参考资料：
《ARM体系结构与编程》
《嵌入式Linux应用开发完全手册》
http://www.chinaunix.net/old_jh/4/1021226.html
更多文档参见：http://pan.baidu.com/s/1mg3DbHQ
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.
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).
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 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:
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.
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,
%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: (ldmda表示栈指针递减，即r3递减，内存的地址编号较大的对应寄存器编号较大的)
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
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:（ldmia
表示栈是递增的，即r3递增，低内存地址对应小号寄存器）
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_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
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):
(一级描述符的格式 可以参考《ARM体系结构与编程》P180) 
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.
00238:
*/
00239:
add r0, r4, #(TEXTADDR &
0xff000000) >> 18 @ start of
kernel
00240:
str r3, [r0, #(TEXTADDR &
0x00f00000) >> 18]!
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，值为8)（可以参考《嵌入式Linux应用完全开发手册》P118）（r7的值就是设置这个段描述符的权限、域字段，）
在arch/arm/mm/proc-arm926.S 中:
00464: .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr00465:
00466: .type __arm926_proc_info,#object00467: __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_fns00489: .size __arm926_proc_info, . - __arm926_proc_info
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（也就是有多少兆，因为段描述符每个可以映射1MiB的虚拟地址）,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: 
下面是linux-2.6.30.4中的arch/arm/kernel/head.S，代码有一些不同，但是效果一样：
1: /*
2: * linux/arch/arm/kernel/head.S
3: *
4: * Copyright (C) 1994-2002 Russell King
5: * Copyright (c) 2003 ARM Limited
6: * All Rights Reserved
7: *
8: * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
9: * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
10: * published by the Free Software Foundation.
11: *
12: * Kernel startup code for all 32-bit CPUs
13: */
14: #include <linux/linkage.h>
15: #include <linux/init.h>
16: 17: #include <asm/assembler.h>
18: #include <asm/domain.h>
19: #include <asm/ptrace.h>
20: #include <asm/asm-offsets.h>
21: #include <asm/memory.h>
22: #include <asm/thread_info.h>
23: #include <asm/system.h>
24: 25: #if (PHYS_OFFSET & 0x001fffff)
26: #error "PHYS_OFFSET must be at an even 2MiB boundary!"
27: #endif
28: 29: #define KERNEL_RAM_VADDR (PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)
30: #define KERNEL_RAM_PADDR (PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET)
31: 32: 33: /*
34: * swapper_pg_dir is the virtual address of the initial page table.
35: * We place the page tables 16K below KERNEL_RAM_VADDR. Therefore, we must
36: * make sure that KERNEL_RAM_VADDR is correctly set. Currently, we expect
37: * the least significant 16 bits to be 0x8000, but we could probably
38: * relax this restriction to KERNEL_RAM_VADDR >= PAGE_OFFSET + 0x4000.
39: */
40: #if (KERNEL_RAM_VADDR & 0xffff) != 0x8000
41: #error KERNEL_RAM_VADDR must start at 0xXXXX8000
42: #endif
43: 44: .globl swapper_pg_dir 45: .equ swapper_pg_dir, KERNEL_RAM_VADDR - 0x4000 46: 47: .macro pgtbl, rd 48: ldr \rd, =(KERNEL_RAM_PADDR - 0x4000) 49: .endm 50: 51: #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
52: #define KERNEL_START XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR)
53: #define KERNEL_END _edata_loc
54: #else
55: #define KERNEL_START KERNEL_RAM_VADDR
56: #define KERNEL_END _end
57: #endif
58: 59: /*
60: * Kernel startup entry point.
61: * ---------------------------
62: *
63: * This is normally called from the decompressor code. The requirements
64: * are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
65: * r1 = machine nr, r2 = atags pointer.
66: *
67: * This code is mostly position independent, so if you link the kernel at
68: * 0xc0008000, you call this at __pa(0xc0008000).
69: *
70: * See linux/arch/arm/tools/mach-types for the complete list of machine
71: * numbers for r1.
