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 & 0x00f00000) >> 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])0x00f00000*/           
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