低温linux内核启动readl,linux内核启动第一阶段分析-2.6.36

linux内核启动第一阶段分析

http://blog.csdn.net/aaronychen/article/details/2838341

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。

本文从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。当前以linux-3.0内核版本来分析,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(内存单元)必须是关闭的,此时地址就是物理地址;

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)：

TEXT_OFFSET 内核在RAM中的起始位置相对于RAM起始地址偏移。值为0x00008000

./arch/arm/Makefile

118 textofs-y := 0x00008000

222 TEXT_OFFSET := $(textofs-y)

PAGE_OFFSE 内核镜像起始虚拟地址。值为0xC0000000

/arch/arm/configs/s3c2410_defconfig

CONFIG_PAGE_OFFSET=0xC0000000

./arch/arm/include/asm/memory.h

34 #define PAGE_OFFSET UL(CONFIG_PAGE_OFFSET)

PHYS_OFFSET RAM启始物理地址，对于2410来说值为0x30000000，RAM接在片选6上

arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/memory.h

from arch/arm/mach-rpc/include/mach/memory.h

#define PHYS_OFFSET UL(0x30000000)

KERNEL_RAM_VADDR 内核在RAM中的虚拟地址。值为0xC0008000

KERNEL_RAM_PADDR 内核在RAM中的物理地址。值为0x30008000

arch/arm/kernel/head.S

29 #define KERNEL_RAM_VADDR (PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)

30 #define KERNEL_RAM_PADDR (PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET)

PLAT_PHYS_OFFSET arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/memory.h值为0x30000000

arm linux boot的主线可以概括为以下几个步骤:

1. 确定 processor type

2. 确定 machine type

3.检查参数合法性

4. 创建页表

5. 调用平台特定的__cpu_flush函数 (在struct proc_info_list中)

6. 开启mmu

7. 切换数据

最终跳转到start_kernel (在__switch_data的结束的时候,调用了 b start_kernel)

内核的入口是stext,这是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定义的:

31 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77 - 101行,是arm linux boot的主代码:

arch/arm/kernel/head.S

77 __HEAD

78 ENTRY(stext)

79 setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ 确保进入管理(svc)模式

80 @ 并且禁止中断

81 mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ 读取CPU ID，存入r9寄存器

82 bl __lookup_processor_type @ 调用函数，输入参数r9=cpuid，

@ 返回值r5=procinfo

83 movs r10, r5 @ 如果不支持当前CPU，则返回 (r5=0),/*判断如果r10的值为0，跳转到出错处理，*/

84 beq __error_p @ yes, error 'p'

//查询machine ID并检查合法性

85 bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo

86 movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?

87 beq __error_a @ yes, error 'a'

88 bl __vet_atags //检查bootloader传入的参数列表atags的合法性

89 bl __create_page_tables //创建初始页表

91 /*

92 * The following calls CPU specific code in a position independent

93 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of

94 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type

95 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be

96 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.

97 */

98 ldr r13, __switch_data @ address to jump to after //将列表__switch_data存到r13中后面会跳到该列表出

99 @ mmu has been enabled

100 adr lr, BSYM(__enable_mmu) @ return (PIC) address//将程序段__enable_mmu的地址存到lr中。此命令将导致程序段__arm920_setup的执行，后面会将到。

101 ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )//r10中存放的基地址是从__lookup_processor_type中得到的，如上面movs r10, r5

102 THUMB( add r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC )

103 THUMB( mov pc, r12 )

104 ENDPROC(stext)

76 __error_p:

77 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL

78 adr r0, str_p1

79 bl printascii

80 mov r0, r9

81 bl printhex8

82 adr r0, str_p2

83 bl printascii

84 b __error

85 str_p1: .asciz "\nError: unrecognized/unsupported processor variant (0x"

86 str_p2: .asciz ").\n"

87 .align

88 #endif

89 ENDPROC(__error_p)

91 __error_a:

92 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL

93 mov r4, r1 @ preserve machine ID

94 adr r0, str_a1

95 bl printascii

96 mov r0, r4

97 bl printhex8

98 adr r0, str_a2

99 bl printascii

100 adr r3, 4f

101 ldmia r3, {r4, r5, r6} @ get machine desc list

102 sub r4, r3, r4 @ get offset between virt&phys

103 add r5, r5, r4 @ convert virt addresses to

104 add r6, r6, r4 @ physical address space

105 1: ldr r0, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type

106 bl printhex8

107 mov r0, #'\t'

