Exynos4412 内核移植（三）—— 内核启动过程分析

内核启动所用函数如下：

        与移植U-Boot 的过程相似，在移植Linux 之前，先了解它的启动过程。Linux 的过程可以分为两部分：架构/开发板相关的引导过程、后续的通用启动过程。对于uImage、zImage ,它们首先进行自解压得到vmlinux ，然后执行 vmlinux 开始“正常的”启动流程。

       引导阶段通常使用汇编语言编写，它首先检查内核是否支持当前架构的处理器，然后检查是否支持当前开发板。通过检查后，就为调用下一阶段的start_kernel函数作准备了。这主要分如下两个步骤：

1）-- 连接内核时使用的虚拟地址，所以要设置页表、使能MMU；

2）调用C 函数 start_kernel 之前的常规工作，包括复制数据段、清除BSS段、调用start_kernel 函数。

        第二阶段的关键代码主要使用C语言编写。它进行内核初始化的全部工作，最后调用 rest_init 函数启动init 过程，创建系统第一个进程：init 进程。在第二阶段，仍有部分架构/开发板相关的代码，比如重新设置页表、设置系统时钟、初始化串口等。

下面是详细解析：

一、第一阶段

        与Uboot 一样，我们在连接文件中查看函数入口点，内核编译完成后会在arch/arm/kernel/下生成 vmlinux.lds 文件，打开：

        stext 在 linux/arch/arm/kernel/head.S 中被定义，做为函数入口点，linux/arch/arm/kernel/head.S是linux内核映像解压后执行的第一个文件。

代码只是部分，但可以看到这一阶段究竟做了些什么：

a -- 设定为SVC模式，关闭IRQ、FIQ；

b -- 确定CPU的ID号，判定其是否有效；

c -- 确定machine的ID号，检查合法性；

d -- 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性

e -- 创建初始页表

下面对上面遇到的程序段展开分析：

a -- 确保处于SVC模式

这没什么好讲的，就是设置CPSR 模式位，并屏蔽中断；

b -- 检查CPU ID 是否匹配

获取ID并放到 r9 寄存器中，调用_lookup_processor_type 函数, 函数主要用来判定内核是否和当前的CPU匹配，如果不匹配，r5寄存器的值应为0，此时会调用 _error_p函数，它用来打印错误信息，即内核和当前的CPU不匹配，此时内核时不能启动的；如果两者匹配，会返回一个描述处理器结构的地址（在r5寄存器中），然后调用下面的函数。

      下面看_lookup_processor_type 函数，在arch/arm/kernel/head-common.S 中定义：

        上面的代码其实就是一个地址转换过程，因为在判定CPU架构时未开启系统的MMU功能，所以均使用物理地址，而内核代码在连接时是以虚拟地址来实现的，因此要想用proc_info_list 结构体，就要先找到proc_info_list 结构的物理地址，这样必须使用上面的转换代码。

        proc_info_list 结构体很重要。在Linux 内核映像中定义了很多个proc_info_list 结构，该结构表示的是内核所支持的CPU架构，这部分下面会讲到，先分析上面的代码:

153 行：r3 存储的是_lookup_processor_type_data 的物理地址 ;

155 行：得到虚拟地址和物理地址之间的offset;

156 - 157 行：利用offset，将 r5 和 r6 中保存的虚拟地址转变为物理地址，主要是获得_proc_info_begin 及_proc_info_end 的物理地址，分别放到r5 和 r6 中；

159 行：r9 中存放的是先前读出的 processor ID，此处屏蔽不需要的位；

160 行：查看代码和CPU硬件是否匹配，如果匹配就返回，此时 r5 存放的是该CPU类型对应的结构体_proc_info_list 的基地址 ；不成功，则查看下一个 proc_info_list 结构体；

