linux kernel前要確保在管理模式下,并且IRQ,FIQ都是關(guān)閉的,因此在00073行就是要確保這幾個條件成立。

1. 確定 processor type

arch/arm/kernel/head.S:

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通過cp15協(xié)處理器的c0寄存器來獲得processor id的指令關(guān)于cp15的詳細(xì)內(nèi)容可參考相關(guān)的arm手冊,也可直接參考s3c2410data sheet

76跳轉(zhuǎn)到__lookup_processor_type.__lookup_processor_type,會把找到匹配的processor type 對象存儲在r5中。

77,78判斷r5中的processor type是否是0,如果是0,說明系統(tǒng)中沒找到匹配當(dāng)前processor type的對象, 則跳轉(zhuǎn)到__error_p(出錯)。系統(tǒng)中會預(yù)先定義本系統(tǒng)支持的processor type 對象集。

    __lookup_processor_type 函數(shù)主要是根據(jù)從cpu中獲得的processor id和系統(tǒng)中預(yù)先定義的本系統(tǒng)能支持的proc_info集進(jìn)行匹配,看系統(tǒng)能否支持當(dāng)前的processor, 并將匹配到的proc_info的基地址存到r5, 0表示沒有找到對應(yīng)的processor type.

下面我們分析__lookup_processor_type函數(shù)。

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

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行是函數(shù)定義

147取地址指令,這里的3f是向前symbol名稱是3的位置,即第178,將該地址存入r3. 這里需要注意的是,adr指令取址,獲得的是基于pc的一個地址,要格外注意,這個地址是3f處的"運行時地址",由于此時MMU還沒有打開,也可以理解成物理地址(實地址).(詳細(xì)內(nèi)容可參考arm指令手冊)

148因為r3中的地址是178行的位置的地址,因而執(zhí)行完后

        r5存的是176行符號 __proc_info_begin的地址

        r6存的是177行符號 __proc_info_end的地址

        r7存的是3f處的地址.

    這里需要注意鏈接地址和運行時地址的區(qū)別. r3存儲的是運行時地址(物理地址),r7中存儲的是鏈接地址(虛擬地址).

     __proc_info_begin__proc_info_end是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S:

00031:                __proc_info_begin = .;

00032:                        *(.proc.info.init)

00033:                __proc_info_end = .;

 

這里是聲明了兩個變量:__proc_info_begin 和 __proc_info_end,其中等號后面的"."location counter(詳細(xì)內(nèi)容請參考ld.info)

    這三行的意思是: __proc_info_begin 的位置上,放置所有文件中的 ".proc.info.init" 段的內(nèi)容,然后緊接著是 __proc_info_end 的位置.

kernel 使用struct proc_info_list來描述processor type.

在 include/asm-arm/procinfo.h :

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: 

};

我們當(dāng)前以s3c2410為例,processor920t.

arch/arm/mm/proc-arm920.S :

00448:      .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr

00449:

00450: .type   __arm920_proc_info,#object

00451:      __arm920_proc_info:

00452:      .long   0x41009200

004523:     .long   0xff00fff0

00454:      .long   PMD_TYPE_SECT | \

00455:          PMD_SECT_BUFFERABLE | \

00456:          PMD_SECT_CACHEABLE | \

00457:          PMD_BIT4 | \

00458:          PMD_SECT_AP_WRITE | \

00459:          PMD_SECT_AP_READ

00460:      .long   PMD_TYPE_SECT | \

00461:           PMD_BIT4 | \

00462:           PMD_SECT_AP_WRITE | \

00463:           PMD_SECT_AP_READ

00464:      b   __arm920_setup

00465:      .long   cpu_arch_name

00466:      .long   cpu_elf_name

00467:      .long   HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB

00468:      .long   cpu_arm920_name

00469:      .long   arm920_processor_functions

00470:      .long   v4wbi_tlb_fns

00471:      .long   v4wb_user_fns

00472:  #ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH

00473:      .long  arm920_cache_fns

00474:  #else

00475:      .long   v4wt_cache_fns

00476:  #endif

00477:      .size   __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info

 

448,我們可以看到 __arm920_proc_info 被放到了".proc.info.init"段中.對照struct proc_info_list,我們可以看到 __cpu_flush的定義是在464,__arm920_setup.(我們將在"4. 調(diào)用平臺特定的__cpu_flush函數(shù)"一節(jié)中詳細(xì)分析這部分的內(nèi)容.)