108 bl printch

109 ldr r0, [r5, #MACHINFO_NAME] @ get machine name

110 add r0, r0, r4

111 bl printascii

112 mov r0, #'\n'

113 bl printch

114 add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc

115 cmp r5, r6

116 blo 1b

117 adr r0, str_a3

118 bl printascii

119 b __error

120 ENDPROC(__error_a)

121

122 str_a1: .asciz "\nError: unrecognized/unsupported machine ID (r1 = 0x"

123 str_a2: .asciz ").\n\nAvailable machine support:\n\nID (hex)\tNAME\n"

124 str_a3: .asciz "\nPlease check your kernel config and/or bootloader.\n"

125 .align

126 #endif

128 __error:

129 #ifdef CONFIG_ARCH_RPC

130 /*

131 * Turn the screen red on a error - RiscPC only.

132 */

133 mov r0, #0x02000000

134 mov r3, #0x11

135 orr r3, r3, r3, lsl #8

136 orr r3, r3, r3, lsl #16

137 str r3, [r0], #4

138 str r3, [r0], #4

139 str r3, [r0], #4

140 str r3, [r0], #4

141 #endif

142 1: mov r0, r0

143 b 1b

144 ENDPROC(__error)

__lookup_processor_type

---------------------------------------------------------------

在讲解lookup_processor_type程序段之前先来看一些相关知识。

内核做支持的每一种CPU类型都由结构体proc_info_list 来描述。

该结构体在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h中定义：

struct proc_info_list {

unsigned int cpu_val;

unsigned int cpu_mask;

unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */

const char *arch_name;

const char *elf_name;

unsigned int elf_hwcap;

const char *cpu_name;

struct processor *proc;

struct cpu_tlb_fns *tlb;

struct cpu_user_fns *user;

struct cpu_cache_fns *cache;

};

对于arm920来说，其对应结构体在文件 linux/arch/arm/mm/proc-arm920.S中初始化。

442 .align

443

444 .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr

445

446 .type __arm920_proc_info,#object

447 __arm920_proc_info:

448 .long 0x41009200

449 .long 0xff00fff0

450 .long PMD_TYPE_SECT | \

451 PMD_SECT_BUFFERABLE | \

452 PMD_SECT_CACHEABLE | \

453 PMD_BIT4 | \

454 PMD_SECT_AP_WRITE | \

455 PMD_SECT_AP_READ

456 .long PMD_TYPE_SECT | \

457 PMD_BIT4 | \

458 PMD_SECT_AP_WRITE | \

459 PMD_SECT_AP_READ

460 b __arm920_setup

461 .long cpu_arch_name

462 .long cpu_elf_name

463 .long HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB

464 .long cpu_arm920_name

465 .long arm920_processor_functions

466 .long v4wbi_tlb_fns

467 .long v4wb_user_fns

468 #ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH

469 .long arm920_cache_fns

470 #else

471 .long v4wt_cache_fns

472 #endif

473 .size __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info

.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.S中,编译后它生成arch/arm/kernel/vmlinux.lds文件

20 SECTIONS

21 {

22 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL

23 . = XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR);

24 #else

25 . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;

26 #endif

28 .init : { /* Init code and data */

29 _stext = .;

30 _sinittext = .;

31 HEAD_TEXT

32 INIT_TEXT

33 _einittext = .;

34 __proc_info_begin = .;

35 *(.proc.info.init)

36 __proc_info_end = .;

37 __arch_info_begin = .;

38 *(.arch.info.init)

39 __arch_info_end = .;

40 __tagtable_begin = .;

41 *(.taglist.init)

42 __tagtable_end = .;

所有CPU类型对应的被初始化的proc_info_list结构体都放在__proc_info_begin和__proc_info_end之间。

现在再来分析lookup_processor_type

147 /*

148 * Read processor ID register (CP#15, CR0), and look up in the linker-built

149 * supported processor list. Note that we can't use the absolute addresses

150 * for the __proc_info lists since we aren't running with the MMU on

151 * (and therefore, we are not in the correct address space). We have to

152 * calculate the offset.

