ARMlinux内核启动分析.

ARM linux内核启动分析[原创 2007-06-11 10:35:46 ] 发表者: jimmy_lee

head-armv.S主支分析

head-armv.S是解压后(或未压缩的内核最先执行的一个文件，这个文件位于

arch/arm/kernel/head-armv.S，在与这个文件同目录下还有一个文件head-armo.S与head-armv.S 很相似，但从arch/arm/下的Makefile中可以看到区别在哪里:

ifeq ($(CONFIG_CPU_26,y

PROCESSOR := armo

ifeq ($(CONFIG_ROM_KERNEL,y

DATAADDR = 0x02080000

TEXTADDR = 0x03800000

LDSCRIPT = arch/arm/vmlinux-armo-rom.lds.in

else

TEXTADDR = 0x02080000

LDSCRIPT = arch/arm/vmlinux-armo.lds.in

endif

endif

ifeq ($(CONFIG_CPU_32,y

PROCESSOR = armv

TEXTADDR = 0xC0008000

LDSCRIPT = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in

endif

……

HEAD :=arch/arm/kernel/head-$(PROCESSOR.o \

arch/arm/kernel/init_task.o

闲话少说，在进入分析head-armv.S之前，交待一下我所分析的内核版本号以及硬件平台，内核是2.4.19-rmk7-pxa2，对应的硬件平台为pxa 270。

开篇说到，head-armv.S是进入内核最先执行的文件，为什么呢？内核可执行文件由许多链接在一起的对象文件组成。对象文件有许多节，如文本、数据、init 数据、bass 等等。这些对象文件都是由一个称为link script的文件链接并装入的。这个link script的功能是将输入对象文件的各节映射到输出文件中；换句话说，它将所有输入对象文件都链接到单一的可执行文件中，将该可执行文件的各节装入到指定地址处。vmlinux-armv.lds就是链接内核用到的link script，它位于arch/arm/目录下，你可能注意到了同目录下还有一vmlinux-armv.lds.in文件，这两文件可是有关系的，答案就在arch/arm/Makefile里。

ifeq ($(CONFIG_CPU_32,y /* 对于pxa 270来说这里是True */

PROCESSOR = armv

TEXTADDR = 0xC0008000

LDSCRIPT = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in

endif

arch/arm/vmlinux.lds: arch/arm/Makefile $(LDSCRIPT \

$(wildcard include/config/cpu/32.h \

$(wildcard include/config/cpu/26.h \

$(wildcard include/config/arch/*.h

@echo ' Generating $@'

@sed 's/TEXTADDR/$(TEXTADDR/;s/DATAADDR/$(DATAADDR/' $(LDSCRIPT >$@

从这个Makefile中我们可以看到，实际上arch/arm/vmlinux-armv.lds.in就是

arch/arm/vmlinux-armv.lds是一个蓝本，在make的时候vmlinux-armv.lds是由sed命令来替换vmlinux-armv.lds.in文件中的TEXTADDR, DATAADDR为特定的值而生成的。

接下来就来真正看一下vmlinux-armv.lds里面的内容：

OUTPUT_ARCH(arm

ENTRY(stext

SECTIONS

{

. = 0xC0008000;

.init : { /* Init code and data*/

_stext = .;

__init_begin = .;

*(.text.init

__proc_info_begin = .;

*(https://www.360docs.net/doc/a69649293.html,

__proc_info_end = .;

__arch_info_begin = .;

*(https://www.360docs.net/doc/a69649293.html,

__arch_info_end = .;

……

}

……

}

ENTRY(stext，就是说明了最先执行的第一条指令是从stext开始，而这个stext就是位于head-armv.S当中,它被定义于放置于.text.init section，而且.text.init section在vmlinux.lds文件中也是被放置于输出文件的起始位置。

/* arch/arm/kernel/head-armv.S */

93 .section ".text.init",#alloc,#execinstr

94 .type stext, #function

95 ENTRY(stext //内核入口点

96 /*

97 mov r0, #0

98 mov r1, #300

99 add r1, r1, #4

100 */

101 mov r12, r0 //保护r0, r0=0, r12=0

…. /* 这中间的都是与XScale平台无关的code */

186 mov r0, #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC @ make sure svc mode 187 msr cpsr_c, r0 @ and all irqs disabled

188 bl __lookup_processor_type

189 teq r10, #0 @ invalid processor?

190 moveq r0, #'p' @ yes, error 'p'

191 beq __error

192 bl __lookup_architecture_type

193 teq r7, #0 @ invalid architecture?

194 moveq r0, #'a' @ yes, error 'a'

195 beq __error

196 bl __create_page_tables

197 adr lr, __ret @ return address

198 add pc, r10, #12 @ initialise processor

199 @ (return control reg

在程序注释中有一段对于入口点的说明，说这个入口点一般是在内核自解压缩代码中被调用（关于内核的自解压缩，我将在以后的文章中进行分析），在进入这个入口点前，须满足以下条件：MMU=off，D-Cache=off，I-Cache=don’t care，r0 =0，r1=machine number (see

arch/arm/tools/mach-types.h。

Line93, 定义一个section，名为.text.init，#alloc表示section is allocatable, #execinstr表示section is executable。从前面vmlinux-armv.lds文件中我们可以看到，这个"text.init" section 会放到0xC0008000(在arch/arm/Makefile中TEXTADDR指定这个起始位置。

