Linux移植之内核启动过程引导阶段分析

在Linux移植之make uImage编译过程分析中已经提到了uImage是一个压缩的包并且内含压缩程序，可以进行自解压。自解压完成之后内核代码从物理地址为0x30008000处开始运行。下面分析在进入C之前内核做的一些工作，以下是内核启动过程中打印出来的信息，其中Uncompressing Linux就是在自解压代码。make uImage编译的最后也给出了链接脚本arch/arm/kernel/vmlinux.lds，以及链接的顺序arch/arm/kernel/head.o 是第一个。

分析arch/arm/kernel/vmlinux.lds可以知道程序入口的地址是stext，并且是.text.head段

    OUTPUT_ARCH(arm)
    ENTRY(stext)

    . = (0xc0000000) + 0x00008000;

    .text.head : {
    _stext = .;
    _sinittext = .;
    *(.text.head)
    }

打开arch/arm/kernel/head.s。可见内核运行的第一条代码就是第79行的代码，从这条开始分析，首先将CPU设置为管理模式，并且关闭所有中断；然后获得CPU的id。

        .section ".text.head", "ax" //.text.head段
        .type    stext, %function
    ENTRY(stext)                    //入口地址stext
        msr    cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode//确保进入了管理模式
                            @ and irqs disabled                                     //并且禁止中断
        mrc    p15, , r9, c0, c0        @ get processor id                               //获得处理器的CPU id，并且存入 r9中
        bl    __lookup_processor_type        @ r5=procinfo r9=cpuid           //调用函数，输入参数r9=cpuid。返回值r5=procinfo
        movs    r10, r5                @ invalid processor (r5=)?//如果不支持当前CPU，则r5=0
        beq    __error_p            @ yes, error 'p'                              //如果r5=0，则打印错误
        bl    __lookup_machine_type        @ r5=machinfo          //调用函数，r5=返回值machinfo
        movs    r8, r5                @ invalid machine (r5=)?  //如果不支持当前单板，则返回r5=0
        beq    __error_a            @ yes, error 'a'               //如果r5=0，则打印错误
        bl    __create_page_tables//创建一级页表以建立虚拟地址到物理地址的映射关系，后面再研究

接着调用__lookup_processor_type，它位于arch\arm\kernel\head-common.S。它的功能是比较当前CPU的id与内核支持的CPU的id是否相符合。这段代码在.proc.info.init段中从__proc_info_begin开始到__proc_info_end结束，寻找符合当前CPU的ID号的proc_info_list结构

        .type    __lookup_processor_type, %function
    __lookup_processor_type:
        adr    r3, 3f                        //r3 = 第178行代码的物理地址
        ldmda    r3, {r5 - r7}      //将r3地址开始的3个地址的内容赋给 r5、r6、r7 ;r5=__proc_info_begin,r6=__proc_info_end
        sub    r3, r3, r7            @ get offset between virt&phys//r3=r3-r7，即物理地址与虚拟地址的差值
        add    r5, r5, r3            @ convert virt addresses to//r5=__proc_info_begind对应的物理地址
        add    r6, r6, r3            @ physical address space   //r6=__proc_info_end对应的物理地址
    :    ldmia    r5, {r3, r4}            @ value, mask//r3、r4等于proc_info_list结构中的cpu_val、cpu_mask
        and    r4, r4, r9            @ mask wanted bits//r4=r4&r9=cpu_mask&传入的cpuid
        teq    r3, r4                                                    //比较
        beq    2f                                                        //如果相等，则找到对应的proc_info_list结构，跳到160行
        add    r5, r5, #PROC_INFO_SZ        @ sizeof(proc_info_list)//r5指向下一个proc_info_list结构
        cmp    r5, r6                                                   //是否已经比较完所有proc_info_list
        blo    1b                                                       //没有则继续比较
        mov    r5, #                @ unknown processor//比较完毕，但是没有找到匹配的proc_info_list结构，r5=0
    :    mov    pc, lr//返回，返回的值为r5=proc_info_list

        .long    __proc_info_begin
        .long    __proc_info_end
    :    .long    .//.表示当前这条代码链接后的虚拟地址
        .long    __arch_info_begin
        .long    __arch_info_end

其中__proc_info_begin、__proc_info_end被定义在arch\arm\kernel\vmlinux.lds中，它的意思是内核源码中有被定义为.proc.info.init的内容，它的起始地址是__proc_info_begin，结束地址为__proc_info_end。

     .init : { /* Init code and data        */
       *(.init.text)
      _einittext = .;
      __proc_info_begin = .;
       *(.proc.info.init)
      __proc_info_end = .;

接着看到proc_info_list结构的内容，它被定义在include\asm-arm\Procinfo.h中

    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;
    };

接着找到对于当前内核支持的proc_info_list 定义，它在arch\arm\mm\proc-arm920.S 中。对于S3C2410、S3C2440芯片来说CPU ID都是0x41129200。cpu_val的值为0x41009200、cpu_mask的值为0xff00fff0，刚好匹配。

