linux内核启动第一阶段分析

linux内核启动第一阶段分析http://blog.csdn.net/aaronychen/article/details/2838341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。本文从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。当前以linux-3.0内核版本来分析,本文中所有的代码前面都会加上行号以便于讲解。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_ADDRarch/arm/kernel/head.S +260xc0008000kernel在RAM中的虚拟地址PAGE_OFFSETinclude/asm-arm/memeory.h +500xc0000000内核空间的起始虚拟地址TEXT_OFFSETarch/arm/Makefile +1310x00008000内核在RAM中起始位置相对于RAM起始地址的偏移TEXTADDRarch/arm/kernel/head.S +49 0xc0008000 kernel的起始虚拟地址PHYS_OFFSETinclude/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) PLAT_PHYS_OFFSET     arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/memory.h   值为0x30000000arm linux boot的主线可以概括为以下几个步骤:1. 确定 processor type2. 确定 machine type3.检查参数合法性4. 创建页表  5. 调用平台特定的__cpu_flush函数        (在struct proc_info_list中)                        6. 开启mmu7. 切换数据最终跳转到start_kernel (在__switch_data的结束的时候,调用了 b start_kernel) 内核的入口是stext,这是在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定义的:        31 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 74 - 94 行,是arm linux boot的主代码: 74         __HEAD 75 ENTRY(stext) 76         setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ 确保进入管理（svc)模式 77                                               @ 并且禁止中断 78         mrc     p15, 0, r9, c0, c0              @ 读取CPU ID，存入r9寄存器 79         bl      __lookup_processor_type      @ 调用函数，输入参数r9=cpuid，                                                  @ 返回值r5=procinfo 80         movs    r10, r5                       @ 如果不支持当前CPU，则返回 (r5=0) 81  THUMB( it      eq )            @ force fixup-able long branch encoding 82         beq     __error_p                       @ 如果r5=0，则打印错误 83 84 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL    @ 在调用__enable_mmu前使用的都是物理地址，而内核却是以虚拟地 址连接的，这里进行一次转换 85         adr     r3, 2f              ＠ r3＝ 第124行代码的物理地址 86         ldmia   r3, {r4, r8}         ＠ r4＝ 第124行代码的虚似地址，r8=PAGE_OFFSET 87         sub     r4, r3, r4     @ (PHYS_OFFSET - PAGE_OFFSET)即物理地址与虚似地址差值 88         add     r8, r8, r4     @ PHYS_OFFSET r8=PAGE_OFFSET对应的物理地址 89 #else 90         ldr     r8, =PLAT_PHYS_OFFSET    @ RAM的起始物理地址，值为0x30000000  91 #endif 92 93         /* 94          * r1 = machine no, r2 = atags or dtb, 95          * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo 96          */ 97         bl      __vet_atags  @ 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性 98 #ifdef CONFIG_SMP_ON_UP   @ 2410没有定义 99         bl      __fixup_smp 100 #endif 101 #ifdef CONFIG_ARM_PATCH_PHYS_VIRT  @ 2410没有定义 102         bl      __fixup_pv_table 103 #endif 在2.6.39版本前，还增加了__lookup_machine_type板级类型支持的检查，这里已经被取消，却增加了84－91行的代码，并且除第97行外，其它有些是没有的， 104         bl      __create_page_tables  @创建初始页表105106         /*107          * The following calls CPU specific code in a position independent108          * manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S for details.  r10 = base of109          * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type110          * above.  On return, the CPU will be ready for the MMU to be111          * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.112          */113         ldr     r13, =__mmap_switched    @ 将列表__switch_data存到r13中后面会跳到该列表出114                                          @ mmu has been enabled115         adr     lr, BSYM(1f)  @ return (PIC) address将程序段 __enable_mmu的地址存到 lr中。116         mov     r8, r4                          @ set TTBR1 to swapper_pg_dir    @ r10中存放的基地址是从__lookup_processor_type中得到的，如上面movs r10, r5117  ARM(   add     pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC     )118  THUMB( add     r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC    )119  THUMB( mov     pc, r12                         )120 1:      b       __enable_mmu121 ENDPROC(stext)122         .ltorg123 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL124 2:      .long   .   ＠ "."号表示当前这行代码编译连接后的虚似地址125         .long   PAGE_OFFSET126 #endif78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。79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。80,82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.1、检查内核是否支持该架构下面我们分析__lookup_processor_type函数。__lookup_processor_type/**********************************************************************/在讲解该程序段之前先来看一些相关知识。内核做支持的每一种CPU 类型都由结构体 proc_info_list来描述。该结构体在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h 中定义：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;};对于 arm920 来说，其对应结构体在文件arch/arm/mm/proc-arm920.S 中初始化。493         .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr494495         .type   __arm920_proc_info,#object496 __arm920_proc_info:497         .long   0x41009200498         .long   0xff00fff0499         .long   PMD_TYPE_SECT | \500                 PMD_SECT_BUFFERABLE | \501                 PMD_SECT_CACHEABLE | \502                 PMD_BIT4 | \503                 PMD_SECT_AP_WRITE | \504                 PMD_SECT_AP_READ505         .long   PMD_TYPE_SECT | \506                 PMD_BIT4 | \507                 PMD_SECT_AP_WRITE | \508                 PMD_SECT_AP_READ509         b       __arm920_setup510         .long   cpu_arch_name.section ".proc.info.init"表明了该结构在编译后存放的位置。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509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.)在链接文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中：  * SECTIONSSECTIONS{ . = 0xC0000000 + 0x00108000; .init : { /* Init code and data                */  _stext = .;  _sinittext = .;   *(.head.text)   *(.init.text) *(.cpuinit.text) *(.meminit.text)  _einittext = .;  __proc_info_begin = .; *(.proc.info.init) __proc_info_end = .;  __arch_info_begin = .;   *(.arch.info.init)  __arch_info_end = .;  __tagtable_begin = .;   *(.taglist.init)  __tagtable_end = .;  __pv_table_begin = .;   *(.pv_table)  __pv_table_end = .;所有CPU类型对应的被初始化的 proc_info_list结构体都放在 __proc_info_begin和__proc_info_end之间。下面我们分析__lookup_processor_type函数。在arch/arm/kernel/head-common.S中:120 /*121  * This provides a C-API version of __lookup_processor_type122  */123 ENTRY(lookup_processor_type)124         stmfd   sp!, {r4 - r6, r9, lr}125         mov     r9, r0126         bl      __lookup_processor_type127         mov     r0, r5128         ldmfd   sp!, {r4 - r6, r9, pc}129 ENDPROC(lookup_processor_type)131 /*132  * Read processor ID register (CP#15, CR0), and look up in the linker-built133  * supported processor list.  Note that we can't use the absolute addresses134  * for the __proc_info lists since we aren't running with the MMU on135  * (and therefore, we are not in the correct address space).  We have to136  * calculate the offset.137  *138  *      r9 = cpuid139  * Returns:140  *      r3, r4, r6 corrupted141  *      r5 = proc_info pointer in physical address space142  *      r9 = cpuid (preserved)143  */144         __CPUINIT145 __lookup_processor_type:146         adr     r3, __lookup_processor_type_data ＠r3存储的是物理地址（由于没有启用 mmu ，所以当前肯定是物理地址）147         ldmia   r3, {r4 - r6}148         sub     r3, r3, r4                      @ 得到虚拟地址和物理地址之间的offset149         add     r5, r5, r3                      @ 利用offset ，将 r5 和 r6 中保存的虚拟地址150         add     r6, r6, r3                      @ 转变为物理地址151 1:      ldmia   r5, {r3, r4}                    @ 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152         and     r4, r4, r9                   @ r9 中存放的是先前读出的 processor ID ，     此处屏蔽不需要的位。 