153 *

154 * r9 = cpuid

155 * Returns:

156 * r3, r4, r6 corrupted

157 * r5 = proc_info pointer in physical address space

158 * r9 = cpuid (preserved)

159 */

160 __lookup_processor_type:

161 adr r3, 3f //r3存储的是标号3的物理地址(由于没有启用mmu，所以当前肯定是物理地址)

162 ldmia r3, {r5 - r7} //R5=__proc_info_begin，r6=__proc_info_end，r7=标号3处的虚拟地址。

163 add r3, r3, #8

164 sub r3, r3, r7 //得到虚拟地址和物理地址之间的offset

165 add r5, r5, r3 //利用offset，将r5和r6中保存的虚拟地址转变为物理地址

166 add r6, r6, r3 @ physical address space

167 1: ldmia r5, {r3, r4} //r3=cpu_val,r4= cpu_mask,

168 and r4, r4, r9 //r9中存放的是先前读出的processor ID，此处屏蔽不需要的位。

//查看代码和CPU硬件是否匹配(比如想在arm920t上运行为cortex-a8编译的内核？不让！)

169 teq r3, r4

170 beq 2f //如果匹配成功就返回

//PROC_INFO_SZ (proc_info_list结构的长度，在这等于48)，跳到下一个proc_info_list处

171 add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)

//判断是否已经到了结构体proc_info_list存放区域的末尾__proc_info_end，

172 cmp r5, r6

173 blo 1b

//如果没有匹配成功就将r5清零，如果匹配成功r5中放的是该CPU类型对应的结构体//proc_info_list的基地址。

174 mov r5, #0 @ unknown processor

175 2: mov pc, lr //子程序返回。

176 ENDPROC(__lookup_processor_type)

177

178 /*

179 * This provides a C-API version of the above function.

180 */

181 ENTRY(lookup_processor_type)

182 stmfd sp!, {r4 - r7, r9, lr}

183 mov r9, r0

184 bl __lookup_processor_type

185 mov r0, r5

186 ldmfd sp!, {r4 - r7, r9, pc}

187 ENDPROC(lookup_processor_type)

188

189 /*

190 * Look in and arch/arm/kernel/arch.[ch] for

191 * more information about the __proc_info and __arch_info structures.

192 */

193 .align 2

194 3: .long __proc_info_begin

195 .long __proc_info_end

196 4: .long .

197 .long __arch_info_begin

198 .long __arch_info_end

__lookup_machine_type

---------------------------------------------------------------

每一个CPU平台都可能有其不一样的结构体，描述这个平台的结构体是machine_desc。

这个结构体在文件arch/arm/include/asm/mach/arch.h中定义：

17 struct machine_desc {

18 /*

19 * Note! The first four elements are used

20 * by assembler code in head.S, head-common.S

21 */

22 unsigned int nr; /* architecture number */

23 unsigned int nr_irqs; /* number of IRQs */

24 unsigned int phys_io; /* start of physical io */

25 unsigned int io_pg_offst; /* byte offset for io

26 * page tabe entry */

28 const char *name; /* architecture name */

29 unsigned long boot_params; /* tagged list */

31 unsigned int video_start; /* start of video RAM */

32 unsigned int video_end; /* end of video RAM */

34 unsigned int reserve_lp0 :1; /* never has lp0 */

35 unsigned int reserve_lp1 :1; /* never has lp1 */

36 unsigned int reserve_lp2 :1; /* never has lp2 */

37 unsigned int soft_reboot :1; /* soft reboot */

38 void (*fixup)(struct machine_desc *,

39 struct tag *, char **,

40 struct meminfo *);

41 void (*reserve)(void);/* reserve mem blocks */

42 void (*map_io)(void);/* IO mapping function */

43 void (*init_irq)(void);

44 struct sys_timer *timer; /* system tick timer */

45 void (*init_machine)(void);

46 };

对于平台smdk2410来说其对应machine_desc结构在文件

linux/arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c中初始化：

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 = smdk2410_init,

.timer = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

对于宏MACHINE_START在文件arch/arm/include/asm/mach/arch.h中定义：

48 /*

49 * Set of macros to define architecture features. This is built into

50 * a table by the linker.

