arm linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析

《ARM体系结构与编程》

《嵌入式Linux应用开发完全手册》

Linux_Memory_Address_Mapping

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.

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 0xc8 kernel在RAM中的的虚拟地址
PAGE_OFFSET include/asm-arm/memeory.h +50 0xc0 内核空间的起始虚拟地址
TEXT_OFFSET arch/arm/Makefile +137 0x08 内核相对于存储空间的偏移
TEXTADDR arch/arm/kernel/head.S +49 0xc8 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:
11: 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:
72: ENTRY(stext)
73: msr cpsr_c, #PSR_F_BIT PSR_I_BIT SVC_MODE @ ensure svc mode
74: @ and irqs disabled
75: mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
76: bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
77: movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
78: beq __error_p @ yes, error p
79: bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo
80: movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?
81: beq __error_a @ yes, error a
82: bl __create_page_tables
83:
84: /*
85: * The following calls CPU specific code in a position independent
86: * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
87: * xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type
88: * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be
89: * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.
90: */
91: ldr r13, __switch_data @ address to jump to after
92: @ mmu has been enabled
93: adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address
94: 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.