arm linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析

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.

1. 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。

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:

CPU必须处于SVC(supervisor)模式,并且IRQ和FIQ中断都是禁止的;
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;
数据cache(Data cache)必须是关闭的
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;
CPU 通用寄存器0 (r0)必须是 0;
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)
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

2. 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 <!--[if !supportLineBreakNewLine]--> <!--[endif]-->
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
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:

确定 processor type　　(75 - 78行)
确定 machine type　　(79 - 81行)
创建页表　　(82行)
调用平台特定的__cpu_flush函数　　(在struct proc_info_list中) (94 行)
开启mmu　　(93行)
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.

2.1 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

2.2 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 >> 18) & 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

2.3 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ARM926,其L1 section entry的格式如下图，可参考arm926EJS TRM:

arm linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析

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 @/*内核所在内存段开始地址(物理地址)在页表中的索引号(当前地址的前12位)->r6*/

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 @/*内核入口处的虚拟地址所处的段开始地址对齐到16字节边界处(为内核区域分配了4个表项),右移20位得到对应的地址在页表中的索引号,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　*每个表项占4个字位,左移2位(索引号x4)即共右移18位,得到表项距页表开始地址(r4)的总字节数,和r4相加就是这个页表项的物理地址.这个地址存入r0中.*/

00240:    str r3, [r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18]!　　@/*前面r3的描述符内容存入内核入口地址对应的表项(这里就是4个表项的第一个表项.因为TEXTADDR=0XC00--)*/

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[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.

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:

2.4 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 Bit[16]

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

2.5 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ICache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:

arm linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析

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.

2.6 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

本文转自：http://bbs.chinaunix.net/thread-2039668-1-1.html

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arm linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析

1. 启动条件

2. starting kernel

2.1 确定processor type

2.2 确定machine type

2.3 创建页表

2.4 调用平台特定的 __cpu_flush 函数

2.5 开启mmu

2.6 切换数据

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