51 */

52 #define MACHINE_START(_type,_name) \

53 static const struct machine_desc __mach_desc_##_type \

54 __used \

55 __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { \

56 .nr = MACH_TYPE_##_type, \

57 .name = _name,

59 #define MACHINE_END \

60 };

62 #endif

__attribute__((__section__(".arch.info.init")))表明该结构体在并以后存放的位置。

在链接文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中,编译后它生成arch/arm/kernel/vmlinux.lds文件

20 SECTIONS

21 {

22 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL

23 . = XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR);

24 #else

25 . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;

26 #endif

28 .init : { /* Init code and data */

29 _stext = .;

30 _sinittext = .;

31 HEAD_TEXT

32 INIT_TEXT

33 _einittext = .;

34 __proc_info_begin = .;

35 *(.proc.info.init)

36 __proc_info_end = .;

37 __arch_info_begin = .;

38 *(.arch.info.init)

39 __arch_info_end = .;

40 __tagtable_begin = .;

41 *(.taglist.init)

42 __tagtable_end = .;

在__arch_info_begin和 __arch_info_end之间存放了linux内核所支持的所有平台对应的machine_desc结构体。

现在再来看__lookup_machine_type

200 /*

201 * Lookup machine architecture in the linker-build list of architectures.

202 * Note that we can't use the absolute addresses for the __arch_info

203 * lists since we aren't running with the MMU on (and therefore, we are

204 * not in the correct address space). We have to calculate the offset.

205 *

206 * r1 = machine architecture number

207 * Returns:

208 * r3, r4, r6 corrupted

209 * r5 = mach_info pointer in physical address space

210 */

211 __lookup_machine_type:

212 adr r3, 4b //r3存储的是标号3的物理地址

//R4=标号3处的虚拟地址，r5=__arch_info_begin，r6=__arch_info_end。

213 ldmia r3, {r4, r5, r6}

214 sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys

215 add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to

216 add r6, r6, r3 @ physical address space

//读取machine_desc结构的nr参数，对于smdk2410来说该值是MACH_TYPE_SMDK2410。

//这个值在文件linux/arch/arm/tools/mach-types中：

//smdk2410 ARCH_SMDK2410 SMDK2410 193

217 1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type

218 teq r3, r1 //r1就是bootloader传递过来的机器码，就是上面的平台编号。

219 beq 2f //如果匹配成功就返回

220 add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC //没匹配成功就跳到下一个结构体machine_desc

221 cmp r5, r6

222 blo 1b

223 mov r5, #0 //如果匹配失败就将r5清零。

224 2: mov pc, lr //子程序返回。

225 ENDPROC(__lookup_machine_type)

226

227 /*

228 * This provides a C-API version of the above function.

229 */

230 ENTRY(lookup_machine_type)

231 stmfd sp!, {r4 - r6, lr}

232 mov r1, r0

233 bl __lookup_machine_type

234 mov r0, r5

235 ldmfd sp!, {r4 - r6, pc}

236 ENDPROC(lookup_machine_type)

__vet_atags 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性

---------------------------------------------------------------

关于参数链表：

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arch/arm/include/asm/setup.h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：

146 struct tag {

147 struct tag_header hdr;

148 union {

149 struct tag_core core;

150 struct tag_mem32 mem;

151 struct tag_videotext videotext;

152 struct tag_ramdisk ramdisk;

153 struct tag_initrd initrd;

154 struct tag_serialnr serialnr;

155 struct tag_revision revision;

156 struct tag_videolfb videolfb;

157 struct tag_cmdline cmdline;

158

159 /*

160 * Acorn specific

161 */

162 struct tag_acorn acorn;

163

164 /*

165 * DC21285 specific

166 */

167 struct tag_memclk memclk;

168 } u;

169 };

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：

24 struct tag_header {

25 __u32 size;

26 __u32 tag;

27 };

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。

238 /* Determine validity of the r2 atags pointer. The heuristic requires

239 * that the pointer be aligned, in the first 16k of physical RAM and

240 * that the ATAG_CORE marker is first and present. Future revisions

241 * of this function may be more lenient with the physical address and

242 * may also be able to move the ATAGS block if necessary.