    .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr

        .type    __arm920_proc_info,#object
    __arm920_proc_info:
        .long    0x41009200//cpu_val值
        .long    0xff00fff0//cpu_mask值
        .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
        .long    cpu_arch_name
        .long    cpu_elf_name
        .long    HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB
        .long    cpu_arm920_name
        .long    arm920_processor_functions
        .long    v4wbi_tlb_fns
        .long    v4wb_user_fns
    #ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH
        .long    arm920_cache_fns
    #else
        .long    v4wt_cache_fns
    #endif
        .size    __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info

继续回到arch/arm/kernel/head.s往下分析，看到第83行，调用完__lookup_processor_type后r5的值变为执向找到的proc_info_list 结构的地址。所以第83行与第84行比较r5是否为0，如果为0说明没有找到符合当前CPU的ID号，则打印错误。接着到85行，调用__lookup_machine_type，它同样位于arch\arm\kernel\head-common.S中,它的功能是比较当前单板的id与内核支持的单板的id是否相符合。这段代码在.arch.info.init段中从__arch_info_begin开始到__arch_info_end结束，寻找符合当前单板的ID号的machine_desc结构

        .long    __proc_info_begin
        .long    __proc_info_end
    :    .long    .//.表示当前这条代码链接后的虚拟地址
        .long    __arch_info_begin
        .long    __arch_info_end

        .type    __lookup_machine_type, %function
    __lookup_machine_type:
        adr    r3, 3b                   //r3=第178行的物理地址
        ldmia    r3, {r4, r5, r6}     //r4=r3。r5=__proc_info_end，r6=__proc_info_begin，取得的是虚拟地址
        sub    r3, r3, r4            @ get offset between virt&phys//r3=r3-r4，取得物理地址与虚拟地址的偏差
        add    r5, r5, r3            @ convert virt addresses to//r5=r5+r3，取得物理地址__proc_info_end
        add    r6, r6, r3            @ physical address space   //r6=r6+r3，取得物理地址__proc_info_begin
    :    ldr    r3, [r5, #MACHINFO_TYPE]    @ get machine type //r3=取得单板的编号
        teq    r3, r1                @ matches loader number?//比较r3与r1是否相等，即linux是否支持uboot传入的单板
        beq    2f                @ found                     //如果相等，则跳到207行，找到支持的单板，返回
        add    r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC    @ next machine_desc//r5执向下一个machine_desc结构
        cmp    r5, r6                                             //是否已经比较完machine_desc结构?
        blo    1b                                                 //如果没有比较完，则跳到200行继续比较
        mov    r5, #                @ unknown machine              //如果所有machine_desc都比较完了，r5=0
    :    mov    pc, lr                                             //返回

其中__arch_info_begin、__arch_info_end被定义在arch\arm\kernel\vmlinux.lds中，它的意思是内核源码中有被定义为.arch.info.init的内容，它的起始地址是__arch_info_begin，结束地址为__arch_info_end。

      __arch_info_begin = .;
       *(.arch.info.init)
      __arch_info_end = .;

接着看到machine_desc结构的内容，它被定义在include\asm-arm\mach\Arch.h 中

    struct machine_desc {
        /*
19         * Note! The first four elements are used
20         * by assembler code in head-armv.S
21         */
        unsigned int        nr;        /* architecture number    */     //单板的编号，是从内核传过来的编号  r1
        unsigned int        phys_io;    /* start of physical io    */
        unsigned int        io_pg_offst;    /* byte offset for io
25                             * page tabe entry    */

        const char        *name;        /* architecture name    */
        unsigned long        boot_params;    /* tagged list        *///boo传过来的tag标记的位置，也是从内核传过来的 r2

        unsigned int        video_start;    /* start of video RAM    */
        unsigned int        video_end;    /* end of video RAM    */

        unsigned int        reserve_lp0 :;    /* never has lp0    */
        unsigned int        reserve_lp1 :;    /* never has lp1    */
        unsigned int        reserve_lp2 :;    /* never has lp2    */
        unsigned int        soft_reboot :;    /* soft reboot        */
        void            (*fixup)(struct machine_desc *,
                         struct tag *, char **,
                         struct meminfo *);
        void            (*map_io)(void);/* IO mapping function    *///IO映射函数，移植时需要关注
        void            (*init_irq)(void);
        struct sys_timer    *timer;        /* system tick timer    */
        void            (*init_machine)(void);
    };

接着需要找到对于当前内核支持的machine_desc定义，在include\asm-arm\mach\Arch.h 中有如下宏定义，它表示在.arch.info.init段存入一个machine_desc 的结构体，名称为

__mach_desc_type，结构体内.nr、.name初始化为MACH_TYPE_type、_name

    #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                \
    };

接着找调用MACHINE_START这个宏的文件，在arch\arm\mach-s3c2440\Mach-smdk2440.c 找到了，所以单板的ID为MACH_TYPE_S3C2440，它被定义在include\asm-arm\Mach-types.h中

#define MACH_TYPE_S3C2440              362。与UBOOT传入的参数相符合。

    MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")
        /* Maintainer: Ben Dooks <ben@fluff.org> */
        .phys_io    = S3C2410_PA_UART,
        .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> ) & 0xfffc,
        .boot_params    = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