153         teq     r3, r4  查看代码和CPU 硬件是否匹配154         beq     2f      如果匹配成功就返回155         add     r5, r5, #PROC_INFO_SZ           @ PROC_INFO_SZ (proc_info_list 结构的长度，在这等于 48) ， 跳到下一个 proc_info_list 处156         cmp     r5, r6157         blo     1b如果没有匹配成功就将r5清零，如果匹配成功r5中放的是该CPU类型对应的结构体// proc_info_list 的基地址。158         mov     r5, #0                          @ unknown processor159 2:      mov     pc, lr    子程序返回。160 ENDPROC(__lookup_processor_type)162 /*163  * Look in for information about the __proc_info structure.164  */165         .align  2166         .type   __lookup_processor_type_data, %object167 __lookup_processor_type_data:168         .long   .169         .long   __proc_info_begin170         .long   __proc_info_end171         .size   __lookup_processor_type_data, . - __lookup_processor_type_data     166,167 行是数据域定义，将__lookup_processor_type_data设置为当前代码编译后连接后的虚拟地址，第146行取地址指令,这里将__lookup_processor_type_data地址存入r3. 这里需要注意的是,adr指令取址,获得的是基于pc的一个地址,要格外注意,这个地址是"运行时地址",由于此时MMU还没有打开,也可以理解成物理地址(实地址).(详细内容可参考arm指令手册)147行: 因为r3中的地址是168行的位置的物理地址,因而执行完后:        r4存的是168处的虚拟地址.        r5存的是169行符号 __proc_info_begin的地址        r6存的是170行符号 __proc_info_end的地址    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r6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:148行: 从上面的分析我们可以知道r3中存储的是168行处的物理地址,而r4存储的是168处的虚拟地址,这一行是计算当前程序运行的物理地址和虚拟地址的差值,将其保存到r3中.149行: 将r5存储的虚拟地址(__proc_info_begin)转换成物理地址150行: 将r6存储的虚拟地址(__proc_info_end)转换成物理地址151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152行: r9中存储了processor id,与r4的cpu_mask进行逻辑与得到我们需要的值153行: 将152行中得到的值与r3中的cpu_val进行比较154行: 如果相等,说明我们找到了对应的processor type,跳到160行,返回155行: 如果不相等, 将r5指向下一个proc_info,156行: 和r6比较,检查是否到了__proc_info_end.157行: 如果没有到__proc_info_end,表明还有proc_info配置,返回151行继续查找158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)159行: 返回2、检查bootloader传入的参数列表atags的合法性__vet_atags ///**********************************************************************/关于参数链表：内核参数链表的格式和说明可以从内核源代码目录树中的arch/arm/include/asm/setup.h中找到，参数链表必须以ATAG_CORE  开始，以 ATAG_NONE 结束。这里的  ATAG_CORE ，ATAG_NONE是各个参数的标记，本身是一个 32 位值，例如： ATAG_CORE=0x54410001 。其它的参数标记还包括： ATAG_MEM ，  ATAG_INITRD  ，  ATAG_RAMDISK  ，ATAG_COMDLINE 等。每个参数标记就代表一个参数结构体，由各个参数结构体构成了参数链表。参数结构体的定义如下： struct tag {    struct tag_header hdr;    union {        struct tag_core        core;        struct tag_mem32    mem;        struct tag_videotext    videotext;        struct tag_ramdisk    ramdisk;        struct tag_initrd    initrd;        struct tag_serialnr    serialnr;        struct tag_revision    revision;        struct tag_videolfb    videolfb;        struct tag_cmdline    cmdline;        /*         * Acorn specific         */        struct tag_acorn    acorn;        /*         * DC21285 specific         */        struct tag_memclk    memclk;    } u;};参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header 结构体 , 一个是 u 联合体。tag_header结构体的定义如下：struct tag_header {    __u32 size;    __u32 tag;};其中 size ：表示整个tag结构体的大小 ( 用字的个数来表示，而不是字节的个数 ) ，等于tag_header的大小加上u联合体的大小，例如，参数结构体 ATAG_CORE的 size(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通过函数  tag_size(struct * tag_xxx)来获得每个参数结构体的 size 。其中  tag ：表示整个  tag  结构体的标记，如： ATAG_CORE等。__vet_atags函数源码在arch/arm/kernel/head-common.S中定义如下： 14 #define ATAG_CORE 0x54410001 15 #define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2) 16 #define ATAG_CORE_SIZE_EMPTY ((2*4) >> 2) 18 #ifdef CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN 19 #define OF_DT_MAGIC 0xd00dfeed 20 #else 21 #define OF_DT_MAGIC 0xedfe0dd0 /* 0xd00dfeed in big-endian */ 22 #endif 46 __vet_atags: 47         tst     r2, #0x3       ＠r2指向该参数链表的起始位置，此处判断它是否字对齐 48         bne     1f 49 50         ldr     r5, [r2, #0]     ＠获取第一个 tag 结构的 size 51 #ifdef CONFIG_OF_FLATTREE 52         ldr     r6, =OF_DT_MAGIC                @ is it a DTB? 53         cmp     r5, r6 54         beq     2f 55 #endif 56         cmp     r5, #ATAG_CORE_SIZE    @ is first tag ATAG_CORE?