243 *

244 * r8 = machinfo

245 *

246 * Returns:

247 * r2 either valid atags pointer, or zero

248 * r5, r6 corrupted

249 */

250 __vet_atags:

251 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

252 bne 1f

253

254 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

255 cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE

256 cmpne r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY

257 bne 1f

258 ldr r5, [r2, #4] //获取第一个tag结构体的标记，

259 ldr r6, =ATAG_CORE

260 cmp r5, r6 //判断第一个tag结构体的标记是不是ATAG_CORE

261 bne 1f

262

263 mov pc, lr //正常退出

264

265 1: mov r2, #0 //参数连表不正确

266 mov pc, lr

267 ENDPROC(__vet_atags)

arch/arm/kernel/head.S

206 /*

207 * Setup the initial page tables. We only setup the barest

208 * amount which are required to get the kernel running, which

209 * generally means mapping in the kernel code.

210 *

211 * r8 = machinfo

212 * r9 = cpuid

213 * r10 = procinfo

214 *

215 * Returns:

216 * r0, r3, r6, r7 corrupted

217 * r4 = physical page table address

218 */

219 __create_page_tables:

220 pgtbl r4 @ page table address

//r4 = 0x30004000这是转换表的物理基地址，最终将写入CP15的寄存器2，C2。这个值必须是16K对齐的。

//为内核代码存储区域创建页表，首先将内核起始地址-0x4000到内核起始地址之间的16K 存储器清0，将创建的页表存于此处。

221

222 /*

223 * Clear the 16K level 1 swapper page table

224 */

225 mov r0, r4

226 mov r3, #0

227 add r6, r0, #0x4000

228 1: str r3, [r0], #4

229 str r3, [r0], #4

230 str r3, [r0], #4

231 str r3, [r0], #4

232 teq r0, r6

233 bne 1b

//从proc_info_list结构中获取字段__cpu_mm_mmu_flags，该字段包含了存储空间访问权限等。此处指令执行之后r7=0x00000c1e

234

235 ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags

236

237 /*

238 * Create identity mapping for first MB of kernel to

239 * cater for the MMU enable. This identity mapping

240 * will be removed by paging_init(). We use our current program

241 * counter to determine corresponding section base address.

242 */

243 mov r6, pc

此处建立一个物理地址到物理地址的平板映射，这个映射将在函数paging_init(). 被清除。

r6 = 0x300 r3 = 0x30000c1e [0x30004c00]=0x30000c1e

244 mov r6, r6, lsr #20 @ start of kernel section

245 orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base

246 str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping //字对齐

247

MMU是通过C2中基地址(高18位)与虚拟地址的高12位组合成物理地址，在转换表中查找地址条目。R4中存放的就是这个基地址0x30004000。下面通过两次获取虚拟地址

KERNEL_START的高12位。KERNEL_START是内核存放的起始地址，为0X30008000。

248 /*

249 * Now setup the pagetables for our kernel direct

250 * mapped region.

251 */

252 add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18 // r0 = 0x30007000

253 str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]! // r0 存放的是转换表的起始位置

254 ldr r6, =(KERNEL_END - 1) //获取内核的尾部虚拟地址存于r6中

255 add r0, r0, #4 //第一个地址条目存放在0x30007004处，以后一次递增

256 add r6, r4, r6, lsr #18 //计算最后一个地址条目存放的位置

257 1: cmp r0, r6 //填充这之间的地址条目

258 add r3, r3, #1 << 20 //每一个地址条目代表了1MB空间的地址映射。物理地址将从 0x30100000 开始映射。0X30000000开始的1MB空间将在下面映射。

259 strls r3, [r0], #4

260 bls 1b

261

//如果是XIP就进行以下映射，这只是将内核代码存储的空间重新映射，

262 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL

263 /*

264 * Map some ram to cover our .data and .bss areas.

265 */

266 orr r3, r7, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0xff000000)

267 .if (KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)

268 orr r3, r3, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)

269 .endif

270 add r0, r4, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18

271 str r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]!

