装载ARM Linux内核启动过程

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, %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e