判断该 tag 的长度是否合法 57         cmpne   r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY 58         bne     1f 59         ldr     r5, [r2, #4]     ＠获取第一个 tag 结构体的标记 60         ldr     r6, =ATAG_CORE 61         cmp     r5, r6     ＠判断第一个 tag 结构体的标记是不是 ATAG_CORE 62         bne     1f 63 64 2:      mov     pc, lr      @ atag/dtb pointer is ok 正常退出 65 66 1:      mov     r2, #0 67         mov     pc, lr     ＠参数连表不正确 68 ENDPROC(__vet_atags)3、创建一级页表通过前面的两步,我们已经确定了processor type.和参数列表atags的合法性此时,一些特定寄存器的值如下所示:r8 = PHYS_OFFSET       (r8=PAGE_OFFSET对应的物理地址)r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id)r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)创建页表是通过函数 __create_page_tables 来实现的.这里,我们使用的是arm的L1主页表,L1主页表也称为段页表(section page table)， L1 主页表将4 GB 的地址空间分成若干个1 MB的段(section),因此L1页表包含4096个页表项(section entry). 每个页表项是32 bits(4 bytes)因而L1主页表占用 4096 *4 = 16k的内存空间.对于ARM920,其L1 section entry的格式为可参考arm920t TRM):B – Write Buffer BitC – Cache BitData Cache     Data Cache    Cache Bit     Buffer Bit     Page attribute0                0            not cached, not buffered0                1            not cached, buffered1                0            cached, writethrough1                1            cached, writeback它的地址翻译过程如下：下面我们来分析 __create_page_tables 函数:在 arch/arm/kernel/head.S 中: 36 #define KERNEL_RAM_VADDR        (PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET) 37 #if (KERNEL_RAM_VADDR & 0xffff) != 0x8000 38 #error KERNEL_RAM_VADDR must start at 0xXXXX8000 39 #endif 40 44         .macro  pgtbl, rd, phys 45         add     \rd, \phys, #TEXT_OFFSET - 0x4000 46         .endm 48 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL 49 #define KERNEL_START    XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR) 50 #define KERNEL_END      _edata_loc 51 #else 52 #define KERNEL_START    KERNEL_RAM_VADDR 53 #define KERNEL_END      _end 54 #endif139 __create_page_tables:140         pgtbl   r4, r8            @ page table address通过宏 pgtbl 将r4设置成页表的基地址(物理地址)，宏pgtbl 在 arch/arm/kernel/head.S第44定义，可以看到,页表是位于 TEXT_OFFSET下面 16k 的位置，r4 =  0x30004000 这是转换表的物理基地址，最终将写入CP15 的寄存器 2 ， C2 。这个值必须是 16K 对齐的。141142         /*下面从145行 - 153行, 是将这16k 的页表清0.143          * Clear the 16K level 1 swapper page table144          */145         mov     r0, r4    ＠将页表基地址存在r0中146         mov     r3, #0    ＠ 将 r3 置成0147         add     r6, r0, #0x4000  ＠r6  = 页表基地址 + 16k, 可以看到这是页表的尾地址   ＠148 - 153行: 循环,从 r0 到 r6 将这16k页表用0填充.148 1:      str     r3, [r0], #4149         str     r3, [r0], #4150         str     r3, [r0], #4151         str     r3, [r0], #4152         teq     r0, r6153         bne     1b154155         ldr     r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags从 proc_info_list结构中获取字段 __cpu_mm_mmu_flags ，该字段包含了存储空间访问权限等,并存储到 r7中,此处指令执行之后 r7=0x00000c1e,(宏PROCINFO_MM_MMUFLAGS是在arch/arm/kernel/asm-offsets.c中定义)156157         /*158          * Create identity mapping to cater for __enable_mmu.159          * This identity mapping will be removed by paging_init().160          */161         adr     r0, __enable_mmu_loc162         ldmia   r0, {r3, r5, r6}163         sub     r0, r0, r3                      @ virt->phys offset164         add     r5, r5, r0                      @ phys __enable_mmu165         add     r6, r6, r0                      @ phys __enable_mmu_end166         mov     r5, r5, lsr #20  ＠通过R5值的高12位(右移20位),得到kernel的section基址(从上面的图可以看出),并存储到r6中.