272 ldr r6, =(_end - 1)

273 add r0, r0, #4

274 add r6, r4, r6, lsr #18

275 1: cmp r0, r6

276 add r3, r3, #1 << 20

277 strls r3, [r0], #4

278 bls 1b

279 #endif

280

281 /*

282 * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params.

283 */

映射0X30000000开始的1MB空间。

PAGE_OFFSET = 0XC0000000,PHYS_OFFSET = 0X30000000,

//r0 = 0x30007000,上面是从0x30007004开始存放地址条目的。

284 add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18

285 orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)

286 .if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)

287 orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000)

288 .endif

289 str r6, [r0] //将0x30000c1e存于0x30007000处。

290

291 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL //下面是为了调试而做的相关映射，跳过。

292 ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags

293 /*

294 * Map in IO space for serial debugging.

295 * This allows debug messages to be output

296 * via a serial console before paging_init.

297 */

298 ldr r3, [r8, #MACHINFO_PGOFFIO]

299 add r0, r4, r3

300 rsb r3, r3, #0x4000 @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)

301 cmp r3, #0x0800 @ limit to 512MB

302 movhi r3, #0x0800

303 add r6, r0, r3

304 ldr r3, [r8, #MACHINFO_PHYSIO]

305 orr r3, r3, r7

306 1: str r3, [r0], #4

307 add r3, r3, #1 << 20

308 teq r0, r6

309 bne 1b

310 #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)

311 /*

312 * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map

313 * in the 16550-type serial port for the debug messages

314 */

315 add r0, r4, #0xff000000 >> 18

316 orr r3, r7, #0x7c000000

317 str r3, [r0]

318 #endif

319 #ifdef CONFIG_ARCH_RPC

320 /*

321 * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE

322 * Similar reasons here - for debug. This is

323 * only for Acorn RiscPC architectures.

324 */

325 add r0, r4, #0x02000000 >> 18

326 orr r3, r7, #0x02000000

327 str r3, [r0]

328 add r0, r4, #0xd8000000 >> 18

329 str r3, [r0]

330 #endif

331 #endif

332 mov pc, lr //子程序返回。

333 ENDPROC(__create_page_tables)

334 .ltorg

335

336 #include "head-common.S"

__arm920_setup

---------------------------------------------------------------

回到arch/arm/kernel/head.S中有这么几条

ldr r13, __switch_data @ address to jump to after

@ mmu has been enabled

adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address

add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

R10中存放的是在函数__lookup_processor_type中成功匹配的结构体proc_info_list。

对于arm920来说在文件arch/arm/mm/proc-arm920.S中有：

444 .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr

445

446 .type __arm920_proc_info,#object

447 __arm920_proc_info:

448 .long 0x41009200

449 .long 0xff00fff0

450 .long PMD_TYPE_SECT | \

451 PMD_SECT_BUFFERABLE | \

452 PMD_SECT_CACHEABLE | \

453 PMD_BIT4 | \

454 PMD_SECT_AP_WRITE | \

455 PMD_SECT_AP_READ

456 .long PMD_TYPE_SECT | \

457 PMD_BIT4 | \

458 PMD_SECT_AP_WRITE | \

459 PMD_SECT_AP_READ

460 b __arm920_setup

所以add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC的意思跳到函数__arm920_setup去执行。

文件arch/arm/mm/proc-arm920.S中

380 .type __arm920_setup, #function //表明这是一个函数

381 __arm920_setup:

382 mov r0, #0

383 mcr p15, 0, r0, c7, c7 //使数据cahche, 指令cache无效。

384 mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 //使write buffer无效。

385 #ifdef CONFIG_MMU

386 mcr p15, 0, r0, c8, c7 //使数据TLB,指令TLB无效。

387 #endif

388 adr r5, arm920_crval //获取arm920_crval的地址，并存入r5。

389 ldmia r5, {r5, r6} //获取arm920_crval地址处的连续8字节分别存入r5,r6。

390 mrc p15, 0, r0, c1, c0 //获取CP15下控制寄存器的值，并存入r0。

//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

391 bic r0, r0, r5

392 orr r0, r0, r6 //设置r0中的相关位，即为mmu做相应设置。

393 mov pc, lr //上面有操作adr lr, __enable_mmu 此处将跳到程序段__enable_mmu处。

394 .size __arm920_setup, . - __arm920_setup

arch/arm/kernel/head.S

160 __enable_mmu:

