最近研究了一下arm linux的入口部分的代码, code不是太多,所以写了个笔记,详细的分析了每一条语句. 大家看看, 交流一下.下面使正文. 由于内容比较多,分几层楼发吧____________________________________________________________________________________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. 一. 启动条件 通常从系统上电到执行到linux kenel这部分的任务是由boot loader来完成. 关于boot loader的内容,本文就不做过多介绍. 这里只讨论进入到linux kernel的时候的一些限制条件,这一般是boot loader在最后跳转到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, 此时虚拟地址对物理地址; 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,详细内容可参考"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 +137 0x00008000 内核相对于存储空间的偏移TEXTADDR arch/arm/kernel/head.S +49 0xc0008000 kernel的起始虚拟地址PHYS_OFFSET include/asm-arm/arch-xxx/memory.h 平台相关 RAM的起始物理地址 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 mode00074: @ 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: 1. 确定 processor type (75 - 78行) 2. 确定 machine type (79 - 81行) 3. 创建页表 (82行) 4. 调用平台特定的__cpu_flush函数 (在struct proc_info_list中) (94 行) 5. 开启mmu (93行) 6. 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. 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76行: 跳转到__lookup_processor_type.在__lookup_processor_type中,会把processor type 存储在r5中77,78行: 判断r5中的processor type是否是0,如果是0,说明是无效的processor type,跳转到__error_p(出错)__lookup_processor_type 函数主要是根据从cpu中获得的processor id和系统中的proc_info进行匹配,将匹配到的proc_info_list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, %function00146: __lookup_processor_type:00147: adr r3, 3f00148: ldmda r3, {r5 - r7}00149: sub r3, r3, r7 @ get offset between virt&phys00150: add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to00151: add r6, r6, r3 @ physical address space00152: 1: ldmia r5, {r3, r4} @ value, mask00153: and r4, r4, r9 @ mask wanted bits00154: teq r3, r400155: beq 2f00156: add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)00157: cmp r5, r600158: blo 1b00159: mov r5, #0 @ unknown processor00160: 2: mov pc, lr00161: 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, r000168: bl __lookup_processor_type00169: mov r0, r500170: ldmfd sp!, {r4 - r7, r9, pc}00171: 00172: /*00173: * Look in include/asm-arm/procinfo.h and arch/arm/kernel/arch.[ch] for00174: * more information about the __proc_info and __arch_info structures.00175: */00176: .long __proc_info_begin00177: .long __proc_info_end00178: 3: .long .00179: .long __arch_info_begin00180: .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. 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_begin00177: .long __proc_info_end00178: 3: .long .00179: .long __arch_info_begin00180: .long __arch_info_end00181: 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_info00185: * lists since we aren't running with the MMU on (and therefore, we are00186: * not in the correct address space). We have to calculate the offset.00187: *00188: * r1 = machine architecture number00189: * Returns:00190: * r3, r4, r6 corrupted00191: * r5 = mach_info pointer in physical address space00192: */ 00193: .type __lookup_machine_type, %function00194: __lookup_machine_type:00195: adr r3, 3b00196: ldmia r3, {r4, r5, r6}00197: sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys00198: add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to00199: add r6, r6, r3 @ physical address space00200: 1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type00201: teq r3, r1 @ matches loader number?00202: beq 2f @ found00203: add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc00204: cmp r5, r600205: blo 1b00206: mov r5, #0 @ unknown machine00207: 2: mov pc, lr193, 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 >> 1 & 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_END197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 3. 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的格式为可参考arm926EJS TRM): 下面我们来分析 __create_page_tables 函数: 在 arch/arm/kernel/head.S 中:00206: .type __create_page_tables, %function00207: __create_page_tables:00208: pgtbl r4 @ page table address00209: 00210: /*00211: * Clear the 16K level 1 swapper page table00212: */00213: mov r0, r400214: mov r3, #000215: add r6, r0, #0x400000216: 1: str r3, [r0], #400217: str r3, [r0], #400218: str r3, [r0], #400219: str r3, [r0], #400220: teq r0, r600221: bne 1b00222: 00223: ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags00224: 00225: /*00226: * Create identity mapping for first MB of kernel to00227: * cater for the MMU enable. This identity mapping00228: * will be removed by paging_init(). We use our current program00229: * counter to determine corresponding section base address.00230: */00231: mov r6, pc, lsr #20 @ start of kernel section00232: orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base00233: str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping00234: 00235: /*00236: * Now setup the pagetables for our kernel direct00237: * mapped region.00238: */00239: add r0, r4, #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18 @ start of kernel00240: str r3, [r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18]!00241: 00242: ldr r6, =(_end - PAGE_OFFSET - 1) @ r6 = number of sections00243: mov r6, r6, lsr #20 @ needed for kernel minus 100244: 00245: 1: add r3, r3, #1 << 2000246: str r3, [r0, #4]!00247: subs r6, r6, #100248: bgt 1b00249: 00250: /*00251: * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params.00252: */00253: add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 1800254: orr r6, r7, #PHYS_OFFSET00255: str r6, [r0] ... 