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[kernel 启动流程]系列：
[kernel 启动流程] 前篇——vmlinux.lds分析
[kernel 启动流程] （第一章）概述
[kernel 启动流程] （第二章）第一阶段之——设置SVC、关闭中断
[kernel 启动流程] （第三章）第一阶段之——proc info的获取
[kernel 启动流程] （第四章）第一阶段之——dtb的验证
[kernel 启动流程] （第五章）第一阶段之——临时内核页表的创建
[kernel 启动流程] （第六章）第一阶段之——打开MMU
[kernel 启动流程] （第七章）第一阶段之——跳转到start_kernel
建议参考文档：
ARMV7官方数据手册
ARM的CP15协处理器的寄存器
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零、说明
本文是《[kernel 启动流程] （第一章）概述》的延伸，
阅读本文前建议先阅读《[kernel 启动流程] （第一章）概述》
1、kernel启动流程第一阶段简单说明
arch/arm/kernel/head.S
kernel入口地址对应stext
ENTRY(stext)
1
第一阶段要做的事情，也就是stext的实现内容
设置为SVC模式，关闭所有中断
获取CPU ID，提取相应的proc info
验证tags或者dtb
创建临时内核页表的页表项
配置r13寄存器，也就是设置打开MMU之后要跳转到的函数。
使能MMU
跳转到start_kernel，也就是跳转到第二阶段
本文要介绍的是“使能MMU”的部分。
2、疑问
主要带着以下几个问题去理解
如何打开MMU？
打开MMU前的一些寄存器设置？
一、MMU控制
MMU的配置操作都是通过操作CP15协处理器来实现的。
1、CP15协处理器寄存器说明
寄存器说明请参考《ARM的CP15协处理器的寄存器》。
表格如下
寄存器编号 基本作用 在 MMU 中的作用 在 PU 中的作用
c0 ID 编码（只读） ID 编码和 cache 类型
c1 控制位（可读写） 各种控制位
c2 存储保护和控制 地址转换表基地址 Cachability 的控制位
c3 存储保护和控制 域访问控制位 Bufferablity 控制位
c4 存储保护和控制 保留 保留
c5 存储保护和控制 内存失效状态 访问权限控制位
c6 存储保护和控制 内存失效地址 保护区域控制
c7 高速缓存和写缓存 高速缓存和写缓存控制
c8 存储保护和控制 TLB 控制 保留
c9 高速缓存和写缓存 高速缓存锁定
c10 存储保护和控制 TLB 锁定 保留
c11 保留
重点从MMU的功能方面说明如下几个寄存器
（1）c1，MMU的控制寄存器
bit 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
flag L4 R V I Z F R S B L D P W C A M
具体意义如下：
位 说 明
M 0：禁止 MMU 或者 PU； 1：使能 MMU 或者 PU
A 0：禁止地址对齐检查； 1：使能地址对齐检查
C 0：禁止数据/整个 cache； 1：使能数据/整个 cache
W 0：禁止写缓冲； 1：使能写缓冲
P 0：异常中断处理程序进入 32 位地址模式； 1：异常中断处理程序进入 26 位地址模式
D 0：禁止 26 位地址异常检查； 1：使能 26 位地址异常检查
L 0：选择早期中止模型； 1：选择后期中止模型
B 0： little endian； 1： big endian
S 在基于 MMU 的存储系统中，本位用作系统保护
R 在基于 MMU 的存储系统中，本位用作 ROM 保护
F 0：由生产商定义
Z 0：禁止跳转预测功能； 1：使能跳转预测指令
I 0：禁止指令 cache； 1：使能指令 cache
V 0：选择低端异常中断向量 0x0~0x1c； 1：选择高端异常中断向量 0xffff0000~ 0xffff001c
通过上述可知，c1的bit 0位用于控制MMU的开关。
其实这点在《[kernel 启动流程] （第一章）概述》里面也说明过了。
（2）c2，MMU页表基地址存储器
bit 功能
31:0 一级映射描述符表的基地址（物理地址）
（3）c3， 定义了 ARM 处理器的 16 个域的访问权限
每两bit定义了一个位域
bit 31:30 29:28 27:26 25:24 23:22 21:20 19:18 17:16 15:14 13:12 11:10 9:8 7:6 5:4 3:2 1:0
位域 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
其中D0对应DOMAIN_KERNEL，D1对应DOMAIN_USER，D2对应DOMAIN_IO（有可能是反的）
对应权限如下
#define DOMAIN_NOACCESS 0
#define DOMAIN_CLIENT 1
#ifdef CONFIG_CPU_USE_DOMAINS
#define DOMAIN_MANAGER 3
#else
#define DOMAIN_MANAGER 1
#endif
这里对这个寄存器暂时先了解这些。
2、打开MMU之前要配置的cp15的寄存器
通过上面1分析，我们知道c1-c10都要进行设置，但我们这里只关注c2和c3
c2，MMU页表基地址存储器
因此，我们需要先将页表物理地址写入到c2寄存器中
c3，定义了 ARM 处理器的 16 个域的访问权限
需要在这个寄存器中写入位域相应的权限，否则可能导致无法访问。
3、如何打开MMU
经过前面分析，我们知道c1作为MMU的控制器，并且其bit0用于控制MMU的开关。
因此，只需要将c1的BIT 0设置为1，就可以打开MMU了。
二、代码分析
1、整体入口代码分析
ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after
@ mmu has been enabled
@ 把__mmap_switched函数的地址放在寄存器
@ __mmap_switched实现了打开MMU之后跳转到start_kernel。
