ARM linux kernel从入口到start_kernel代码分析 -- 只到machine type选中为止

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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:

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:
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:
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;

00033:  unsigned
long __cpu_io_mmu_flags;

00034:  unsigned
long __cpu_flush;

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: 
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:

00022:  unsigned
int nr;

00023:  unsigned
int phys_io;

00024:  unsigned
int io_pg_offst;

00026:
00027:  const
char *name;

00028:  unsigned
long boot_params;

00029:
00030:  unsigned
int video_start;

00031:  unsigned
int video_end;

00032:
00033:  unsigned
int reserve_lp0
:1;
00034:  unsigned
int reserve_lp1
:1;
00035:  unsigned
int reserve_lp2
:1;
00036:  unsigned
int soft_reboot
:1;
00037:
void (*fixup)(struct machine_desc
*,
00038:
struct tag *, char
**,
00039:
struct meminfo
*);
00040:
void (*map_io)(void);

00041:
void (*init_irq)(void);

00042:  struct
sys_timer *timer;

00043:
void (*init_machine)(void);

00044: };

00045:

00046:
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:

00139:
.phys_io =
AT91_BASE_SYS,
00140:
.io_pg_offst = (AT91_VA_BASE_SYS >> 18) &
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