163行：如果直到 _proc_info_end ，都没有匹配，则定为未知CPU，向 r5 赋 0，然后返回 ；

      下面来看看 proc_info_list 结构体 ，这个结构体在 arch/arm/include/asm/procinfo.h 中定义：

对于 Cortex-A9 来说，其结构体在文件 arch/arm/mm/proc-v7.S 中初始化：

       .section ".proc.info.init"表明了该结构在编译后存放的位置。在链接文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds中：

__proc_info_begin = .;

*(.proc.info.init)

__proc_info_end = .;

      上面两个变量 _proc_info_begin  与 _proc_info_end 用于计算 proc_info_list 结构的物理地址。

      如果CPU ID匹配，在编译内核文件时，会编译 proc-v7.S 这个文件，可以在arch/arm/mm/Makefile 中看到这个文件

c -- 检测 机器ID是否匹配

      主要用到_lookup_machine_type 函数，其与_lookup_processor_type 函数实现代码很相似，这里不予阐述；

d -- 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性

        _vet_atags 函数用于检测参数列表atags的合法性

        内核参数链表的格式和说明可以从内核源代码目录树中的 中找到，参数链表必须以ATAG_CORE 开始，以ATAG_NONE结束。这里的 ATAG_CORE，ATAG_NONE是各个参数的标记，本身是一个32位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。其它的参数标记还包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，ATAG_COMDLINE 等。每个参数标记就代表一个参数结构体，由各个参数结构体构成了参数链表。参数结构体的定义如下：

struct tag {
      struct  tag_header  hdr;
      union {
             struct tag_core  core;
       struct tag_mem32   mem;
          struct tag_videotext videotext;
struct tag_ramdisk  ramdisk;
struct tag_initrd     initrd;
          struct tag_serialnr     serialnr;
struct tag_revision  revision;
          struct tag_videolfb  videolfb;
          struct tag_cmdline  cmdline;
 struct tag_acorn       acorn;
struct tag_memclk    memclk;
        } u;
};

参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header结构体,一个是u联合体。

tag_header结构体的定义如下： 
   struct tag_header { 
                 u32 size;   
                 u32 tag; 
}; 

其中 size：表示整个 tag 结构体的大小(用字的个数来表示，而不是字节的个数)，等于tag_header的大小加上 u联合体的大小，例如，参数结构体 ATAG_CORE 的 size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通过函数 tag_size(struct * tag_xxx)来获得每个参数结构体的 size。其中 tag：表示整个 tag 结构体的标记，如：ATAG_CORE等。 

__vet_atags:
tst r2, #0x3 //r2指向该参数链表的起始位置，此处判断它是否字对齐
bne 1f
 
ldr r5, [r2, #0] //获取第一个tag结构的size
//#define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2) 判断该tag的长度是否合法
subs r5, r5, #ATAG_CORE_SIZE
bne 1f
ldr r5, [r2, #4]  //获取第一个tag结构体的标记，
ldr r6, =ATAG_CORE 
cmp r5, r6 //判断第一个tag结构体的标记是不是ATAG_CORE
bne 1f  
 
mov pc, lr //正常退出
 
1: mov r2, #0
mov pc, lr  //参数连表不正确
ENDPROC(__vet_atags)

e -- 创建初始页表

其在下面被执行：

下面是详细分析：

/*
 * Setup the initial page tables.  We only setup the barest
 * amount which are required to get the kernel running, which
 * generally means mapping in the kernel code.
 *
 * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
 *
 * Returns:
 *  r0, r3, r5-r7 corrupted
 *  r4 = page table (see ARCH_PGD_SHIFT in asm/memory.h)
 */
__create_page_tables:
	pgtbl	r4, r8				@ page table address

	/*
	 * Clear the swapper page table
	 */
	mov	r0, r4
	mov	r3, #0
	add	r6, r0, #PG_DIR_SIZE
1:	str	r3, [r0], #4
	str	r3, [r0], #4
	str	r3, [r0], #4
	str	r3, [r0], #4
	teq	r0, r6
	bne	1b

