linux kernel 从入口到start_kernel 的代码分析
本文的很多内容是参考了网上某位大侠的文章写的<<>>,有些东西是直接从他那copy过来的。
最近分析了一下u-boot的源码,并写了分文档, 为了能够衔接那篇文章,这次又把arm linux的启动代码大致分析了一下,特此写下了这篇文档。一来是大家可以看看u-boot到底是如何具体跳转到linux下跑的,二来也为自己更深入的学习linux kernel打下基础。
本文以arm 版的linux为例, 从kernel的第一条指令开始分析,一直分析到进入start_kernel()函数,也就是kernel启动的汇编部分,我们把它称之为第一部分,
以后有时间在把启动的第二部分在分析一下。我们当前以linux-
由于启动部分有一些代码是平台相关的,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smdk2410平台, CPU是s3c2410(arm核是arm920T)进行分析。
另外,本文是以未压缩的kernel来分析的.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
通常从系统上电执行的boot loader的代码,
而要从boot loader跳转到linux kernel的第一条指令处执行需要一些特定的条件。关于对boot loader的分析请看我的另一篇文档u-boot源码分析。
这里讨论下进入到linux kernel时必须具备的一些条件,这一般是boot loader在跳转到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, 此时虚拟地址就是物理地址;
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)。
更详细的关于启动arm linux之前要做哪些准备工作可以参考,“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 |
0xc0008000 |
kernel在RAM中的虚拟地址 |
PAGE_OFFSET |
include/asm-arm/memeory.h +50 |
0xc0000000 |
内核空间的起始虚拟地址 |
TEXT_OFFSET |
arch/arm/Makefile +131 |
0x00008000 |
内核在RAM中起始位置相对于 RAM起始地址的偏移 |
TEXTADDR |
arch/arm/kernel/head.S +49 |
0xc0008000 |
kernel的起始虚拟地址 |
PHYS_OFFSET |
include/asm-arm/arch- *** /memory.h |
平台相关 |
RAM的起始物理地址,对于s3c2410来说在include/asm-arm/arch-s3c2410/memory.h下定义,值为0x30000000(ram接在片选6上) |
内核的入口是stext,这是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定义的:
00011:
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:
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
在进入linux kernel前要确保在管理模式下,并且IRQ,FIQ都是关闭的,因此在00073行就是要确保这几个条件成立。
1. 确定 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: 通过cp15协处理器的c0寄存器来获得processor id的指令. 关于cp15的详细内容可参考相关的arm手册,也可直接参考s3c2410的data sheet。
76行: 跳转到__lookup_processor_type.在__lookup_processor_type中,会把找到匹配的processor type 对象存储在r5中。
77,78行: 判断r5中的processor type是否是0,如果是0,说明系统中没找到匹配当前processor type的对象, 则跳转到__error_p(出错)。系统中会预先定义本系统支持的processor type 对象集。
__lookup_processor_type 函数主要是根据从cpu中获得的processor id和系统中预先定义的本系统能支持的proc_info集进行匹配,看系统能否支持当前的processor, 并将匹配到的proc_info的基地址存到r5中, 0表示没有找到对应的processor type.
下面我们分析__lookup_processor_type函数。
arch/arm/kernel/head-common.S中:
00145:
.type __lookup_processor_type, %function
00146: __lookup_processor_type:
00147: adr r3,
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
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
145, 146行是函数定义
147行: 取地址指令,这里的
148行: 因为r3中的地址是178行的位置的地址,因而执行完后:
r5存的是176行符号 __proc_info_begin的地址;
r6存的是177行符号 __proc_info_end的地址;
r7存的是
这里需要注意链接地址和运行时地址的区别. r3存储的是运行时地址(物理地址),而r7中存储的是链接地址(虚拟地址).
__proc_info_begin和__proc_info_end是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中:
00031: __proc_info_begin
= .;
00032:
*(.proc.info.init)
00033: __proc_info_end =
.;
这里是声明了两个变量:__proc_info_begin 和
__proc_info_end,其中等号后面的"."是location counter(详细内容请参考ld.info)
这三行的意思是: __proc_info_begin 的位置上,放置所有文件中的 ".proc.info.init" 段的内容,然后紧接着是 __proc_info_end 的位置.
kernel 使用struct proc_info_list来描述processor
type.
在 include/asm-arm/procinfo.h 中:
00029: struct proc_info_list {
00030: unsigned int
cpu_val;
00031: unsigned int
cpu_mask;
00032: unsigned long
__cpu_mm_mmu_flags; /*
used by head.S */
00033: unsigned long
__cpu_io_mmu_flags; /*
used by head.S */
00034: unsigned
long __cpu_flush;
/* used by head.S */
00035: const char
*arch_name;
00036: const char
*elf_name;
00037: unsigned int
elf_hwcap;
00038: const char
*cpu_name;
00039: struct processor *proc;
00040: struct cpu_tlb_fns
*tlb;
00041: struct cpu_user_fns
*user;
00042: struct cpu_cache_fns
*cache;
00043:
};
我们当前以s3c2410为例,其processor是920t的.