我們繼續(xù)分析__lookup_processor_type

149從上面的分析我們可以知道r3中存儲的是3f處的物理地址,r7存儲的是3f處的虛擬地址,這一行是計算當(dāng)前程序運行的物理地址和虛擬地址的差值,將其保存到r3.

150r5存儲的虛擬地址(__proc_info_begin)轉(zhuǎn)換成物理地址

151r6存儲的虛擬地址(__proc_info_end)轉(zhuǎn)換成物理地址

152對照struct proc_info_list,可以得知,這句是將當(dāng)前proc_infocpu_valcpu_mask分別存

r3, r4

153: r9中存儲了processor id(arch/arm/kernel/head.S中的75),r4cpu_mask進(jìn)行邏輯與得到我們需要的值

154153行中得到的值與r3中的cpu_val進(jìn)行比較

155如果相等,說明我們找到了對應(yīng)的processor type,跳到160,返回

156如果不相等r5指向下一個proc_info,

157r6比較,檢查是否到了__proc_info_end.

158如果沒有到__proc_info_end,表明還有proc_info配置,返回152行繼續(xù)查找

159執(zhí)行到這里,說明所有的proc_info都匹配過了,但是沒有找到匹配的,r5設(shè)置成0(unknown processor)

160返回

 

2. 確定 machine type

繼續(xù)分析head.S,確定了processor type之后,就要確定machine type

arch/arm/kernel/head.S:

00079:         bl        __lookup_machine_type                @ r5=machinfo              

00080:         movs        r8, r5                                @ invalid machine (r5=0)?  

00081:         beq        __error_a                        @ yes, error 'a'  

79跳轉(zhuǎn)到__lookup_machine_type函數(shù)proc_info一樣,在系統(tǒng)中也預(yù)先定義好了本系統(tǒng)能支持的machine type集, 在__lookup_machine_type,就是要查找系統(tǒng)中是否有對當(dāng)前machine type的支持, 如果查找到則會把struct machine_desc的基地址(machine type)存儲在r5中。

80,81r5中的 machine_desc的基地址存儲到r8,并判斷r5是否是0,如果是0,說明是無效的machine type,跳轉(zhuǎn)到__error_a(出錯)

__lookup_machine_type 函數(shù)

下面我們分析__lookup_machine_type 函數(shù):

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

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

實際上上面這段代碼的原理和確定processor type的原理是一樣的。

 

內(nèi)核中,一般使用宏MACHINE_START來定義machine type。

對于smdk2410來說在 arch/arm/mach-s3c2410/Mach-smdk2410.c :

MACHINE_START(SMDK2410, "SMDK2410") /* @TODO: request a new identifier and switch

                    * to SMDK2410 */

    /* Maintainer: Jonas Dietsche */

    .phys_io    = S3C2410_PA_UART,

    .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

    .boot_params    = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

    .map_io     = smdk2410_map_io,

    .init_irq   = s3c24xx_init_irq,

    .init_machine   = smdk_machine_init,

    .timer      = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

195行:把3b處的地址存入r3中,3b處的地址就是178行處的地址。

1963b處開始的連續(xù)地址即3b處的地址,__arch_info_begin,__arch_info_end依次存入r4,r5,r6.