00314: mov pc, lr00315: .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0215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. /* 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*/ 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: | | | | | | | | 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, #function00392: __arm926_setup:00393: mov r0, #000394: mcr p15, 0, r0, c7, c7 @ invalidate I,D caches on v400395: mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer on v400396: #ifdef CONFIG_MMU00397: mcr p15, 0, r0, c8, c7 @ invalidate I,D TLBs on v400398: #endif00399: 00400: 00401: #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH00402: mov r0, #4 @ disable write-back on caches explicitly00403: mcr p15, 7, r0, c15, c0, 000404: #endif 00405: 00406: adr r5, arm926_crval00407: ldmia r5, {r5, r6}00408: mrc p15, 0, r0, c1, c0 @ get control register v400409: bic r0, r0, r500410: orr r0, r0, r600411: #ifdef CONFIG_CPU_CACHE_ROUND_ROBIN00412: orr r0, r0, #0x4000 @ .1.. .... .... ....00413: #endif00414: mov pc, lr 00415: .size __arm926_setup, . - __arm926_setup00416: 00417: /*00418: * R00419: * .RVI ZFRS BLDP WCAM00420: * .011 0001 ..11 010100421: * 00422: */00423: .type arm926_crval, #object00424: 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 | | __________________________________ 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, %function00147: __enable_mmu:00148: #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP00149: orr r0, r0, #CR_A00150: #else00151: bic r0, r0, #CR_A00152: #endif00153: #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE00154: bic r0, r0, #CR_C00155: #endif00156: #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE00157: bic r0, r0, #CR_Z00158: #endif00159: #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE00160: bic r0, r0, #CR_I00161: #endif00162: 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 register00167: mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer00168: b __turn_mmu_on00169: 00170: /*00171: * Enable the MMU. This completely changes the structure of the visible00172: * 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-kernel00174: * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.00175: *00176: * r0 = cp#15 control register00177: * r13 = *virtual* address to jump to upon completion00178: *00179: * other registers depend on the function called upon completion00180: */00181: .align 500182: .type __turn_mmu_on, %function00183: __turn_mmu_on:00184: mov r0, r000185: mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg00186: mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg00187: mov r3, r300188: mov r3, r300189: 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I Cache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: 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. 6. 切换数据 在 arch/arm/kernel/head-common.S 中:00014: .type __switch_data, %object00015: __switch_data:00016: .long __mmap_switched00017: .long __data_loc @ r400018: .long __data_start @ r500019: .long __bss_start @ r600020: .long _end @ r700021: .long processor_id @ r400022: .long __machine_arch_type @ r500023: .long cr_alignment @ r600024: .long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp00025: 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 register00031: * r1 = machine ID00032: * r9 = processor ID00033: */00034: .type __mmap_switched, %function00035: __mmap_switched:00036: adr r3, __switch_data + 400037: 00038: ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}00039: cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed00040: 1: cmpne r5, r600041: ldrne fp, [r4], #400042: strne fp, [r5], #400043: bne 1b00044: 00045: mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)00046: 1: cmp r6, r700047: strcc fp, [r6],#400048: bcc 1b00049: 00050: ldmia r3, {r4, r5, r6, sp}00051: str r9, [r4] @ Save processor ID00052: str r1, [r5] @ Save machine type00053: bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit00054: stmia r6, {r0, r4} @ Save control register values00055: 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 | | | | | |