ARM LINUX内核初始化分析

转载 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(Instrtion 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      incl?/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      incl?/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 strture 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 val.      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strt 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:         s        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}                        @ val, 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 incl?/asm-arm/procinfo.h and arch/arm/kernel/arch.[ch] for 00174:  * more information about the __proc_info and __arch_info strtures. 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strt proc_info_list来描述processor type.                 在 incl?/asm-arm/procinfo.h 中:         00029: strt 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:         strt processor        *proc;         00040:         strt cpu_tlb_fns        *tlb;         00041:         strt cpu_user_fns        *user;         00042:         strt 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_B?RABLE | \         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strt 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strt 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strt 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:         s        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strt machine_desc 来描述 machine type.         在 incl?/asm-arm/mach/arch.h 中:         00017: strt 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)(strt machine_desc *,         00038:                                          strt tag *, char **,         00039:                                          strt meminfo *);         00040:         void                        (*map_io)(void);/* IO mapping function        */         00041:         void                        (*init_irq)(void);         00042:         strt 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 strt 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 strt 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strt 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 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       (strt machine_desc的基地址) r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id) r10 = procinfo          (strt 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_MMLAGS] @ mm_mmlags 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:         ss        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inc?/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_MMLAGS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       (strt machine_desc的基地址) r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id) r10 = procinfo          (strt 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 Writeb?r, 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 b?r 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, set=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)Instrtion Cache 和 Data Cache. 第395行: 清除(drain) Write B?r. 第396 - 398行: 如果有配置了MMU,则需要清除(invalidate)Instrtion 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, set         00054: #ifdef CONFIG_MMU         00055:         .word        \clear         00056:         .word        \mmuset         00057: #else         00058:         .word        \clear         00059:         .word        \set         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       (strt machine_desc的基地址) r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id) r10 = procinfo          (strt 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 strture 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 = *virt l* 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.