Linux内核启动流程分析二.docx
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Linux内核启动流程分析二
S3C2410 Linux 2.6.35.7启动分析（第二阶段）
接着上面的分析，第一阶段的代码跳转后，会进入第二阶段的代码。
第二阶段的代码是从\arch\arm\kernel\head.S开始的。
内核启动第二阶段主要完成的工作有，cpu ID检查，machine ID（也就是开发板ID）检查，创建初始化页表，设置C代码运行环境，跳转到内核第一个真正的C函数startkernel开始执行。
这一阶段涉及到两个重要的结构体：
（1） 一个是struct proc_info_list 主要描述CPU相关的信息，定义在文件arch\arm\include\asm\procinfo.h中，与其相关的函数及变量在文件arch/arm/mm/proc_arm920.S中被定义和赋值。
（2） 另一个结构体是描述开发板或者说机器信息的结构体struct machine_desc，定义在\arch\arm\include\asm\mach\arch.h文件中，其函数的定义和变量的赋值在板极相关文件arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c中实现，这也是内核移植非常重要的一个文件。
该阶段一般由前面的解压缩代码调用,进入该阶段要求：
MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care,r0 = 0, r1 = machine id.
所有的机器ID列表保存在arch/arm/tools/mach-types 文件中，在编译时会将这些机器ID按照统一的格式链接到基本内核映像文件vmlinux的__arch_info_begin和__arch_info_end之间的段中。
存储格式定义在include/asm-arm/mach/arch.h文件中的结构体struct machine_desc {}。
这两个结构体的内容最终会被连接到基本内核映像vmlinux中的两个段内，分别是*（.proc.info.init）和*（.arch.info.init），可以参考下面的连接脚本。
链接脚本：
arch/arm/kernel/vmlinux.lds
*****************************链接脚本**************************************
SECTIONS
{
. = TEXTADDR;
.init :
{ /* 初始化代码段*/
_stext = .;
_sinittext = .;
*（.init.text）
_einittext = .;
__proc_info_begin = .;
*（.proc.info.init）
__proc_info_end = .;
__arch_info_begin = .;
*（.arch.info.init）
__arch_info_end = .;
__tagtable_begin = .;
*（.taglist.init）
__tagtable_end = .;
. = ALIGN（16）;
__setup_start = .;
*（.init.setup）
__setup_end = .;
__early_begin = .;
*（.early_param.init）
__early_end = .;
__initcall_start = .;
*（.initcall1.init）
*（.initcall2.init）
*（.initcall3.init）
*（.initcall4.init）
*（.initcall5.init）
*（.initcall6.init）
*（.initcall7.init）
__initcall_end = .;
__con_initcall_start = .;
*（.con_initcall.init）
__con_initcall_end = .;
__security_initcall_start = .;
*（.security_initcall.init）
__security_initcall_end = .;
. = ALIGN（32）;
__initramfs_start = .;
usr/built-in.o（.init.ramfs）
__initramfs_end = .;
. = ALIGN（64）;
__per_cpu_start = .;
*（.data.percpu）
__per_cpu_end = .;
#ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
__init_begin = _stext;
*（.init.data）
. = ALIGN（4096）;
__init_end = .;
#endif
}
*****************************链接脚本**************************************
下面开始代码\arch\arm\kernel\head.S的注释：
开始分析前先看下一点基础知识：
1. kernel运行的史前时期和内存布局
在arm平台下，zImage.bin压缩镜像是由bootloader加载到物理内存，然后跳到zImage.bin里一段程序，它专门于将被压缩的kernel解压缩到KERNEL_RAM_PADDR开始的一段内存中，接着跳进真正的kernel去执行。
该kernel的执行起点是stext函数，定义于arch/arm/kernel/head.S。
此时内存的布局如下图所示
在开发板3c2410中，SDRAM连接到内存控制器的Bank6中，它的开始内存地址是0x30000000，大小为64M，即0x20000000。
ARM Linux kernel将SDRAM的开始地址定义为PHYS_OFFSET。
经bootloader加载kernel并由自解压部分代码运行后，最终kernel被放置到KERNEL_RAM_PADDR（=PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET，即0x30008000）地址上的一段内存，经此放置后，kernel代码以后均不会被移动。
在进入kernel代码前，即bootloader和自解压缩阶段，ARM未开启MMU功能。
因此kernel启动代码一个重要功能是设置好相应的页表，并开启MMU功能。
为了支持MMU功能，kernel镜像中的所有符号，包括代码段和数据段的符号，在链接时都生成了它在开启MMU时，所在物理内存地址映射到的虚拟内存地址。
以arm kernel第一个符号（函数）stext为例，在编译链接，它生成的虚拟地址是0xc0008000，而放置它的物理地址为0x30008000（还记得这是PHYS_OFFSET+TEXT_OFFSET吗？
）。
实际上这个变换可以利用简单的公式进行表示：
va = pa – PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET。
Arm linux最终的kernel空间的页表，就是按照这个关系来建立。
之所以较早提及arm linux 的内存映射，原因是在进入kernel代码，里面所有符号地址值为清一色的0xCXXXXXXX地址，而此时ARM未开启MMU功能，故在执行stext函数第一条执行时，它的PC值就是stext所在的内存地址（即物理地址，0x30008000）。
因此，下面有些代码，需要使用地址无关技术。
__HEAD /*该宏定义了下面的代码位于".head.text"段内*/
.type stext, %function /*声明stext为函数*/
ENTRY（stext） /*第二阶段的入口地址*/
setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ ensure svc mode and irqs disabled 进入超级权限模式，关中断
/*从协处理器CP15，C0读取CPU ID,然后在__proc_info_begin开始的段中进行查找，如果找到，则返回对应处理器相关结构体在物理地址空间的首地址到r5，最后保存在r10中*/
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id 取出cpu id
bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
/**********************************************************************/
__lookup_processor_type函数的具体解析开始（\arch\arm\kernel\ head-common.S）
/**********************************************************************/
在讲解该程序段之前先来看一些相关知识，内核所支持的每一种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。
.section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr /*定义了一个段，下面的结构体存放在该段中*/
.type __arm920_proc_info,#object /*声明一个结构体对象*/
__arm920_proc_info:
/*为该结构体赋值*/
.long 0x41009200
.long 0xff00fff0
.long PMD_TYPE_SECT | \
PMD_SECT_BUFFERABLE | \
PMD_SECT_CACHEABLE | \
