[装载]ARM Linux内核启动过程
注: 本文转自ChinaUnix 作者为XPL.
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).
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 : /*
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 structure 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 value.
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 : /*
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.00029 : struct proc_info_list {在 include/asm-arm/procinfo.h 中:
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 typearch/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 : /*
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
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 : /*
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 )( struct machine_desc *,
00038 : struct tag *, char **,
00039 : struct meminfo *);
00040 : void (* map_io )( void ); /* IO mapping function */
00041 : void (* init_irq )( void );
00042 : struct 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 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 : /* 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 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
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+ 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(Bit31:24)0xff000000,然后再取后面的8位 (Bit23:20)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
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 , ucset00054 : #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 Bit16
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Bit1(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
FIN