        .init_irq    = s3c24xx_init_irq,
        .map_io        = smdk2440_map_io,
        .init_machine    = smdk2440_machine_init,
        .timer        = &s3c24xx_timer,
    MACHINE_END

继续来看MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")这个宏，在里面有许多和开发板相关的设置，比如说smdk2440_map_io，它被定义在arch\arm\mach-s3c2440\Mach-smdk2440.c中，在Linux移植之移植步骤中提到过想要移植成功，必须修改327行代码，将晶振的设置改为12000000。还有其它的一些配置就不一一列举了。

    static void __init smdk2440_map_io(void)
    {
        s3c24xx_init_io(smdk2440_iodesc, ARRAY_SIZE(smdk2440_iodesc));
        s3c24xx_init_clocks();//根据开发板合适的晶振配置
        s3c24xx_init_uarts(smdk2440_uartcfgs, ARRAY_SIZE(smdk2440_uartcfgs));
    }

回到arch/arm/kernel/head.s接着往下看，86、87行判断__lookup_machine_type是否成功找到支持单板的machine_desc结构，如果没找到则打印错误，88行是用来创建一级页表以建立虚拟地址到物理地址的映射关系，这里不详细分析。

继续往下看，看到100行，其中r10的值为__arm920_proc_info所在地址，PROCINFO_INITFUNC为proc_info_list结构体的偏移量，具体为__cpu_flush，对应到__arm920_proc_info结构体内，pc的值就是b __arm920_setup这条语句所在地址，即执行b __arm920_setup这条指令，__arm920_setup做一些MMU相关的初始化，在arch\arm\mm\proc-arm920.S中，这里不做细究。

    ldr    r13, __switch_data        @ address to jump to after//r13是堆栈寄存器sp
                            @ mmu has been enabled
    adr    lr, __enable_mmu        @ return (PIC) address //100行设置完成之后在使能MMU
   add    pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC//调用__arm920_setup函数，应该跟MMU相关，后面再研究

b __arm920_setup执行完毕返回之后执行的是arch/arm/kernel/head.s下的__enable_mmu 。

        .type    __enable_mmu, %function
    __enable_mmu:
.....
        b    __turn_mmu_on

        .align
        .type    __turn_mmu_on, %function
    __turn_mmu_on:
        mov    r0, r0
        mrc    p15, , r3, c0, c0,         @ read id reg
        mov    r3, r3
        mov    r3, r3
        mov    pc, r13//设置完MMU之后跳转到__switch_data执行

__enable_mmu 执行完之后进入__switch_data执行，注意这时候的运行地址已经是初始化MMU之后的虚拟地址了。从15-24行可以看出pc=__mmap_switched，__mmap_switched的主要工作是将processor_id与__machine_arch_type初始化为当前MCU的编号与单板的编号

        .type    __switch_data, %object
    __switch_data:
        .long    __mmap_switched
        .long    __data_loc            @ r4
        .long    __data_start            @ r5
        .long    __bss_start            @ r6
        .long    _end                @ r7
        .long    processor_id            @ r4//之前找到的符合当前MCU的__arm920_proc_info结构体
        .long    __machine_arch_type        @ r5//之前找到的符合单板的__mach_desc_S3C2440结构体
        .long    cr_alignment            @ r6
        .long    init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp

    /*
27     * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,
28     * and uses absolute addresses; this is not position independent.
29     *
30     *  r0  = cp#15 control register
31     *  r1  = machine ID
32     *  r9  = processor ID
33     */
        .type    __mmap_switched, %function
    __mmap_switched://虚拟地址已经可以使用
        adr    r3, __switch_data + //r3=__data_loc所在的地址

        ldmia    r3!, {r4, r5, r6, r7}//r4=__data_loc所在地址；r5=__data_start所在地址依次类推 r3=__switch_data+4*4
        cmp    r4, r5                @ Copy data segment if needed //检查是否有__data_loc段r4=r5说明没有__data_loc
    :    cmpne    r5, r6
        ldrne    fp, [r4], #
        strne    fp, [r5], #
        bne    1b

        mov    fp, #                @ Clear BSS (and zero fp)//清0BSS段
    :    cmp    r6, r7
        strcc    fp, [r6],#
        bcc    1b

        ldmia    r3, {r4, r5, r6, sp}//r4=processor_id、r5=__machine_arch_type、r6=cr_alignment、sp=init_thread_union + THREAD_START_SP
        str    r9, [r4]            @ Save processor ID//processor_id=r9 = proc_info_list.cpu_val = 0x41009200
        str    r1, [r5]            @ Save machine type//__machine_arch_type=r1 = machine_desc .nr =  MACH_TYPE_S3C2440 = 362
        bic    r4, r0, #CR_A            @ Clear 'A' bit
        stmia    r6, {r0, r4}            @ Save control register values
        b    start_kernel//跳转到start_kernel C函数

最终执行b start_kernel，跳到C函数，这是第二阶段的内容。