PMD_BIT4 | \
PMD_SECT_AP_WRITE | \
PMD_SECT_AP_READ
.long PMD_TYPE_SECT | \
PMD_BIT4 | \
PMD_SECT_AP_WRITE | \
PMD_SECT_AP_READ
b __arm920_setup
…………………………………
.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 中：
SECTIONS
{
#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
. = XIP_VIRT_ADDR（CONFIG_XIP_PHYS_ADDR）;
#else
. = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;
#endif
.text.head :
{
_stext = .;
_sinittext = .;
*（.text.head）
}
.init :
{ /* Init code and data */
INIT_TEXT
_einittext = .;
__proc_info_begin = .;
*（.proc.info.init）
__proc_info_end = .;
__arch_info_begin = .;
*（.arch.info.init）
__arch_info_end = .;
__tagtable_begin = .;
*（.taglist.init）
__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。
/ *
* r9 = cpuid
* Returns:
* r5 = proc_info pointer in physical address space
* r9 = cpuid （preserved）
*/
__lookup_processor_type:
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）
ldmia r3, {r5 - r7} @ R5=__proc_info_begin，r6=__proc_info_end，r7=标号4处的虚拟地址，即4:
.long . 处的地址
add r3, r3, #8 @ 得到4处的物理地址，刚好是跳过两条指令
sub r3, r3, r7 @ get offset between virt&phys得到虚拟地址和物理地址之间的offset
/*利用offset ，将 r5 和 r6 中保存的虚拟地址转变为物理地址*/
add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to
add r6, r6, r3 @ physical address space
1:
ldmia r5, {r3, r4} @ value, mask r3= cpu_val , r4= cpu_mask
and r4, r4, r9 @ mask wanted bits;r9 中存放的是先前读出的 processor ID ，此处屏蔽不需要的位
teq r3, r4 @ 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）
beq 2f @ 如果相等则跳转到标号2处，执行返回指令
add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof（proc_info_list结构的长度，在这等于48）如果没找到， 跳到下一个proc_info_list 处
cmp r5, r6 @ 判断是不是到了该段的结尾
blo 1b @ 如果没有，继续跳到标号1处，查找下一个
mov r5, #0 @ unknown processor ，如果到了结尾，没找到匹配的，就把0赋值给r5，然后返回
2:
mov pc, lr @ 找到后返回，r5指向找到的结构体
ENDPROC（__lookup_processor_type）
.align 2
3:
.long __proc_info_begin
.long __proc_info_end
4:
.long . @“.”表示当前这行代码编译连接后的虚拟地址
.long __arch_info_begin
.long __arch_info_end
/**********************************************************************/
__lookup_processor_type函数的具体解析结束（\arch\arm\kernel\ head-common.S）
/**********************************************************************/
movs r10, r5 @ invalid processor （r5=0）?
beq __error_p @ yes, error 'p'
/*机器 ID是由u-boot引导内核是通过thekernel第二个参数传递进来的，现在保存在r1中,在__arch_info_begin开始的段中进行查找，如果找到，则返回machine对应相关结构体在物理地址空间的首地址到r5，最后保存在r8中。
bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo
/**********************************************************************/
__lookup_machine_type函数的具体解析开始（\arch\arm\kernel\ head-common.S）
/**********************************************************************/
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：
struct machine_desc {
unsigned int nr; /* architecture number */
unsigned int phys_io; /* start of physical io */
………………………………
};
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"）
.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：
#define MACHINE_START（_type,_name） /
static const struct machine_desc __mach_desc_##_type /
__used /
__attribute__（（__section__（".arch.info.init"））） = { /
.nr = MACH_TYPE_##_type, /
.name = _name,
#define MACHINE_END /
};
__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 链接脚本文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中
SECTIONS
{
#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
. = XIP_VIRT_ADDR（CONFIG_XIP_PHYS_ADDR）;
#else
. = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;
#endif
.text.head :
{
_stext = .;
_sinittext = .;
*（.text.head）
}
.init :
{ /* Init code and data */
INIT_TEXT
_einittext = .;
__proc_info_begin = .;
*（.proc.info.init）
__proc_info_end = .;
__arch_info_begin = .;
*（.arch.info.init）
__arch_info_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。
/*
* r1 = machine architecture number
* Returns:
* r5 = mach_info pointer in physical address space
*/
__lookup_machine_type:
adr r3, 4b @ 把标号4处的地址放到r3寄存器里面
ldmia r3, {r4, r5, r6} @ R 4 = 标号4处的虚拟地址 ，r 5 = __arch_info_begin ，r 6= __arch_info_end
sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys 计算出虚拟地址与物理地址的偏移
/*利用offset ，将 r5 和 r6 中保存的虚拟地址转变为物理地址*/
add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to
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 */
1:
ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type
teq r3, r1 @ mat
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