197: r3中存儲的是3b處的物理地址,r4中存儲的是3b處的虛擬地址,這里計算處物理地址和虛擬地址的差值,保存到r3

198r5存儲的虛擬地址(__arch_info_begin)轉(zhuǎn)換成物理地址             

199r6存儲的虛擬地址(__arch_info_end)轉(zhuǎn)換成物理地址             

200: MACHINFO_TYPE 在 arch/arm/kernel/asm-offset.c 101行定義這里是取 struct machine_desc中的nr(architecture number) r3

201r3中取到的machine type 和 r1中的 machine type(見前面的"啟動條件")進(jìn)行比較

202如果相同,說明找到了對應(yīng)的machine type,跳轉(zhuǎn)到207行的2f,此時r5中存儲了對應(yīng)的struct machine_desc的基地址

203如果不匹配則取下一個machine_desc的地址

204r6進(jìn)行比較,檢查是否到了__arch_info_end.

205如果沒到尾,說明還有machine_desc,返回200行繼續(xù)查找.

206執(zhí)行到這里,說明所有的machind_desc都查找完了,并且沒有找到匹配的r5設(shè)置成0(unknown machine).

207返回

 

3. 創(chuàng)建頁表

繼續(xù)分析head.S,確定了processor type和 machine type之后,就是創(chuàng)建頁表。

通過前面的兩步,我們已經(jīng)確定了processor type 和 machine type.

此時,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             (通過cp15協(xié)處理器獲得的cpu id)

r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)

創(chuàng)建頁表是通過函數(shù) __create_page_tables 來實現(xiàn)的

這里,我們使用的是armL1主頁表,L1主頁表也稱為段頁表(section page table), L1 主頁表將4 GB 的地址空間分成若干個1 MB的段(section),因此L1頁表包含4096個頁表項(section entry). 每個頁表項是32 bits(4 bytes)

因而L1主頁表占用 4096 *4 = 16k的內(nèi)存空間.

對于ARM920,L1 section entry的格式為可參考arm920t TRM):

它的地址翻譯過程如下:

 

下面我們來分析 __create_page_tables 函數(shù):

在 arch/arm/kernel/head.S :

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. We round TEXTADDR down to the

00238:          * nearest megabyte boundary.  It is assumed that

00239:          * the kernel fits within 4 contigous 1MB sections.

00240:          */

00241:         add     r0, r4,  #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18        @ start of kernel

00242:         str     r3, [r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18]!

00243:         add     r3, r3, #1 << 20

00244:         str     r3, [r0, #4]!          @ KERNEL + 1MB

00245:         add     r3, r3, #1 << 20

00246:         str     r3, [r0, #4]!          @ KERNEL + 2MB

00247:         add     r3, r3, #1 << 20

00248:         str     r3, [r0, #4]           @ KERNEL + 3MB

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函數(shù)聲明

208通過宏 pgtbl r4設(shè)置成頁表的基地址(物理地址)

    宏pgtbl 在 arch/arm/kernel/head.S :

00042:        .macro        pgtbl, rd

00043:        ldr        \rd, =(__virt_to_phys(KERNEL_RAM_ADDR - 0x4000))

00044:        .endm

   可以看到,頁表是位于 KERNEL_RAM_ADDR 下面 16k 的位置

宏 __virt_to_phys 是在incude/asm-arm/memory.h :

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 

下面從213行 - 221是將這16k 的頁表清0.

213: r0 = r4, 將頁表基地址存在r0

214將 r3 置成0

215: r6  = 頁表基地址 + 16k, 可以看到這是頁表的尾地址

216 - 221 循環(huán),從 r0 到 r6 將這16k頁表用0填充.

223獲得proc_info_list__cpu_mm_mmu_flags的值,并存儲到 r7. (PROCINFO_MM_MMUFLAGS是在arch/arm/kernel/asm-offset.c中定義)

231通過pc值的高12(右移20),得到kernelsection基址(從上面的圖可以看出),并存儲到r6.因為當(dāng)前是通過運行時地址得到的kernelsection地址,因而是物理地址.