因为当前是通过运行时地址得到的kernel的section地址,因而是物理地址.167         mov     r6, r6, lsr #20 168169 1:      orr     r3, r7, r5, lsl #20             @ r3 = r7 | (r5170         str     r3, [r4, r5, lsl #2]            @ identity mapping设置页表: mem[r4 + r5 * 4] = r3,这里,因为页表的每一项是32 bits(4 bytes),所以要乘以4(上面这二行,设置了kernel当前运行的section(物理地址所在的page entry)的页表项171         teq     r5, r6172         addne   r5, r5, #1                      @ next section173         bne     1b174175         /*176          * Now setup the pagetables for our kernel direct177          * mapped region.178          */MMU是通过 C2 中基地址（高 18 位）与虚拟地址的高 12 位组合成物理地址，在转换表中查找地址条目。 R4 中存放的就是这个基地址 0x30004000 。下面通过两次获取虚拟地址KERNEL_START的高 12 位。 KERNEL_START 是内核存放的起始地址，为 0X30008000 。179         mov     r3, pc180         mov     r3, r3, lsr #20181         orr     r3, r7, r3, lsl #20182         add     r0, r4,  #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18  ＠r0 = 0x30007000183         str     r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]!  ＠r0 存放的是转换表的起始位置184         ldr     r6, =(KERNEL_END - 1)  ＠获取内核的尾部虚拟地址存于 r6 中185         add     r0, r0, #4  ＠第一个地址条目存放在 0x30007004 处，以后一次递增186         add     r6, r4, r6, lsr #18  ＠计算最后一个地址条目存放的位置187 1:      cmp     r0, r6  ＠填充这之间的地址条目188         add     r3, r3, #1189         strls   r3, [r0], #4190         bls     1b182--190行: KERNEL_START是内核的起始虚拟地址(0xc0008000), 这几行是设置kernel起始4M虚拟地址的页表项，每次循环设置1M。191192 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL193         /*如果是 XIP 就进行以下映射，这只是将内核代码存储的空间重新映射194          * Map some ram to cover our .data and .bss areas.195          */196         add     r3, r8, #TEXT_OFFSET197         orr     r3, r3, r7198         add     r0, r4,  #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18199         str     r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]!200         ldr     r6, =(_end - 1)201         add     r0, r0, #4202         add     r6, r4, r6, lsr #18203 1:      cmp     r0, r6204         add     r3, r3, #1205         strls   r3, [r0], #4206         bls     1b207 #endif208209         /*210          * Then map boot params address in r2 or211          * the first 1MB of ram if boot params address is not specified.212          */213         mov     r0, r2, lsr #20214         movs    r0, r0, lsl #20215         moveq   r0, r8216         sub     r3, r0, r8217         add     r3, r3, #PAGE_OFFSET218         add     r3, r4, r3, lsr #18219         orr     r6, r7, r0   ＠r7中存储的是mmu flags, 逻辑或上RAM的起始物理地址,得到RAM第一个MB页表项的值.220         str     r6, [r3]           ＠设置RAM的第一个MB虚拟地址的页表.上面这几行是用来设置RAM中第一兆虚拟地址的页表. 之所以要设置这个页表项的原因是RAM的第一兆内存中可能存储着boot params.221222 #ifdef CONFIG_DEBUG_LL  下面是为了调试而做的相关映射，跳过。223 #ifndef CONFIG_DEBUG_ICEDCC224         /*225          * Map in IO space for serial debugging.226          * This allows debug messages to be output227          * via a serial console before paging_init.228          */229         addruart r7, r3230231         mov     r3, r3, lsr #20232         mov     r3, r3, lsl #2233234         add     r0, r4, r3235         rsb     r3, r3, #0x4000                 @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)236         cmp     r3, #0x0800                     @ limit to 512MB237         movhi   r3, #0x0800238         add     r6, r0, r3239         mov     r3, r7, lsr #20240         ldr     r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags241         orr     r3, r7, r3, lsl #20242 1:      str     r3, [r0], #4243         add     r3, r3, #1244         teq     r0, r6245         bne     1b246247 #else /* CONFIG_DEBUG_ICEDCC */248         /* we don't need any serial debugging mappings for ICEDCC */249         ldr     r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags250 #endif /* !CONFIG_DEBUG_ICEDCC */251252 #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)253         /*254          * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map255          * in the 16550-type serial port for the debug messages256          */257         add     r0, r4, #0xff000000 >> 18258         orr     r3, r7, #0x7c000000259         str     r3, [r0]260 #endif261 #ifdef CONFIG_ARCH_RPC262         /*263          * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE264          * Similar reasons here - for debug.  This is265          * only for Acorn RiscPC architectures.266          */267         add     r0, r4, #0x02000000 >> 18268         orr     r3, r7, #0x02000000269         str     r3, [r0]270         add     r0, r4, #0xd8000000 >> 18271         str     r3, [r0]272 #endif273 #endif274         mov     pc, lr   ＠子程序返回。275 ENDPROC(__create_page_tables)276         .ltorg277         .align278 __enable_mmu_loc:279         .long   .280         .long   __enable_mmu281         .long   __enable_mmu_end这样,kernel所需要的基本的页表我们都设置完了, 如下图所示:4、调用平台特定的 __cpu_flush 函数当 __create_page_tables 返回之后此时,一些特定寄存器的值如下所示:r4 = pgtbl              (page table 的物理基地址)r8 = PHYS_OFFSET       (r8=PAGE_OFFSET对应的物理地址)r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id)r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)在我们需要开启mmu之前,做一些必须的工作:清除ICache, 清除 DCache, 清除 Writebuffer, 清除TLB等.这些一般是通过cp15协处理器来实现的,并且是平台相关的. 这就是__cpu_flush 需要做的工作在 arch/arm/kernel/head.S中113         ldr     r13, =__mmap_switched           @ address to jump to after114                                                 @ mmu has been enabled115         adr     lr, BSYM(1f)                    @ return (PIC) address116         mov     r8, r4                          @ set TTBR1 to swapper_pg_di    r117  ARM(   add     pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC     )118  THUMB( add     r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC    )119  THUMB( mov     pc, r12                         )120 1:      b       __enable_mmu第113行: 将r13设置为 __mmap_switched的地址第115行: 将lr设置为 __enable_mmu 的地址第117行: r10存储的是procinfo的基地址, PROCINFO_INITFUNC是在 arch/arm/kernel/asm-offsets.c 中110行定义. 该行将pc设为 proc_info_list的 __cpu_flush 函数的地址,（DEFINE(PROCINFO_INITFUNC,     offsetof(struct proc_info_list, __cpu_flush)）即下面跳转到该函数.在分析 __lookup_processor_type 的时候,我们已经知道,对于 ARM920t 来说,其__cpu_flush指向的是函数 __arm920_setup下面我们来分析函数 __arm920_setup       在 arch/arm/mm/proc-arm920.S 中:424         __CPUINIT425426         .type   __arm920_setup, #function  ＠定义__arm920_setup函数。427 __arm920_setup:            ＠定义__arm920_setup函数。428         mov     r0, #0      ＠设置r0为0。429         mcr     p15, 0, r0, c7, c7       ＠使数据cahche, 指令cache无效。430         mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4    ＠使write buffer无效。431 #ifdef CONFIG_MMU432         mcr     p15, 0, r0, c8, c7       ＠使数据TLB,指令TLB无效。433 #endif434         adr     r5, arm920_crval       ＠获取arm920_crval的地址，并存入r5。435         ldmia   r5, {r5, r6}            ＠获取arm920_crval地址处的连续8字节分别存入r5,r6。436         mrc     p15, 0, r0, c1, c0       ＠获取CP15下控制寄存器的值，并存入r0。437         bic     r0, r0, r5    ＠通过查看arm920_crval的值可知该行是清除r0中相关位，为以后对这些位的赋值做准备。438         orr     r0, r0, r6    ＠设置r0中的相关位，即为mmu做相应设置。439         mov     pc, lr440         .size   __arm920_setup, . - __arm920_setup第434行arm920_crval在arch/arm/mm/proc-arm920t.c:448         .type   arm920_crval, #object449 arm920_crval:450         crval   clear=0x00003f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001130由此可知，r5 = 0x00003f3f, r6 = 0x000031355. 