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