LinuxKernelStartARM  

ARM Linux內核啟動過程.

Updated Feb 24, 2011 by swordhui...@gmail.com

注: 本文轉自ChinaUnix 作者為XPL.

本文針對arm linux, 從kernel的第一條指令開始分析,一直分析到進入 start_kernel()函數. 我們當前以linux-2.6.19內核版本作為范例來分析,本文中所有的代碼,前面都會加上行號以便于和源碼進行對照, 例: 在文件init/main.c中: 00478: asmlinkage void init start_kernel(void) 前面的'00478:' 表示478行,冒號后面的內容就是源碼了.

在分析代碼的過程中,我們使用縮進來表示各個代碼的調用層次.

由于啟動部分有一些代碼是平臺特定的,雖然大部分的平臺所實現的功能都比較類似,但是為了更好的對code進行說明,對于平臺相關的代碼,我們選擇 at91(ARM926EJS)平臺進行分析.

另外,本文是以uncompressed kernel開始講解的.對于內核解壓縮部分的code,在 arch/arm/boot/compressed中,本文不做討論.

一. 啟動條件

通常從系統上電到執行到linux kenel這部分的任務是由boot loader來完成. 關于boot loader的內容,本文就不做過多介紹. 這里只討論進入到linux kernel的時候的一些限制條件,這一般是boot loader在最后跳轉到kernel之前要完成的:

• 1. CPU必須處于SVC(supervisor)模式,并且IRQ和FIQ中斷都是禁止的;

• 2. MMU(內存管理單元)必須是關閉的, 此時虛擬地址對物理地址;

• 3. 數據cache(Data cache)必須是關閉的

• 4. 指令cache(Instruction cache)可以是打開的,也可以是關閉的,這個沒有強制要求;

• 5. CPU 通用寄存器0 (r0)必須是 0;

• 6. CPU 通用寄存器1 (r1)必須是 ARM Linux machine type (關于machine type, 我們后面會有講解)

• 7. CPU 通用寄存器2 (r2) 必須是 kernel parameter list 的物理地址(parameter list 是由boot loader傳遞給kernel,用來描述設備信息屬性的列表,詳細內容可參考'Booting ARM Linux'文檔).

二. starting kernel

首先，我們先對幾個重要的宏進行說明(我們針對有MMU的情況)：

內核的入口是stext,這是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定義的:

        00011: ENTRY(stext)

對于vmlinux.lds.S,這是ld script文件,此文件的格式和匯編及C程序都不同,本文不對ld script作過多的介紹,只對內核中用到的內容進行講解,關于ld的詳細內容可以參考ld.info 這里的ENTRY(stext) 表示程序的入口是在符號stext. 而符號stext是在arch/arm/kernel/head.S中定義的: 下面我們將arm linux boot的主要代碼列出來進行一個概括的介紹,然后,我們會逐個的進行詳細的講解.

在arch/arm/kernel/head.S中 72 - 94 行,是arm linux boot的主代碼: 00072: ENTRY(stext)                                                        
00073:         msr        cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
00074:                                                 @ and irqs disabled        
00075:         mrc        p15, 0, r9, c0, c0                @ get processor id         
00076:         bl        __lookup_processor_type                @ r5=procinfo r9=cpuid     
00077:         movs        r10, r5                                @ invalid processor (r5=0)?
00078:         beq        __error_p                        @ yes, error 'p'           
00079:         bl        __lookup_machine_type                @ r5=machinfo              
00080:         movs        r8, r5                                @ invalid machine (r5=0)?  
00081:         beq        __error_a                        @ yes, error 'a'           
00082:         bl        __create_page_tables                                       
00083:                                                                     
00084:         /*                                                                 
00085:          * The following calls CPU specific code in a position independent
00086:          * manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S for details.  r10 = base of   
00087:          * xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type      
00088:          * above.  On return, the CPU will be ready for the MMU to be      
00089:          * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.     
00090:          */                                                               
00091:         ldr        r13, __switch_data                @ address to jump to after
00092:                                                 @ mmu has been enabled     
00093:         adr        lr, __enable_mmu                @ return (PIC) address     
00094:         add        pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC                                

其中,73行是確保kernel運行在SVC模式下,并且IRQ和FIRQ中斷已經關閉,這樣做是很謹慎的.

arm linux boot的主線可以概括為以下幾個步驟:

• 1. 確定 processor type (75 - 78行)

• 2. 確定 machine type (79 - 81行)

• 3. 創建頁表 (82行)

• 4. 調用平臺特定的cpu_flush函數 (在struct proc_info_list中) (94 行)

• 5. 開啟mmu (93行)

• 6. 切換數據 (91行)

最終跳轉到start_kernel (在switch_data的結束的時候,調用了 b start_kernel)

下面,我們按照這個主線,逐步的分析Code.

1. 確定 processor type

arch/arm/kernel/head.S中:

00075:         mrc        p15, 0, r9, c0, c0                @ get processor id         
00076:         bl        __lookup_processor_type                @ r5=procinfo r9=cpuid     
00077:         movs        r10, r5                                @ invalid processor (r5=0)?
00078:         beq        __error_p                        @ yes, error 'p'          

75行: 通過cp15協處理器的c0寄存器來獲得processor id的指令. 關于cp15的詳細內容可參考相關的arm手冊

76行: 跳轉到lookup_processor_type.在lookup_processor_type中,會把processor type 存儲在r5中

77,78行: 判斷r5中的processor type是否是0,如果是0,說明是無效的processor type,跳轉到error_p(出錯)

lookup_processor_type 函數主要是根據從cpu中獲得的processor id和系統中的proc_info進行匹配,將匹配到的proc_info_list的基地址存到r5中, 0表示沒有找到對應的processor type.

下面我們分析lookup_processor_type函數

arch/arm/kernel/head-common.S中:

00145:         .type        __lookup_processor_type, %function
00146: __lookup_processor_type:
00147:         adr        r3, 3f
00148:         ldmda        r3, {r5 - r7}
00149:         sub        r3, r3, r7                        @ get offset between virt&phys
00150:         add        r5, r5, r3                        @ convert virt addresses to
00151:         add        r6, r6, r3                        @ physical address space
00152: 1:        ldmia        r5, {r3, r4}                        @ value, mask
00153:         and        r4, r4, r9                        @ mask wanted bits
00154:         teq        r3, r4
00155:         beq        2f
00156:         add        r5, r5, #PROC_INFO_SZ                @ sizeof(proc_info_list)
00157:         cmp        r5, r6
00158:         blo        1b
00159:         mov        r5, #0                                @ unknown processor
00160: 2:        mov        pc, lr
00161:
00162: /*
00163:  * This provides a C-API version of the above function.
00164:  */
00165: ENTRY(lookup_processor_type)
00166:         stmfd        sp!, {r4 - r7, r9, lr}
00167:         mov        r9, r0
00168:         bl        __lookup_processor_type
00169:         mov        r0, r5
00170:         ldmfd        sp!, {r4 - r7, r9, pc}
00171:
00172: /*
00173:  * Look in include/asm-arm/procinfo.h and arch/arm/kernel/arch.[ch] for
00174:  * more information about the __proc_info and __arch_info structures.
00175:  */
00176:         .long        __proc_info_begin
00177:         .long        __proc_info_end
00178: 3:        .long        .
00179:         .long        __arch_info_begin
00180:         .long        __arch_info_end