72: *
73: * We‘re trying to keep crap to a minimum; DO NOT add any machine specific
74: * crap here - that‘s what the boot loader (or in extreme, well justified
75: * circumstances, zImage) is for.
76: */
77: .section ".text.head", "ax"
78: ENTRY(stext) 79: msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode 80: @ and irqs disabled 81: mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id 82: bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid 83: movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?84: beq __error_p @ yes, error ‘p‘
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 89: bl __create_page_tables 90: 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 99: @ mmu has been enabled100: adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address
101: add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC 102: ENDPROC(stext) 103: 104: #if defined(CONFIG_SMP)
105: ENTRY(secondary_startup)106: /*
107: * Common entry point for secondary CPUs.
108: *
109: * Ensure that we‘re in SVC mode, and IRQs are disabled. Lookup
110: * the processor type - there is no need to check the machine type
111: * as it has already been validated by the primary processor.
112: */
113: msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE 114: mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id 115: bl __lookup_processor_type 116: movs r10, r5 @ invalid processor?117: moveq r0, #‘p‘ @ yes, error ‘p‘
118: beq __error 119: 120: /*
121: * Use the page tables supplied from __cpu_up.
122: */
123: adr r4, __secondary_data 124: ldmia r4, {r5, r7, r13} @ address to jump to after 125: sub r4, r4, r5 @ mmu has been enabled 126: ldr r4, [r7, r4] @ get secondary_data.pgdir127: adr lr, __enable_mmu @ return address
128: add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC @ initialise processor129: @ (return control reg)
130: ENDPROC(secondary_startup) 131: 132: /*
133: * r6 = &secondary_data
134: */
135: ENTRY(__secondary_switched) 136: ldr sp, [r7, #4] @ get secondary_data.stack 137: mov fp, #0 138: b secondary_start_kernel 139: ENDPROC(__secondary_switched) 140: 141: .type __secondary_data, %object 142: __secondary_data:143: .long .
144: .long secondary_data
145: .long __secondary_switched
146: #endif /* defined(CONFIG_SMP) */
147: 148: 149: 150: /*
151: * Setup common bits before finally enabling the MMU. Essentially
152: * this is just loading the page table pointer and domain access
153: * registers.
154: */
155: __enable_mmu:156: #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
157: orr r0, r0, #CR_A158: #else
159: bic r0, r0, #CR_A160: #endif
161: #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE
162: bic r0, r0, #CR_C163: #endif
164: #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
165: bic r0, r0, #CR_Z166: #endif
167: #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE
168: bic r0, r0, #CR_I169: #endif
170: mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \ 171: domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \ 172: domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \ 173: domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))174: mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register
175: mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer 176: b __turn_mmu_on 177: ENDPROC(__enable_mmu) 178: 179: /*
180: * Enable the MMU. This completely changes the structure of the visible
181: * memory space. You will not be able to trace execution through this.
182: * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel
183: * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.
184: *
185: * r0 = cp#15 control register
186: * r13 = *virtual* address to jump to upon completion
187: *
188: * other registers depend on the function called upon completion
189: */
190: .align 5 191: __turn_mmu_on: 192: mov r0, r0 193: mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg 194: mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg 195: mov r3, r3 196: mov r3, r3 197: mov pc, r13 198: ENDPROC(__turn_mmu_on) 199: 200: 201: /*
202: * Setup the initial page tables. We only setup the barest
203: * amount which are required to get the kernel running, which
204: * generally means mapping in the kernel code.
205: *
206: * r8 = machinfo
207: * r9 = cpuid
208: * r10 = procinfo
209: *
210: * Returns:
211: * r0, r3, r6, r7 corrupted
212: * r4 = physical page table address
213: */
214: __create_page_tables: 215: pgtbl r4 @ page table address 216: 217: /*
218: * Clear the 16K level 1 swapper page table
219: */
220: mov r0, r4 221: mov r3, #0 222: add r6, r0, #0x4000 223: 1: str r3, [r0], #4 224: str r3, [r0], #4 225: str r3, [r0], #4 226: str r3, [r0], #4 227: teq r0, r6 228: bne 1b 229: 230: ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags 231: 232: /*
233: * Create identity mapping for first MB of kernel to
234: * cater for the MMU enable. This identity mapping
235: * will be removed by paging_init(). We use our current program
236: * counter to determine corresponding section base address.