232: r3 = r7 | (r6 << 20); flags + kernel base,得到頁表中需要設(shè)置的值.

233設(shè)置頁表: mem[r4 + r6 * 4] = r3,這里,因為頁表的每一項是32 bits(4 bytes),所以要乘以4(<<2).

上面這三行,設(shè)置了kernel當(dāng)前運行的section(物理地址所在的page entry)的頁表項

241--248: TEXTADDR是內(nèi)核的起始虛擬地址(0xc0008000), 這幾行是設(shè)置kernel起始4M虛擬地址的頁表項(個人覺得242行設(shè)置的頁表項和上面233行設(shè)置的頁表項是同一個,因為r3沒有變,就是kernel1M的頁表項)。 

/* TODO: 這兩行的code很奇怪,為什么要先取TEXTADDR的高8(Bit[31:24])0xff000000,然后再取后面的8(Bit[23:20])0x00f00000*/           

253r0設(shè)置為RAM第一兆虛擬地址的頁表項地址(page entry)

254: r7中存儲的是mmu flags, 邏輯或上RAM的起始物理地址,得到RAM第一個MB頁表項的值.

255: 設(shè)置RAM的第一個MB虛擬地址的頁表.

上面這三行是用來設(shè)置RAM中第一兆虛擬地址的頁表之所以要設(shè)置這個頁表項的原因是RAM的第一兆內(nèi)存中可能存儲著boot params.

這樣,kernel所需要的基本的頁表我們都設(shè)置完了如下圖所示:

 

4. 調(diào)用平臺特定的 __cpu_flush 函數(shù) 

當(dāng) __create_page_tables 返回之后

此時,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             (通過cp15協(xié)處理器獲得的cpu id)

r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)

在我們需要開啟mmu之前,做一些必須的工作:清除ICache, 清除 DCache, 清除 Writebuffer, 清除TLB.這些一般是通過cp15協(xié)處理器來實現(xiàn)的,并且是平臺相關(guān)的這就是__cpu_flush 需要做的工作

在 arch/arm/kernel/head.S

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            

91r13設(shè)置為 __switch_data 的地址

92lr設(shè)置為 __enable_mmu 的地址

93: r10存儲的是procinfo的基地址, PROCINFO_INITFUNC是在 arch/arm/kernel/asm-offset.c 107行定義該行將pc設(shè)為 proc_info_list的 __cpu_flush 函數(shù)的地址即下面跳轉(zhuǎn)到該函數(shù).在分析 __lookup_processor_type 的時候,我們已經(jīng)知道,對于 ARM920t 來說,__cpu_flush指向的是函數(shù) __arm920_setup

 

下面我們來分析函數(shù) __arm920_setup        

在 arch/arm/mm/proc-arm920.S :

00385: .type   __arm920_setup, #function

00386: __arm920_setup:

00387:      mov r0, #0

00388:      mcr p15, 0, r0, c7, c7     @ invalidate I,D caches on v4

00389:      mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer on v4

00390: #ifdef CONFIG_MMU

00391:      mcr p15, 0, r0, c8, c7     @ invalidate I,D TLBs on v4

00392: #endif

00393:      adr r5, arm920_crval

00394:      ldmia   r5, {r5, r6}

00395:      mrc p15, 0, r0, c1, c0     @ get control register v4

00396:      bic r0, r0, r5

00397:      orr r0, r0, r6

00398:      mov pc, lr

00399:      .size   __arm920_setup, . - __arm920_setup

385,386定義__arm920_setup函數(shù)。

387行: 設(shè)置r00

388行: 使數(shù)據(jù)cahche, 指令cache無效。

389行: 使write buffer無效。

391行: 使數(shù)據(jù)TLB,指令TLB無效。

393行: 獲取arm920_crval的地址,并存入r5。

394行: 獲取arm920_crval地址處的連續(xù)8字節(jié)分別存入r5,r6。

arm920_crvalarch\arm\mm\proc-arm920t.c:

    .type   arm920_crval, #object

arm920_crval:

    crval   clear=0x00003f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001130  

由此可知,r5 = 0x00003f3f, r6 = 0x00003135

 

395行: 獲取CP15下控制寄存器的值,并存入r0

396行: 通過查看arm920_crval的值可知該行是清除r0中相關(guān)位,為以后對這些位的賦值做準(zhǔn)備。

397行: 設(shè)置r0中的相關(guān)位,即為mmu做相應(yīng)設(shè)置。

398行: 函數(shù)返回。

 

5. 開啟mmu

   開啟mmu是由函數(shù) __enable_mmu 實現(xiàn)的.

   在進(jìn)入 __enable_mmu 的時候, r0中已經(jīng)存放了控制寄存器c1的一些配置(在上一步中進(jìn)行的設(shè)置), 但是并沒有真正的打開mmu, 在 __enable_mmu ,我們將打開mmu.

   此時,一些特定寄存器的值如下所示:

r0 = c1 parameters      (用來配置控制寄存器的參數(shù))        

r4 = pgtbl              (page table 的物理基地址)

r8 = machine info       (struct machine_desc的基地址)

r9 = cpu id             (通過cp15協(xié)處理器獲得的cpu id)

r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)

 

在 arch/arm/kernel/head.S :

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

 

146,147定義__enable_mmu函數(shù)。

148--152行:根據(jù)配置使能或禁止地址對齊錯誤檢測。

153--155行:根據(jù)配置使能或禁止數(shù)據(jù)cache。

156--158行:reserved

159--161行:根據(jù)配置使能或禁止指令cache。

162--165行:配置相應(yīng)的訪問權(quán)限并存入r5

166行:把訪問權(quán)限寫入CP15協(xié)處理器。

167行:把頁表地址寫入CP15協(xié)處理器。

168行:跳轉(zhuǎn)到__turn_mmu_on來打開MMU。

 

接下來就是打開MMU了,我們看它的代碼:

 

185cp15的控制寄存器c1, 這里是打開mmu的動作,同時會打開cache(根據(jù)r0相應(yīng)的配置)

186讀取id寄存器.

187 - 188兩個nop. 

189r13pc,我們前面已經(jīng)看到了, r13中存儲的是 __switch_data (arch/arm/kernel/head.S 91),下面會跳到 __switch_data.

187,188行的兩個nop是非常重要的,因為在185行打開mmu 動作之后,要等到3cycle之后才會生效,這和arm的流水線有關(guān)系.

因而,在打開mmu動作之后又加了兩個nop動作.

 

6. 切換數(shù)據(jù)

下面我們就來看__switch_data:

在 arch/arm/kernel/head-common.S :

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: 

14, 15對象定義。

16 - 24為對象里的每個域賦值,例如第16行存儲的是 __mmap_switched 的地址17行存儲的是 __data_loc 的地址 ......

由上面對__switch_data的定義可知,最終調(diào)用的是__mmap_switched

下面我們就來看__mmap_switched:

在 arch/arm/kernel/head-common.S :

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

注意上面這些代碼就已經(jīng)跑在了MMU打開的情況下了。

 

34, 35函數(shù) __mmap_switched的定義。

36取 __switch_data + 4的地址到r3. 從上文可以看到這個地址就是第17行的地址.

38: 依次取出從第17行到第20行的地址,存儲到r4, r5, r6, r7 并且累加r3的值.當(dāng)執(zhí)行完后, r3指向了第21行的位置.

        對照上文,我們可以得知

                r4 - __data_loc

                r5 - __data_start

                r6 - __bss_start

                r7 - _end

這幾個符號都是在 arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S 中定義的變量:

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:         }

    對于這四個變量,我們簡單的介紹一下:

__data_loc 是數(shù)據(jù)存放的位置

__data_start 是數(shù)據(jù)開始的位置

        

__bss_start bss開始的位置

_end bss結(jié)束的位置也是內(nèi)核結(jié)束的位置

        

   其中對第110行的指令講解一下這里定義了.data ,后面的AT(__data_loc) 的意思是這部分的內(nèi)容是在__data_loc中存儲的(要注意,儲存的位置和鏈接的位置是可以不相同的).