badr lr, 1f @ return (PIC) address
@ 把“b __enable_mmu”这条指令的地址放在lr中
@ 当lr寄存器，简单说，就是存储了调用子程序后返回的指令地址
mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
@ 把临时内核页表的地址放在r8寄存器中
ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]
@ 把cpu对应proc info中的__cpu_flush存放到r12寄存器中
@ 通过《[kernel 启动流程] （第三章）第一阶段之——proc info的获取》，我们知道这个__cpu_flush成员存放的是cpu对应架构的setup函数的地址
@ 对于s5pv210来说，这个值就是__v7_setup的连接地址。
add r12, r12, r10
ret r12
@ 这里实现为跳转到__v7_setup的物理地址上，也就是调用__v7_setup，具体怎么实现我也看不懂，希望有高人赐教下。
1: b __enable_mmu
@ 跳转到__enable_mmu
至此，我们跳转到__v7_setup中了，并且
r13存放了__mmap_switched的地址
lr存放了“b __enable_mmu”这条指令的地址
2、__v7_setup分析
__v7_setup实现如下
arch/arm/mm/proc-v7.S
__v7_setup:
adr r0, __v7_setup_stack_ptr
ldr r12, [r0]
add r12, r12, r0 @ the local stack
stmia r12, {r1-r6, lr} @ v7_invalidate_l1 touches r0-r6
bl v7_invalidate_l1
ldmia r12, {r1-r6, lr}
__v7_setup_cont:
and r0, r9, #0xff000000 @ ARM?
teq r0, #0x41000000
bne __errata_finish
and r3, r9, #0x00f00000 @ variant
and r6, r9, #0x0000000f @ revision
orr r6, r6, r3, lsr #20-4 @ combine variant and revision
ubfx r0, r9, #4, #12 @ primary part number
/* Cortex-A8 Errata */
ldr r10, =0x00000c08 @ Cortex-A8 primary part number
teq r0, r10
beq __ca8_errata
/* Cortex-A9 Errata */
ldr r10, =0x00000c09 @ Cortex-A9 primary part number
teq r0, r10
beq __ca9_errata
/* Cortex-A15 Errata */
ldr r10, =0x00000c0f @ Cortex-A15 primary part number
teq r0, r10
beq __ca15_errata
__errata_finish:
mov r10, #0
mcr p15, 0, r10, c7, c5, 0 @ I+BTB cache invalidate
#ifdef CONFIG_MMU
mcr p15, 0, r10, c8, c7, 0 @ invalidate I + D TLBs
v7_ttb_setup r10, r4, r5, r8, r3 @ TTBCR, TTBRx setup
ldr r3, =PRRR @ PRRR
ldr r6, =NMRR @ NMRR
mcr p15, 0, r3, c10, c2, 0 @ write PRRR
mcr p15, 0, r6, c10, c2, 1 @ write NMRR
#endif
dsb @ Complete invalidations
#ifndef CONFIG_ARM_THUMBEE
mrc p15, 0, r0, c0, c1, 0 @ read ID_PFR0 for ThumbEE
and r0, r0, #(0xf << 12) @ ThumbEE enabled field
teq r0, #(1 << 12) @ check if ThumbEE is present
bne 1f
mov r3, #0
mcr p14, 6, r3, c1, c0, 0 @ Initialize TEEHBR to 0
mrc p14, 6, r0, c0, c0, 0 @ load TEECR
orr r0, r0, #1 @ set the 1st bit in order to
mcr p14, 6, r0, c0, c0, 0 @ stop userspace TEEHBR access
1:
#endif
adr r3, v7_crval
ldmia r3, {r3, r6}
ARM_BE8(orr r6, r6, #1 << 25) @ big-endian page tables
#ifdef CONFIG_SWP_EMULATE
orr r3, r3, #(1 << 10) @ set SW bit in "clear"
bic r6, r6, #(1 << 10) @ clear it in "mmuset"
#endif
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control register
bic r0, r0, r3 @ clear bits them
orr r0, r0, r6 @ set them
THUMB( orr r0, r0, #1 << 30 ) @ Thumb exceptions
ret lr @ return to head.S:__ret
.align 2
__v7_setup_stack_ptr:
.word PHYS_RELATIVE(__v7_setup_stack, .)