237: */
238: mov r6, pc, lsr #20 @ start of kernel section
239: orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base 240: str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping 241: 242: /*
243: * Now setup the pagetables for our kernel direct
244: * mapped region.
245: */
246: add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18 247: str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]! 248: ldr r6, =(KERNEL_END - 1) 249: add r0, r0, #4 250: add r6, r4, r6, lsr #18 251: 1: cmp r0, r6 252: add r3, r3, #1 << 20 253: strls r3, [r0], #4 254: bls 1b 255: 256: #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
257: /*
258: * Map some ram to cover our .data and .bss areas.
259: */
260: orr r3, r7, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0xff000000)261: .if (KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)
262: orr r3, r3, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000) 263: .endif 264: add r0, r4, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18 265: str r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]! 266: ldr r6, =(_end - 1) 267: add r0, r0, #4 268: add r6, r4, r6, lsr #18 269: 1: cmp r0, r6 270: add r3, r3, #1 << 20 271: strls r3, [r0], #4 272: bls 1b273: #endif
274: 275: /*
276: * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params.
277: */
278: add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18 279: orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)280: .if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)
281: orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000) 282: .endif 283: str r6, [r0] 284: 285: #ifdef CONFIG_DEBUG_LL
286: ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags287: /*
288: * Map in IO space for serial debugging.
289: * This allows debug messages to be output
290: * via a serial console before paging_init.
291: */
292: ldr r3, [r8, #MACHINFO_PGOFFIO] 293: add r0, r4, r3294: rsb r3, r3, #0x4000 @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)
295: cmp r3, #0x0800 @ limit to 512MB 296: movhi r3, #0x0800 297: add r6, r0, r3 298: ldr r3, [r8, #MACHINFO_PHYSIO] 299: orr r3, r3, r7 300: 1: str r3, [r0], #4 301: add r3, r3, #1 << 20 302: teq r0, r6 303: bne 1b304: #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)
305: /*
306: * If we‘re using the NetWinder or CATS, we also need to map
307: * in the 16550-type serial port for the debug messages
308: */
309: add r0, r4, #0xff000000 >> 18 310: orr r3, r7, #0x7c000000 311: str r3, [r0]312: #endif
313: #ifdef CONFIG_ARCH_RPC
314: /*
315: * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE
316: * Similar reasons here - for debug. This is
317: * only for Acorn RiscPC architectures.
318: */
319: add r0, r4, #0x02000000 >> 18 320: orr r3, r7, #0x02000000 321: str r3, [r0] 322: add r0, r4, #0xd8000000 >> 18 323: str r3, [r0]324: #endif
325: #endif
326: mov pc, lr 327: ENDPROC(__create_page_tables) 328: .ltorg 329: 330: #include "head-common.S"
下面仅对__create_page_tables进行简单注释：
1: __create_page_tables: 2: pgtbl r4 @ page table address 3: 4: /*
5: * Clear the 16K level 1 swapper page table
6: */
7: mov r0, r4 8: mov r3, #0 9: add r6, r0, #0x4000 10: 1: str r3, [r0], #4 11: str r3, [r0], #4 12: str r3, [r0], #4 13: str r3, [r0], #4 14: teq r0, r6 15: bne 1b 16: 17: ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags 18: 19: /*
20: * Create identity mapping for first MB of kernel to
21: * cater for the MMU enable. This identity mapping
22: * will be removed by paging_init(). We use our current program
23: * counter to determine corresponding section base address.
24: 下面三句完成：
25: 以tq2440为例：
26:
27: 将虚拟机地址0x30000000~0x30100000映射到物理地址的0x30000000~0x30100000-1
28:
29: */
30: mov r6, pc, lsr #20 @ start of kernel section 此时pc在0x30008000附近，r6=0x300
31: orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base 构造段描述符的内容，为什么是20，参见《ARM体系结构与编程》 32: str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping 填写页表项，完成映射 33: 34: 35: /*
36: * Now setup the pagetables for our kernel direct
37: * mapped region.