   關(guān)于 AT 詳細(xì)的信息請參考 ld.info

 

38比較 __data_loc 和 __data_start

39 - 43這幾行是判斷數(shù)據(jù)存儲的位置和數(shù)據(jù)的開始的位置是否相等,如果不相等,則需要搬運數(shù)據(jù),從 __data_loc 將數(shù)據(jù)搬到 __data_start. 其中 __bss_start bss的開始的位置,也標(biāo)志了 data 結(jié)束的位置,因而用其作為判斷數(shù)據(jù)是否搬運完成.

45 - 48: 是清除 bss 段的內(nèi)容,將其都置成0. 這里使用 _end 來判斷 bss 的結(jié)束位置.

50因為在第38行的時候,r3被更新到指向第21行的位置.因而這里取得r4, r5, r6, sp的值分別是:

        r4 - processor_id

        r5 - __machine_arch_type

        r6 - cr_alignment

        sp - init_thread_union + THREAD_START_SP

    processor_id 和 __machine_arch_type 這兩個變量是在 arch/arm/kernel/setup.c 中 第62, 63行中定義的.

    cr_alignment 是在 arch/arm/kernel/entry-armv.S 中定義的:

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進(jìn)程的基地址在 arch/arm/kernel/init_task.c :

00033: union thread_union init_thread_union

00034:         __attribute__((__section__(".init.task"))) =

00035:                 { INIT_THREAD_INFO(init_task) };        

    對照 vmlnux.lds.S 中的 的117,我們可以知道init task是存放在 .data 段的開始8k, 并且是THREAD_SIZE(8k)對齊的

51r9中存放的 processor id (arch/arm/kernel/head.S 75賦值給變量 processor_id

52r1中存放的 machine id ("啟動條件"一節(jié))賦值給變量 __machine_arch_type

53清除r0中的 CR_A 位并將值存到r4. CR_A 是在 include/asm-arm/system.h 21行定義cp15控制寄存器c1Bit[1](alignment fault enable/disable)

54這一行是存儲控制寄存器的值

    從上面 arch/arm/kernel/entry-armv.S 的代碼我們可以得知.

    這一句是將r0存儲到了 cr_alignment ,r4存儲到了 cr_no_alignment .

55最終跳轉(zhuǎn)到start_kernel

我的總結(jié)

未壓縮的內(nèi)核在Arch/arm/kernel/head.S中的stext開始執(zhí)行

__lookup_processor_type查找放在.proc.info.init中的信息。對于ARM926,放入這個段的信息在arch/arm/mm/proc-arm926.S中定義(__arm926_proc_info

__lookup_machine_type查找放在.arch.info中的信息。對于DAVINCI,在"arch/arm/mach-davinci/board-evm.c"在用MACHINE_START  定義

Stext中:

   ldr     r13, __switch_data              @ address to jump to after

                                                @ mmu has been enabled

        adr     lr, __enable_mmu                @ return (PIC) address

        add     pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

這里的意思:跳到r10+ PROCINFO_INITFUNC這個地址去執(zhí)行。當(dāng)程序運行到這里時,R10存放的是procinfo的基地址, PROCINFO_INITFUNC12r10+ PROCINFO_INITFUNC就是__cpu_flush 函數(shù)的地址.對于 ARM926t 來說,__cpu_flush指向的是函數(shù) __arm926_setup。

執(zhí)行完__cpu_flush后跳到_enable_mmu中,而enable-mmu完成后,跳到_switch_data中執(zhí)行。在__switch_data的最后會調(diào)用start_kernel

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