#ifdef CONFIG_ARM_LPAE
	/*
	 * Build the PGD table (first level) to point to the PMD table. A PGD
	 * entry is 64-bit wide.
	 */
	mov	r0, r4
	add	r3, r4, #0x1000			@ first PMD table address
	orr	r3, r3, #3			@ PGD block type
	mov	r6, #4				@ PTRS_PER_PGD
	mov	r7, #1 << (55 - 32)		@ L_PGD_SWAPPER
1:
#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8
	str	r7, [r0], #4			@ set top PGD entry bits
	str	r3, [r0], #4			@ set bottom PGD entry bits
#else
	str	r3, [r0], #4			@ set bottom PGD entry bits
	str	r7, [r0], #4			@ set top PGD entry bits
#endif
	add	r3, r3, #0x1000			@ next PMD table
	subs	r6, r6, #1
	bne	1b

	add	r4, r4, #0x1000			@ point to the PMD tables
#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8
	add	r4, r4, #4			@ we only write the bottom word
#endif
#endif

	ldr	r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags

	/*
	 * Create identity mapping to cater for __enable_mmu.
	 * This identity mapping will be removed by paging_init().
	 */
	adr	r0, __turn_mmu_on_loc
	ldmia	r0, {r3, r5, r6}
	sub	r0, r0, r3			@ virt->phys offset
	add	r5, r5, r0			@ phys __turn_mmu_on
	add	r6, r6, r0			@ phys __turn_mmu_on_end
	mov	r5, r5, lsr #SECTION_SHIFT
	mov	r6, r6, lsr #SECTION_SHIFT

1:	orr	r3, r7, r5, lsl #SECTION_SHIFT	@ flags + kernel base
	str	r3, [r4, r5, lsl #PMD_ORDER]	@ identity mapping
	cmp	r5, r6
	addlo	r5, r5, #1			@ next section
	blo	1b

	/*
	 * Map our RAM from the start to the end of the kernel .bss section.
	 */
	add	r0, r4, #PAGE_OFFSET >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
	ldr	r6, =(_end - 1)
	orr	r3, r8, r7
	add	r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
1:	str	r3, [r0], #1 << PMD_ORDER
	add	r3, r3, #1 << SECTION_SHIFT
	cmp	r0, r6
	bls	1b

#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
	/*
	 * Map the kernel image separately as it is not located in RAM.
	 */
#define XIP_START XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR)
	mov	r3, pc
	mov	r3, r3, lsr #SECTION_SHIFT
	orr	r3, r7, r3, lsl #SECTION_SHIFT
	add	r0, r4,  #(XIP_START & 0xff000000) >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
	str	r3, [r0, #((XIP_START & 0x00f00000) >> SECTION_SHIFT) << PMD_ORDER]!
	ldr	r6, =(_edata_loc - 1)
	add	r0, r0, #1 << PMD_ORDER
	add	r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
1:	cmp	r0, r6
	add	r3, r3, #1 << SECTION_SHIFT
	strls	r3, [r0], #1 << PMD_ORDER
	bls	1b
#endif

	/*
	 * Then map boot params address in r2 if specified.
	 * We map 2 sections in case the ATAGs/DTB crosses a section boundary.
	 */
	mov	r0, r2, lsr #SECTION_SHIFT
	movs	r0, r0, lsl #SECTION_SHIFT
	subne	r3, r0, r8
	addne	r3, r3, #PAGE_OFFSET
	addne	r3, r4, r3, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
	orrne	r6, r7, r0
	strne	r6, [r3], #1 << PMD_ORDER
	addne	r6, r6, #1 << SECTION_SHIFT
	strne	r6, [r3]

#if defined(CONFIG_ARM_LPAE) && defined(CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8)
	sub	r4, r4, #4			@ Fixup page table pointer
						@ for 64-bit descriptors
#endif