38: KERNEL_START = 0xC0008000
39: KERNEL_END = _end 在链接脚本中，它的地址是kernel镜像后面的一个byte的地址
40:
41: */
42: add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18 43: @为什么是18，因为一级页表每个描述符4个字节，r4是一个字节一个字节的加 44: str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]! 45: @上面完成的任务：将虚拟地址0xC0000000~0xC0100000-1映射到物理地址的0x30000000~0x30100000-1，因为r3 46: @中还是上次的值 47: 48: ldr r6, =(KERNEL_END - 1) @可以知道r6是一个虚拟地址，0xC0008000+解压后的内核大小-1 49: add r0, r0, #4 @r0指向下一个待填写的页表项 50: add r6, r4, r6, lsr #18 @r6指向最后一个页表项的地址 ls后缀：无符号数小于等于 51: 1: cmp r0, r6 52: add r3, r3, #1 << 20 53: strls r3, [r0], #4 54: bls 1b 55: @通过循环，将内核所在的虚拟地址空间（0xC0008000+解压内核大小-1）映射到物理内存 56: @0x30008000+解压内核大小-1，接下来，mmu开启后，就不用考虑是不是位置无关码了。 57: 58: 59: /*
60: * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params.
61: 个人感觉：
62: 对于tq2440将内核加载到距离物理内存起始地址32KiB的地方时，也就是0x30008000，下面的代码
63: 不要也可以，因为下面的目的就是将虚拟地址0xC0000000映射到物理地址的0x30000000，这个
64: 上面的代码已经完成了。
65:
66: 但是，如果没有将内核加载到距离物理内存起始地址32KiB的地方，比如加载到0x30300000，即距离
67: 物理内存起始地址3MiB的地方，下面的代码就有必要了，这种情况下，上面的代码仅仅完成了将：
68:
69: 虚拟地址0xC0300000~解压内核大小-1映射到物理内存0x30300000~解压内核大小-1，没有将uboot传给
70: 内核的参数所在的内存区域（一般在距离物理内存起始地址16KiB范围内）进行映射。下面的代码完成了
71: 这个任务，此时PAGE_OFFSET=0xc0000000 PHYS_OFFSET=0x30000000
72: 完成将虚拟地址0xC0000000~0xC0100000-1映射到物理地址的0x30000000~0x30100000-1
73: */
74: add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18 75: orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)76: .if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)
77: orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000) 78: .endif 79: str r6, [r0] 80: 81: mov pc, lr 82: ENDPROC(__create_page_tables) 83: .ltorg
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.
对于arm920t来说，PROCINFO_INITFUNC=16，此时r10+16---->b __arm920_setup
1: .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
2: 3: .type __arm920_proc_info,#object 4: m920_proc_info:5: .long 0x41009200
6: .long 0xff00fff0
7: .long PMD_TYPE_SECT | \
8: PMD_SECT_BUFFERABLE | \ 9: PMD_SECT_CACHEABLE | \ 10: PMD_BIT4 | \ 11: PMD_SECT_AP_WRITE | \ 12: PMD_SECT_AP_READ13: .long PMD_TYPE_SECT | \
14: PMD_BIT4 | \ 15: PMD_SECT_AP_WRITE | \ 16: PMD_SECT_AP_READ 17: b __arm920_setup18: .long cpu_arch_name
19: .long cpu_elf_name
20: .long HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB
21: .long cpu_arm920_name
22: .long arm920_processor_functions
23: .long v4wbi_tlb_fns
24: .long v4wb_user_fns
25: def CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH26: .long arm920_cache_fns
27: e28: .long v4wt_cache_fns
29: if
30: .size __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info 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.
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
arm linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析,布布扣,bubuko.com
arm linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析
原文：http://www.cnblogs.com/pengdonglin137/p/3632698.html