arm-linux启动过程
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: /* 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.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: /* 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(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 (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, ucset 00054: #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