linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析

linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析

本文的很多内容是参考了网上某位大侠的文章写的<<>>，有些东西是直接从他那copy过来的。

最近分析了一下u-boot的源码，并写了分文档， 为了能够衔接那篇文章，这次又把arm linux的启动代码大致分析了一下，特此写下了这篇文档。一来是大家可以看看u-boot到底是如何具体跳转到linux下跑的，二来也为自己更深入的学习linux kernel打下基础。

本文以arm 版的linux为例, 从kernel的第一条指令开始分析,一直分析到进入start_kernel()函数，也就是kernel启动的汇编部分，我们把它称之为第一部分， 以后有时间在把启动的第二部分在分析一下。我们当前以linux- 2.6.18 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讲解。

由于启动部分有一些代码是平台相关的,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smdk2410平台, CPU是s3c2410(arm核是arm920T)进行分析。
   另外,本文是以未压缩的kernel来分析的.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
    通常从系统上电执行的boot loader的代码， 而要从boot loader跳转到linux kernel的第一条指令处执行需要一些特定的条件。关于对boot loader的分析请看我的另一篇文档u-boot源码分析。
    这里讨论下进入到linux kernel时必须具备的一些条件,这一般是boot loader在跳转到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, 此时虚拟地址就是物理地址;
   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)。

   更详细的关于启动arm linux之前要做哪些准备工作可以参考,“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 +131	0x00008000	内核在RAM中起始位置相对于 RAM起始地址的偏移
TEXTADDR	arch/arm/kernel/head.S +49	0xc0008000	kernel的起始虚拟地址
PHYS_OFFSET	include/asm-arm/arch- *** /memory.h	平台相关	RAM的起始物理地址，对于s3c2410来说在include/asm-arm/arch-s3c2410/memory.h下定义，值为0x30000000(ram接在片选6上)

 

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             

 

在进入linux kernel前要确保在管理模式下，并且IRQ,FIQ都是关闭的，因此在00073行就是要确保这几个条件成立。

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，也可直接参考s3c2410的data sheet。
76行: 跳转到__lookup_processor_type.在__lookup_processor_type中,会把找到匹配的processor type 对象存储在r5中。
77,78行: 判断r5中的processor type是否是0,如果是0,说明系统中没找到匹配当前processor type的对象， 则跳转到__error_p(出错)。系统中会预先定义本系统支持的processor type 对象集。
    __lookup_processor_type 函数主要是根据从cpu中获得的processor id和系统中预先定义的本系统能支持的proc_info集进行匹配,看系统能否支持当前的processor, 并将匹配到的proc_info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.

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;        /* 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s3c2410为例,其processor是920t的.

在arch/arm/mm/proc-arm920.S 中:

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

 

从448行,我们可以看到 __arm920_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464行,即__arm920_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.)

我们继续分析__lookup_processor_type

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

到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

继续分析head.S,确定了processor type之后，就要确定machine type了

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, 和proc_info一样，在系统中也预先定义好了本系统能支持的machine type集， 在__lookup_machine_type中,就是要查找系统中是否有对当前machine type的支持， 如果查找到则会把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

实际上上面这段代码的原理和确定processor type的原理是一样的。

 

内核中,一般使用宏MACHINE_START来定义machine type。

对于smdk2410来说, 在 arch/arm/mach-s3c2410/Mach-smdk2410.c 中:
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处的地址存入r3中，3b处的地址就是178行处的地址。

196行: 把3b处开始的连续地址即3b处的地址，__arch_info_begin，__arch_info_end依次存入r4,r5,r6.
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: 如果不匹配, 则取下一个machine_desc的地址
204行: 和r6进行比较,检查是否到了__arch_info_end.
205行: 如果没到尾,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

继续分析head.S,确定了processor type和 machine type之后，就是创建页表。

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ARM920,其L1 section entry的格式为可参考arm920t TRM):

它的地址翻译过程如下：

 

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. 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 & 0x 00f 00000) >> 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基址(从上面的图可以看出),并存储到r6中.因为当前是通过运行时地址得到的kernel的section地址,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当前运行的section(物理地址所在的page entry)的页表项
241--248行: TEXTADDR是内核的起始虚拟地址(0xc0008000), 这几行是设置kernel起始4M虚拟地址的页表项(个人觉得242行设置的页表项和上面233行设置的页表项是同一个，因为r3没有变，就是kernel头1M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])0x 00f 00000*/           
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       (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. 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 ARM920t 来说,其__cpu_flush指向的是函数 __arm920_setup

 

下面我们来分析函数 __arm920_setup        

在 arch/arm/mm/proc-arm920.S 中:

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行: 定义__arm920_setup函数。

387行： 设置r0为0。

388行： 使数据cahche, 指令cache无效。

389行： 使write buffer无效。

391行： 使数据TLB,指令TLB无效。

393行： 获取arm920_crval的地址，并存入r5。

394行： 获取arm920_crval地址处的连续8字节分别存入r5,r6。

arm920_crval在arch/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： 获取CP15下控制寄存器的值，并存入r0。

396行： 通过查看arm920_crval的值可知该行是清除r0中相关位，为以后对这些位的赋值做准备。

397行： 设置r0中的相关位，即为mmu做相应设置。

398行： 函数返回。

 

5. 开启mmu
   开启mmu是由函数 __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

 

146，147行: 定义__enable_mmu函数。

148--152行：根据配置使能或禁止地址对齐错误检测。

153--155行：根据配置使能或禁止数据cache。

156--158行：reserved。

159--161行：根据配置使能或禁止指令cache。

162--165行：配置相应的访问权限并存入r5。

166行：把访问权限写入CP15协处理器。

167行：把页表地址写入CP15协处理器。

168行：跳转到__turn_mmu_on来打开MMU。

 

接下来就是打开MMU了，我们看它的代码：

 

第185行: 写cp15的控制寄存器c1, 这里是打开mmu的动作,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 动作之后,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动作之后又加了两个nop动作.

 

6. 切换数据

下面我们就来看__switch_data:

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:

第14, 15行: 对象定义。
第16 - 24行: 为对象里的每个域赋值，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 ......

由上面对__switch_data的定义可知，最终调用的是__mmap_switched

下面我们就来看__mmap_switched:

在 arch/arm/kernel/head-common.S 中:
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

注意上面这些代码就已经跑在了MMU打开的情况下了。

 

第34, 35行: 函数 __mmap_switched的定义。
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38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Bit[1](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