161 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP

162 orr r0, r0, #CR_A //使能地址对齐错误检测

163 #else

164 bic r0, r0, #CR_A

165 #endif

166 #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE

167 bic r0, r0, #CR_C //禁止数据cache

168 #endif

169 #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE

170 bic r0, r0, #CR_Z

171 #endif

172 #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE

173 bic r0, r0, #CR_I //禁止指令cache

174 #endif

//配置相应的访问权限并存入r5中

175 mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \

176 domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \

177 domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \

178 domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))

179 mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register//将访问权限写入协处理器

180 mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer//将页表基地址写入基址寄存器C2，0X30004000

181 b __turn_mmu_on //跳转到程序段去打开MMU

182 ENDPROC(__enable_mmu)

183

184 /*

185 * Enable the MMU. This completely changes the structure of the visible

186 * memory space. You will not be able to trace execution through this.

187 * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel

188 * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.

189 *

190 * r0 = cp#15 control register

191 * r13 = *virtual* address to jump to upon completion

192 *

193 * other registers depend on the function called upon completion

194 */

195 .align 5

196 __turn_mmu_on:

197 mov r0, r0

198 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg//打开MMU同时打开cache等。

199 mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg//读取id寄存器

200 mov r3, r3 //两个空操作，等待前面所取的指令得以执行。

201 mov r3, r13

202 mov pc, r3 //程序跳转，如下面解释。

203 ENDPROC(__turn_mmu_on)

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。

arch/arm/kernel/head-common.S

14 #define ATAG_CORE 0x54410001

15 #define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2)

16 #define ATAG_CORE_SIZE_EMPTY ((2*4) >> 2)

18 .align 2

19 .type __switch_data, %object //定义一个对象

20 __switch_data:

21 .long __mmap_switched //由此可知上面程序将跳转到该程序段处。

22 .long __data_loc @ r4

23 .long _data @ r5

24 .long __bss_start @ r6

25 .long _end @ r7

26 .long processor_id @ r4

27 .long __machine_arch_type @ r5

28 .long __atags_pointer @ r6

29 .long cr_alignment @ r7

30 .long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp

__data_loc 是数据存放的位置

_data 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

.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).

这几个字段在文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中指定位置如下：

20 SECTIONS

21 {

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

134 .data : AT(__data_loc) { //此处数据存储在上面__data_loc处。

135 _data = .; /* address in memory */

136 _sdata = .;

137

138 /*

139 * first, the init task union, aligned

140 * to an 8192 byte boundary.

141 */

142 INIT_TASK_DATA(THREAD_SIZE)

。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

231

232 BSS_SECTION(0, 0, 0)

233 _end = .;

234

235 STABS_DEBUG

236 .comment 0 : { *(.comment) }

237

238 /* Default discards */

239 DISCARDS

240 }

init_thread_union 是 init进程的基地址. 在 arch/arm/kernel/init_task.c 中:

27 union thread_union init_thread_union __init_task_data =

28 { 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

32 /*

33 * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,

34 * and uses absolute addresses; this is not position independent.

35 *

36 * r0 = cp#15 control register

37 * r1 = machine ID

38 * r2 = atags pointer

39 * r9 = processor ID

40 */

41 __mmap_switched:

42 adr r3, __switch_data + 4

44 ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}

45 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed

46 1: cmpne r5, r6 //将 __data_loc处数据搬移到_data处

47 ldrne fp, [r4], #4

48 strne fp, [r5], #4

49 bne 1b

51 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)//清除BSS段内容

52 1: cmp r6, r7

53 strcc fp, [r6],#4

54 bcc 1b

56 ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})

57 THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )

58 THUMB( ldr sp, [r3, #16] )

59 str r9, [r4] @ Save processor ID

60 str r1, [r5] @ Save machine type

61 str r2, [r6] @ Save atags pointer

62 bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit

63 stmia r7, {r0, r4} @ Save control register values

64 b start_kernel //程序跳转到函数start_kernel进入C语言部分。

65 ENDPROC(__mmap_switched)