转自尘的日志
linux/arch/arm/kernel/head.S是linux内核映像解压后执行的第一个文件。
//PAGE_OFFSET = 0xc0000000; TEXT_OFFSET = 0x00008000;
//PHYS_OFFSET = 0x30000000;
#define KERNEL_RAM_VADDR
(PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)
#define KERNEL_RAM_PADDR
(PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET)
.section ".text.head", "ax"
ENTRY(stext)
msr
cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE //禁止FIQ、IRQ，设定SVC模式
mrc
p15, 0, r9, c0, c0
@ 获取 processor id
bl
__lookup_processor_type
@ r5=procinfo r9=cpuid
movs
r10, r5
@ invalid processor (r5=0)?
//
beq
__error_p
@ yes, error 'p'
//查询machine ID并检查合法性
bl
__lookup_machine_type
@ r5=machinfo
movs
r8, r5
@ invalid machine (r5=0)?
beq
__error_a
@ yes, error 'a'
bl
__vet_atags //检查bootloader传入的参数列表atags的合法性
bl
__create_page_tables //创建初始页表
ldr
r13, __switch_data
//将列表__switch_data存到r13中后面会跳到该列表出
adr
lr, __enable_mmu
//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。
//r10中存放的基地址是从__lookup_processor_type中得到的，如上面movs
r10, r5
add
pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC
ENDPROC(stext)
接下来将对上面遇到的几个程序段展开分析。
__lookup_processor_type
在讲解该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;
unsigned long
__cpu_io_mmu_flags;
unsigned long
__cpu_flush;
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
.type __arm920_proc_info,#object
__arm920_proc_info:
.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_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。
__lookup_processor_type:
//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）
adr r3, 3f
//R5=__proc_info_begin，r6=__proc_info_end，r7=标号3处的虚拟地址。
ldmda r3, {r5 - r7}
sub r3, r3, r7
//得到虚拟地址和物理地址之间的offset
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
add r6, r6, r3
@ physical address space
1: ldmia r5, {r3, r4} //r3=cpu_val,r4=
cpu_mask,
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！）
teq r3, r4
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
add r5, r5, #PROC_INFO_SZ
//判断是否已经到了结构体proc_info_list存放区域的末尾__proc_info_end，
cmp r5, r6
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。
mov r5, #0
2: mov pc, lr //子程序返回。
ENDPROC(__lookup_processor_type)
.long __proc_info_begin
.long __proc_info_end
3: .long .
.long __arch_info_begin
.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：
struct machine_desc {
unsigned int
nr;
unsigned int
phys_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_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。
.long __proc_info_begin
.long __proc_info_end
3: .long .
.long __arch_info_begin
.long __arch_info_end
__lookup_machine_type:
adr r3, 3b ////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。
ldmia r3, {r4, r5, r6}
sub r3, r3, r4
@ get offset between virt&phys
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 //r1就是bootloader传递过来的机器码，就是上面的平台编号。
beq 2f //如果匹配成功就返回
add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC//没匹配成功就跳到下一个结构体machine_desc
cmp r5, r6
blo 1b
mov r5, #0
//如果匹配失败就将r5清零。
2: mov pc, lr //子程序返回。
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 include/asm-arm/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：
struct tag {
struct tag_header hdr;
union {
struct tag_core core;
struct tag_mem32 mem;
struct tag_videotext videotext;
struct tag_ramdisk ramdisk;
struct
tag_initrd
initrd;
struct
tag_serialnr
serialnr;
struct tag_revision revision;
struct tag_videolfb videolfb;
struct tag_cmdline cmdline;
struct
tag_acorn
acorn;
struct
tag_memclk
memclk;
} u;
};
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：
struct tag_header {
u32 size;
u32 tag;
};
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。
__vet_atags:
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
bne
1f
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
subs
r5, r5, #ATAG_CORE_SIZE
bne
1f
ldr
r5, [r2, #4] //获取第一个tag结构体的标记，
ldr
r6, =ATAG_CORE
cmp
r5, r6 //判断第一个tag结构体的标记是不是ATAG_CORE
bne
1f
mov
pc, lr
//正常退出
1:
mov
r2, #0
mov
pc, lr //参数连表不正确
ENDPROC(__vet_atags)
__create_page_tables
.macro pgtbl, rd
ldr \rd, =(KERNEL_RAM_PADDR - 0x4000)
.endm
__create_page_tables:
//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。
pgtbl r4
//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。
mov r0, r4
mov r3, #0
add r6, r0, #0x4000
1: str r3, [r0], #4
str r3, [r0], #4
str r3, [r0], #4
str r3, [r0], #4
teq r0, r6
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
ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags
mov r6, pc, lsr #20
@ start of kernel section
orr r3, r7, r6, lsl #20
@ flags + kernel base
str r3, [r4, r6, lsl #2]
//字对齐
add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18 // r0 = 0x30007000
str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]! // r0 存放的是转换表的起始位置
ldr r6, =(KERNEL_END - 1) //获取内核的尾部虚拟地址存于r6中
add r0, r0, #4 //第一个地址条目存放在0x30007004处，以后一次递增
add r6, r4, r6, lsr #18 //计算最后一个地址条目存放的位置
1: cmp r0, r6 //填充这之间的地址条目
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。
strls r3, [r0], #4
bls 1b
#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
//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，
orr r3, r7, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0xff000000)
.if (KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)
orr r3, r3, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)
.endif
add r0, r4, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18
str r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]!