#ifdef CONFIG_DEBUG_LL
#if !defined(CONFIG_DEBUG_ICEDCC) && !defined(CONFIG_DEBUG_SEMIHOSTING)
	/*
	 * Map in IO space for serial debugging.
	 * This allows debug messages to be output
	 * via a serial console before paging_init.
	 */
	addruart r7, r3, r0

	mov	r3, r3, lsr #SECTION_SHIFT
	mov	r3, r3, lsl #PMD_ORDER

	add	r0, r4, r3
	mov	r3, r7, lsr #SECTION_SHIFT
	ldr	r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags
	orr	r3, r7, r3, lsl #SECTION_SHIFT
#ifdef CONFIG_ARM_LPAE
	mov	r7, #1 << (54 - 32)		@ XN
#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8
	str	r7, [r0], #4
	str	r3, [r0], #4
#else
	str	r3, [r0], #4
	str	r7, [r0], #4
#endif
#else
	orr	r3, r3, #PMD_SECT_XN
	str	r3, [r0], #4
#endif

#else /* CONFIG_DEBUG_ICEDCC || CONFIG_DEBUG_SEMIHOSTING */
	/* we don't need any serial debugging mappings */
	ldr	r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags
#endif

#if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)
	/*
	 * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map
	 * in the 16550-type serial port for the debug messages
	 */
	add	r0, r4, #0xff000000 >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
	orr	r3, r7, #0x7c000000
	str	r3, [r0]
#endif
#ifdef CONFIG_ARCH_RPC
	/*
	 * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE
	 * Similar reasons here - for debug.  This is
	 * only for Acorn RiscPC architectures.
	 */
	add	r0, r4, #0x02000000 >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
	orr	r3, r7, #0x02000000
	str	r3, [r0]
	add	r0, r4, #0xd8000000 >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)
	str	r3, [r0]
#endif
#endif
#ifdef CONFIG_ARM_LPAE
	sub	r4, r4, #0x1000		@ point to the PGD table
	mov	r4, r4, lsr #ARCH_PGD_SHIFT
#endif
	mov	pc, lr
ENDPROC(__create_page_tables)

f -- 使能MMU，跳转到start_kernel

文件linux/arch/arm/kernel/head.S中

文件linux/arch/arm/kernel/head.S中

在前面有过这样的指令操作ldr r13, __switch_data ，

mov pc, r13 就是将跳转到__switch_data处。

在文件linux/arch/arm/kernel/head-common.S中：

.type __switch_data, %object  //定义一个对象
__switch_data:
.long __mmap_switched  //由此可知上面程序将跳转到该程序段处。
.long __data_loc @ r4
.long _data @ r5
.long __bss_start @ r6
.long _end @ r7
.long processor_id @ r4
.long __machine_arch_type @ r5
.long __atags_pointer @ r6
.long cr_alignment @ r7
.long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp
 
 
 . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;
 #else
 . = ALIGN(THREAD_SIZE);
 __data_loc = .;
 #endif
 
 .data : AT(__data_loc) {  //此处数据存储在上面__data_loc处。
 _data = .;
 
 *(.data.init_task)
…………………………
 
.bss : {
__bss_start = .;
*(.bss)
*(COMMON)
_end = .;
}
………………………………
｝
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,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
*/
 
__mmap_switched:
adr r3, __switch_data + 4
 
ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}  
cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
1: cmpne r5, r6  //将 __data_loc处数据搬移到_data处
ldrne fp, [r4], #4
strne fp, [r5], #4
bne 1b
 
mov fp, #0 //清除BSS段内容
1: cmp r6, r7    
strcc fp, [r6],#4
bcc 1b
 
ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp}
str r9, [r4] @ Save processor ID
str r1, [r5] @ Save machine type
str r2, [r6] @ Save atags pointer
bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit
stmia r7, {r0, r4} @ Save control register values
b start_kernel  //程序跳转到函数start_kernel进入C语言部分。
ENDPROC(__mmap_switched)