在arch/arm/mm/proc-arm920.S 中:
00448: .section ".proc.info.init",
#alloc, #execinstr
00449:
00450: .type __arm920_proc_info,#object
00451: __arm920_proc_info:
00452:
.long 0x41009200
004523: .long 0xff00fff0
00454: .long
PMD_TYPE_SECT | /
00455: PMD_SECT_BUFFERABLE
| /
00456: PMD_SECT_CACHEABLE | /
00457: PMD_BIT4 | /
00458: PMD_SECT_AP_WRITE | /
00459: PMD_SECT_AP_READ
00460: .long
PMD_TYPE_SECT | /
00461: PMD_BIT4
| /
00462: PMD_SECT_AP_WRITE | /
00463: PMD_SECT_AP_READ
00464: b __arm920_setup
00465: .long cpu_arch_name
00466: .long cpu_elf_name
00467: .long HWCAP_SWP
| HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB
00468: .long cpu_arm920_name
00469: .long arm920_processor_functions
00470: .long v4wbi_tlb_fns
00471: .long v4wb_user_fns
00472:
#ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH
00473: .long arm920_cache_fns
00474: #else
00475: .long v4wt_cache_fns
00476: #endif
00477: .size __arm920_proc_info,
. - __arm920_proc_info
从448行,我们可以看到 __arm920_proc_info 被放到了".proc.info.init"段中.对照struct proc_info_list,我们可以看到 __cpu_flush的定义是在464行,即__arm920_setup.(我们将在"4. 调用平台特定的__cpu_flush函数"一节中详细分析这部分的内容.)
我们继续分析__lookup_processor_type
149行: 从上面的分析我们可以知道r3中存储的是
150行: 将r5存储的虚拟地址(__proc_info_begin)转换成物理地址
151行: 将r6存储的虚拟地址(__proc_info_end)转换成物理地址
152行: 对照struct proc_info_list,可以得知,这句是将当前proc_info的cpu_val和cpu_mask分别存
到r3, r4中
153行: r9中存储了processor
id(arch/arm/kernel/head.S中的75行),与r4的cpu_mask进行逻辑与得到我们需要的值
154行: 将153行中得到的值与r3中的cpu_val进行比较
155行: 如果相等,说明我们找到了对应的processor type,跳到160行,返回
156行: 如果不相等, 将r5指向下一个proc_info,
157行: 和r6比较,检查是否到了__proc_info_end.
158行: 如果没有到__proc_info_end,表明还有proc_info配置,返回152行继续查找
159行: 执行到这里,说明所有的proc_info都匹配过了,但是没有找到匹配的,将r5设置成0(unknown
processor)
160行: 返回
2. 确定 machine type
继续分析head.S,确定了processor type之后,就要确定machine type了
arch/arm/kernel/head.S中:
00079: bl
__lookup_machine_type @
r5=machinfo
00080: movs r8, r5
@ invalid machine (r5=0)?
00081: beq
__error_a
@ yes, error 'a'
79行: 跳转到__lookup_machine_type函数, 和proc_info一样,在系统中也预先定义好了本系统能支持的machine type集, 在__lookup_machine_type中,就是要查找系统中是否有对当前machine type的支持, 如果查找到则会把struct machine_desc的基地址(machine type)存储在r5中。
80,81行: 将r5中的 machine_desc的基地址存储到r8中,并判断r5是否是0,如果是0,说明是无效的machine type,跳转到__error_a(出错)
__lookup_machine_type 函数
下面我们分析__lookup_machine_type 函数:
arch/arm/kernel/head-common.S中:
00176:
.long __proc_info_begin
00177: .long
__proc_info_end
00178: 3: .long .
00179: .long
__arch_info_begin
00180: .long
__arch_info_end
00181:
00182: /*
00183: * Lookup machine architecture in the linker-build list of
architectures.
00184: * Note that we can't use the absolute addresses for the
__arch_info
00185: * lists since we aren't running with the MMU on (and
therefore, we are
00186:
* not in the correct address space).
We have to calculate the offset.
00187: *
00188: * r1 =
machine architecture number
00189: * Returns:
00190: * r3,
r4, r6 corrupted
00191: * r5 =
mach_info pointer in physical address space
00192: */
00193: .type __lookup_machine_type, %function
00194: __lookup_machine_type:
00195: adr r3,
3b
00196: ldmia r3,
{r4, r5, r6}
00197: sub r3,
r3, r4 @ get offset between
virt&phys
00198: add r5,
r5, r3 @ convert virt addresses to
00199: add r6,
r6, r3 @ physical address space
00200: 1: ldr r3,
[r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type
00201: teq r3,
r1 @ matches loader number?
00202: beq 2f
@ found
00203: add r5,
r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next
machine_desc
00204: cmp r5,
r6
00205: blo 1b
00206: mov r5,
#0 @ unknown machine
00207: 2: mov pc, lr
实际上上面这段代码的原理和确定processor type的原理是一样的。
内核中,一般使用宏MACHINE_START来定义machine type。
对于smdk2410来说, 在 arch/arm/mach-s3c2410/Mach-smdk2410.c 中:
MACHINE_START(SMDK2410, "SMDK2410") /* @TODO: request a new
identifier and switch
* to SMDK2410 */
/*
Maintainer: Jonas Dietsche */
.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 = smdk_machine_init,