ldr r6, =(_end - 1)
add r0, r0, #4
add r6, r4, r6, lsr #18
1: cmp r0, r6
add r3, r3, #1 << 20
strls r3, [r0], #4
bls 1b
#endif
//r0 = 0x30007000,上面是从0x30007004开始存放地址条目的。
add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18
orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000) //r6= 0x30000c1e
.if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)
orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000) //
.endif
str r6, [r0] //将0x30000c1e存于0x30007000处。
#ifdef CONFIG_DEBUG_LL //下面是为了调试而做的相关映射，跳过。
ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags
ldr r3, [r8, #MACHINFO_PGOFFIO]
add r0, r4, r3
rsb r3, r3, #0x4000
@ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)
cmp r3, #0x0800
@ limit to 512MB
movhi r3, #0x0800
add r6, r0, r3
ldr r3, [r8, #MACHINFO_PHYSIO]
orr r3, r3, r7
1: str r3, [r0], #4
add r3, r3, #1 << 20
teq r0, r6
bne 1b
#if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)
add r0, r4, #0xff000000 >> 18
orr r3, r7, #0x7c000000
str r3, [r0]
#endif
#ifdef CONFIG_ARCH_RPC
add r0, r4, #0x02000000 >> 18
orr r3, r7, #0x02000000
str r3, [r0]
add r0, r4, #0xd8000000 >> 18
str r3, [r0]
#endif
#endif
mov pc, lr //子程序返回。
ENDPROC(__create_page_tables)
__arm920_setup
在上面程序段.section ".text.head", "ax"的最后有这样几行：
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linux/arch/arm/mm/proc-arm920.S中有：
.section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
.type __arm920_proc_info,#object
__arm920_proc_info:
.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
………………………………
add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC的意思跳到函数__arm920_setup去执行。
.type __arm920_setup, #function //表明这是一个函数
__arm920_setup:
mov r0, #0 //设置r0为0。
mcr p15, 0, r0, c7, c7
//使数据cahche, 指令cache无效。
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4
//使write buffer无效。
#ifdef CONFIG_MMU
mcr p15, 0, r0, c8, c7
//使数据TLB,指令TLB无效。
#endif
adr r5, arm920_crval //获取arm920_crval的地址，并存入r5。
ldmia r5, {r5, r6} //获取arm920_crval地址处的连续8字节分别存入r5,r6。
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
bic r0, r0, r5
orr r0, r0, r6 //设置r0中的相关位，即为mmu做相应设置。
mov pc, lr //上面有操作adr
lr, __enable_mmu ，此处将跳到程序段__enable_mmu处。
.size __arm920_setup, . - __arm920_setup
.type arm920_crval, #object
arm920_crval:
crval clear=0x00003f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001130
文件linux/arch/arm/kernel/head.S中
__enable_mmu:
#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
orr r0, r0, #CR_A //使能地址对齐错误检测
#else
bic r0, r0, #CR_A
#endif
#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE
bic r0, r0, #CR_C //禁止数据cache
#endif
#ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
bic r0, r0, #CR_Z
#endif
#ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE
bic r0, r0, #CR_I //禁止指令cache
#endif //配置相应的访问权限并存入r5中
mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \
domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \
domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \
domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))
mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0
//将访问权限写入协处理器
mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0
//将页表基地址写入基址寄存器C2，0X30004000
b __turn_mmu_on //跳转到程序段去打开MMU
ENDPROC(__enable_mmu)
文件linux/arch/arm/kernel/head.S中
__turn_mmu_on:
mov r0, r0
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
//打开MMU同时打开cache等。
mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0
@ read id reg //读取id寄存器
mov r3, r3
mov r3, r3 //两个空操作，等待前面所取的指令得以执行。
mov pc, r13 //程序跳转，如下面解释。
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。
在文件linux/arch/arm/kernel/head-common.S中：
.type __switch_data, %object //定义一个对象
__switch_data:
.long __mmap_switched //由此可知上面程序将跳转到该程序段处。
.long __data_loc
@ r4
.long _data @ r5
.long __bss_start
@ r6
.long _end @ r7
.long processor_id
@ r4
.long __machine_arch_type
@ r5
.long __atags_pointer
@ r6
.long cr_alignment
@ r7
.long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp
. = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;
#else
. = ALIGN(THREAD_SIZE);
__data_loc = .;
#endif
.data : AT(__data_loc) { //此处数据存储在上面__data_loc处。
_data = .;
*(.data.init_task)
…………………………
.bss : {
__bss_start = .;
*(.bss)
*(COMMON)
_end = .;
}
………………………………
｝
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,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
*/
__mmap_switched:
adr r3, __switch_data + 4
ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}
cmp r4, r5
@ Copy data segment if needed
1: cmpne r5, r6 //将
__data_loc处数据搬移到_data处
ldrne fp, [r4], #4
strne fp, [r5], #4
bne 1b
mov fp, #0
//清除BSS段内容
1: cmp r6, r7
strcc fp, [r6],#4
bcc 1b
ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp}
str r9, [r4]
@ Save processor ID
str r1, [r5]
@ Save machine type
str r2, [r6]
@ Save atags pointer
bic r4, r0, #CR_A
@ Clear 'A' bit
stmia r7, {r0, r4}
@ Save control register values
b start_kernel //程序跳转到函数start_kernel进入C语言部分。
ENDPROC(__mmap_switched)
|