ENDPROC(__v7_setup)
主要是armv7打开MMU前的一些架构性的准备动作，比较复杂，我也看不太懂。
主要关注最后的部分。
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control register
@ 通过如上指令，将cp15协处理器的c1寄存器的值读写到r0寄存器中
@ 如前面所说，c1寄存器就是MMU的控制器寄存器
bic r0, r0, r3 @ clear bits them
orr r0, r0, r6 @ set them
THUMB( orr r0, r0, #1 << 30 ) @ Thumb exceptions
@ 根据前面armv7的一些计算结果，清除和设置要写入MMU控制器的值(r0)的某些位。
@ 注意，虽然前面代码没有分析，但是可以确认的是，bit0是被置位为1的，也就enable_mmu bit为1.
@ 这样才能打开MMU功能。
ret lr @ return to head.S:__ret
@ 因为前面在进入__v7_setup之前，设置了badr lr, 1f
@ 1: b __enable_mmu
@ 所以在这里会跳转到__enable_mmu中
至此，r0上已经存放了初步设置完的、准备写入cp15协处理器的c1寄存器的值。
并且跳转到了__enable_mmu中。
后续在__enable_mmu中对r0进行进一步的设置。
2、__enable_mmu代码分析
经过《[kernel 启动流程] （第五章）第一阶段之——临时内核页表的创建》，我们知道临时内核页表被放到了r4上。
经过前面的分析，我们知道r0上已经存放了初步设置完的、准备写入cp15协处理器的c1寄存器的值。
参考<一、2>，这里主要做的动作是：
需要先将页表物理地址写入到cp15的c2寄存器中
需要在cp15的c3寄存器中写入位域相应的权限
配置cp15的c1寄存器，用来控制MMU的相应功能
对应代码如下：
（具体寄存器和位的意义参考第一节）
__enable_mmu:
#if defined(CONFIG_ALIGNMENT_TRAP) && __LINUX_ARM_ARCH__ < 6
orr r0, r0, #CR_A
#else
bic r0, r0, #CR_A
#endif
@ 配置MMU的地址对齐检查是否使能，也就是c1的bit 1位，先暂存在r0中。
#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE
bic r0, r0, #CR_C
#endif
@ 配置数据/整个 cache是否打开，也就是c1的bit 2位，先暂存在r0中。
#ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
bic r0, r0, #CR_Z
#endif
@ 配置跳转预测功能是否使能，也就是c1的bit 11位，先暂存在r0中。
#ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE
bic r0, r0, #CR_I
#endif
@ 配置指令 cache是否使能，也就是c1的bit 12位，先暂存在r0中。
#ifdef CONFIG_ARM_LPAE
mcrr p15, 0, r4, r5, c2 @ load TTBR0
#else
mov r5, #DACR_INIT
@ 设置位域权限，先存放到r5中。
mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register
@ 将位域访问权限写入cp15的c3寄存器中，理由第一节已经说明了
mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer
@ 将页表物理地址写入cp15的c2寄存器中，理由第一节已经说明了
#endif
b __turn_mmu_on
@ 跳转到__turn_mmu_on中
ENDPROC(__enable_mmu)
至此，MMU打开前的准备动作已经完成，但是还没有写入MMU的控制寄存器c1，也就是说MMU还没有打开。
最终跳转到__turn_mmu_on中做MMU打开的动作，主要的目标也就是向cp15的c1进行写入。
2、__turn_mmu_on代码分析
__turn_mmu_on是真正做MMU打开的动作。打开之后，CPU会把所有地址都当作虚拟地址处理。
但是因为在前面已经对__turn_mmu_on的代码区域进行恒等映射，所以无需担心打开MMU之后程序跑飞的问题。
具体参考《[kernel 启动流程] （第五章）第一阶段之——临时内核页表的创建》。
前面已经说明，r0上已经存放了设置完成、准备写入cp15协处理器的c1寄存器的值。
__turn_mmu_on的主要动作就是向cp15的c1寄存器写入r0上的值。
具体代码如下：
ENTRY(__turn_mmu_on)
mov r0, r0
instr_sync
@ 前面是一些同步操作，具体还没有完全搞清楚
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg
@ 这里就是这段代码的核心，也就是把r0的值写入到c1中，这时候，MMU就已经打开了
mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg
instr_sync
mov r3, r3
@ 前面是一些同步操作，具体还没有完全搞清楚
mov r3, r13
ret r3
@ 这里会跳转到__mmap_switched中。
@ 因为前面在代码入口有如下指令“ldr r13, =__mmap_switched”，所以r13存放的是__mmap_switched
@ __mmap_switched主要实现start_kernel的动作，下一篇会说明
__turn_mmu_on_end:
ENDPROC(__turn_mmu_on)
通过上述，MMU已经打开完成，并且跳转到了__mmap_switched中。也就是我们下一章要说明的内容。
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