开启mmu   开启mmu是由函数 __enable_mmu 实现的.   在进入 __enable_mmu 的时候, r0中已经存放了控制寄存器c1的一些配置(在上一步中进行的设置), 但是并没有真正的打开mmu, 在 __enable_mmu 中,我们将打开mmu.   此时,一些特定寄存器的值如下所示:r0 = c1 parameters      (用来配置控制寄存器的参数)       r4 = pgtbl              (page table 的物理基地址)r8 = machine info       (struct machine_desc的基地址)r9 = cpu id             (通过cp15协处理器获得的cpu id)r10 = procinfo          (struct proc_info_list的基地址)在 arch/arm/kernel/head.S 中:使能MMU之前设置一些普通bit，装载页表地址以及域访问寄存器350 __enable_mmu:351 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP  @根据配置使能或禁止地址对齐错误检测。352         orr     r0, r0, #CR_A353 #else354         bic     r0, r0, #CR_A  355 #endif356 #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE  @根据配置使能或禁止数据cache。357         bic     r0, r0, #CR_C358 #endif359 #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE360         bic     r0, r0, #CR_Z361 #endif362 #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE  @根据配置使能或禁止指令cache。363         bic     r0, r0, #CR_I364 #endif365         mov     r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \366                       domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \367                       domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \368                       domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))  @配置相应的访问权限并存入r5。369         mcr     p15, 0, r5, c3, c0, 0    @ load domain access register把访问权限写入CP15协处理器。设置域访问寄存器C3370         mcr     p15, 0, r4, c2, c0, 0    @ load page table pointer把页表地址写入CP15协处理器。设置页表地址c2371         b       __turn_mmu_on  @跳转到__turn_mmu_on来打开MMU。372 ENDPROC(__enable_mmu)374 /*375  * Enable the MMU.  This completely changes the structure of the visible376  * memory space.  You will not be able to trace execution through this.377  * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel378  * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.379  *380  *  r0  = cp#15 control register381  *  r1  = machine ID382  *  r2  = atags or dtb pointer383  *  r9  = processor ID384  *  r13 = *virtual* address to jump to upon completion385  *386  * other registers depend on the function called upon completion387  */388         .align  5389 __turn_mmu_on:390         mov     r0, r0391         mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0           @ write control reg写cp15的控制寄存器c1, 这里是打开mmu的动作,同时会打开cache等(根据r0相应的配置)392         mrc     p15, 0, r3, c0, c0, 0           @ read id reg读取id寄存器.393         mov     r3, r3   @1个nop.394         mov     r3, r13395         mov     pc, r3  @取r13到pc中,我们前面已经看到了, r13中存储的是 __mmap_switched (在arch/arm/kernel/head.S 113行),下面会跳到__mmap_switched396 __enable_mmu_end:397 ENDPROC(__turn_mmu_on)下面我们就来看__mmap_switched:注意这些代码就已经跑在了MMU打开的情况下了。无需再进行虚拟地址和物理地址的手工转换，完全由MMU来完成。在 arch/arm/kernel/head-common.S 中: 70 /* 71  * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode, 72  * and uses absolute addresses; this is not position independent. 73  * 74  *  r0  = cp#15 control register 75  *  r1  = machine ID 76  *  r2  = atags/dtb pointer 77  *  r9  = processor ID 78  */ 79         __INIT 80 __mmap_switched: 81         adr     r3, __mmap_switched_data @取__mmap_switched_data的地址到r3. 这个地址就是第109行的地址. 82 83         ldmia   r3!, {r4, r5, r6, r7}/*依次取出从第109行到第112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*113行的位置.我们可以得知:                r4 - __data_loc  是数据存放的位置                r5 - _sdata   是数据开始的位置                r6 - __bss_start  是bss开始的位置                r7 - _end  是bss结束的位置, 也是内核结束的位置这几个符号都是在 arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S 和vmlinux.lds 中定义的变量,arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S155 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL156         __data_loc = ALIGN(4);          /* location in binary */157         . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;158 #else159         . = ALIGN(THREAD_SIZE);160         __data_loc = .;161 #endif162163         .data : AT(__data_loc) {164                 _data = .;              /* address in memory */165                 _sdata = .;166167                 /*168                  * first, the init task union, aligned169                  * to an 8192 byte boundary.170                  */171                 INIT_TASK_DATA(THREAD_SIZE)其中对第163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*/ 84         cmp     r4, r5            @ Copy data segment if needed比较 __data_loc 和 _sdata 85 1:      cmpne   r5, r6 86         ldrne   fp, [r4], #4 87         strne   fp, [r5], #4 88         bne     1b 89 90         mov     fp, #0                          @ Clear BSS (and zero fp) 91 1:      cmp     r6, r7 92         strcc   fp, [r6],#4 93         bcc     1b 94 95  ARM(   ldmia   r3, {r4, r5, r6, r7, sp}) 96  THUMB( ldmia   r3, {r4, r5, r6, r7}    ) 97  THUMB( ldr     sp, [r3, #16]           ) 98         str     r9, [r4]    @ Save processor ID 99         str     r1, [r5]    @ Save machine type100         str     r2, [r6]    @ Save atags pointer101         bic     r4, r0, #CR_A  @ Clear 'A' bit102         stmia   r7, {r0, r4}    @ Save control register values103         b       start_kernel  ＠最终跳转到start_kernel104 ENDPROC(__mmap_switched)其中85－88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 _sdata. 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.其中90－93这几行是清除 bss 段的内容,将其都置成0. 这里使用 _end 来判断 bss 的结束位置.第95行因为在第83行的时候,r3被更新到指向第113行的位置.因而这里取得r4, r5, r6, r7，sp的值分别是:        r4 - processor_id        r5 - __machine_arch_type        r6 - __atags_pointer        r7 - cr_alignment        sp - init_thread_union + THREAD_START_SP    processor_id 和 __machine_arch_type 这两个变量是在 arch/arm/kernel/setup.c 中 第79, 81行中定义的.    cr_alignment 是在 arch/arm/kernel/entry-armv.S 中定义的:1229         .data12301231         .globl  cr_alignment1232         .globl  cr_no_alignment1233 cr_alignment:1234         .space  41235 cr_no_alignment:1236         .space  4init_thread_union 是 init进程的基地址. 在 arch/arm/kernel/init_task.c 中: 27 union thread_union init_thread_union __init_task_data = 28         { INIT_THREAD_INFO(init_task) };        对照 vmlnux.lds.S 中的 的171行,我们可以知道init task是存放在 .data 段的开始8k, 并且是THREAD_SIZE(8k)对齐的第98行: 将r9中存放的 processor id (在arch/arm/kernel/head.S 78行) 赋值给变量 processor_id第99行: 将r1中存放的 machine id (见"启动条件"一节)赋值给变量　__machine_arch_type第101行: 清除r0中的 CR_A 位并将值存到r4中. CR_A 是在 arch/arm/include/asm/system.h  21行定义, 是cp15控制寄存器c1的Bit[1](alignment fault enable/disable)第102行: 这一行是存储控制寄存器的值.    从上面 arch/arm/kernel/entry-armv.S 的代码我们可以得知.    这一句是将r0存储到了 cr_alignment 中,将r4存储到了 cr_no_alignment 中.105106         .align  2107         .type   __mmap_switched_data, %object108 __mmap_switched_data:109         .long   __data_loc                      @ r4110         .long   _sdata                          @ r5111         .long   __bss_start                     @ r6112         .long   _end                            @ r7113         .long   processor_id                    @ r4114         .long   __machine_arch_type             @ r5115         .long   __atags_pointer                 @ r6116         .long   cr_alignment                    @ r7117         .long   init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp118         .size   __mmap_switched_data, . - __mmap_switched_data第107, 108行: 对象定义。第109 - 117行: 为对象里的每个域赋值，例如,第109行存储的是 __data_loc 的地址,第114行存储的是__machine_arch_type的地址 ......