Line95, 这里的ENTRY其实是一个宏，这个宏位于linux/linkage.h中，在head-armv.S中就包含了这个头文件。

/* linux/linkage.h */

#define SYMBOL_NAME(X X

#ifdef __STDC__

#define SYMBOL_NAME_LABEL(X X##:

#else

#define SYMBOL_NAME_LABEL(X X/**/:

#endif

#ifdef __arm__

#define __ALIGN .align 0

#define __ALIGN_STR ".align 0"

#else

…

#endif

…

#define ALIGN __ALIGN

#define ALIGN_STR __ALIGN_STR

#define ENTRY(name \

.globl SYMBOL_NAME(name; \

ALIGN; \

SYMBOL_NAME_LABEL(name

line186~187: r0=0b11010011，用于设置当前程序状态寄存器，以禁止FIQ, IRQ，进入supervisor模式。

Line188：跳转到__lookup_processor_type，读取运行的cpu的ID值，判断此ID值是否被内核所支持，如果不支持，返回时r10为0。

Line189~191: 如果是无效的processor，则跳转到__error。

Line192: 跳转到__lookup_architecture_type，看r1寄存器的architecture number值是否支持，如果不支持，则返回时r7=0。Bootloader引导linux kernel时，会传递给r1为machine number。Line193~195: 如果是无效的（不支持的）体系类型(r7=0，则跳转到__error。

Line196：创建核心页表。

Line197: 将标号__ret的地址放入 lr 寄存器。__ret标号处相关源码如下：

/* arch/arm/kernel/head-armv.S */

216 .type __ret, %function

217 __ret: ldr lr, __switch_data

218 mcr p15, 0, r0, c1, c0

219 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read it back.

220 mov r0, r0

221 mov r0, r0

222 mov pc, lr

也就是说，在将来某个时候有可能会调用mov pc, lr语句（实际上会在arch/arm/mm/proc-xscale.S文件中__xscale_setup函数的line942调用，这在后面会讲到）会跳转到line217执行ldr lr, __switch_data。

Line198：r10+12->pc，也即程序跳转到r10+12的地址处执行，此时的r10存储的是在执行

__lookup_processor_type函数后得到的当前处理器信息、是一个proc_info_list的结构体信息，对于我们的pxa270平台，r10指向的就是arch/arm/mm/proc-xscale.S文件中line1099处那个位置，也就是说从line1099~1112的内容就是一个proc_info_list的结构体实例。

/* arch/arm/mm/proc-xscale.S */

1097 .type __bva0_proc_info,#object

1098 __bva0_proc_info:

1099 .long 0x69054110 @ Bulverde A0: 0x69054110, A1 : 0x69054111.

1100 .long 0xfffffff0 @ and this is the CPU id mask.

1101 #if CACHE_WRITE_THROUGH

1102 .long 0x00000c0a

1103 #else

1104 .long 0x00000c0e

1105 #endif

1106 b __xscale_setup

1107 .long cpu_arch_name

1108 .long cpu_elf_name

1109 .long

HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_EDSP|HWCAP_ XSCALE

1110 .long cpu_bva0_info

1111 .long xscale_processor_functions

1112 .size __bva0_proc_info, . - __bva0_proc_info

而r10+12就是line1106（b __xscale_setup）。__xscale_setup函数是实际的CPU的设置子程序，它主要是操作协处理器，设置页表目录项基地址，对CACHE和BUFFER的控制位进行一些操作（关于__xscale_setup的源码分析放在后面的分支分析中）。也就是说line198执行的

结果是跳转到arch/arm/mm/proc-xscale.S的line1106。(关于该行源码建议读者先分析完

__lookup_processor_type函数再看。__xscale_setup函数返回程序会跳转到line217。

Line217：将__switch_data位置处的值放入lr（注意这里是指令ldr，不是把标号__switch_data 的地址放入lr），将来在line222时会跳转到__swith_data所指向的地址。__swith_data标号相关源码如下：

/* arch/arm/kernel/head-armv.S */

201 .type __switch_data, %object

202 __switch_data: .long __mmap_switched

203 .long SYMBOL_NAME(__bss_start

204 .long SYMBOL_NAME(_end

205 .long SYMBOL_NAME(processor_id

206 .long SYMBOL_NAME(__machine_arch_type

207 .long SYMBOL_NAME(cr_alignment

208 .long SYMBOL_NAME(init_task_union+8192

Line222：因为line217将lr的值存储为__swith_data标号处的值，即__mmap_switched标号的地址，则此行执行的结果是跳转到__mmap_switched函数(line233处。而__mmap_switched函数相关源码如下：

/* arch/arm/kernel/head-armv.S */

224 /*

225 * The following fragment of code is executed with the MMU on, and uses 226 * absolute addresses; this is not position independent.

227 *

228 * r0 = processor control register

229 * r1 = machine ID

230 * r9 = processor ID

231 */

232 .align 5

233 __mmap_switched:

234 #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL // 对于pxa270 此处为false，故code略……

243 #endif

244

245 adr r3, __switch_data + 4

246 ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, r8, sp}@ r2 = compat

247 @ sp = stack pointer

248

249 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp

250 1: cmp r4, r5

251 strcc fp, [r4],#4

252 bcc 1b

253

254 str r9, [r6] @ Save processor ID

255 str r1, [r7] @ Save machine type

256 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP

257 orr r0, r0, #2 @ ...........A.

258 #endif

259 bic r2, r0, #2 @ Clear 'A' bit

260 stmia r8, {r0, r2} @ Save control register values

261 b SYMBOL_NAME(start_kernel

Line233~261：这段代码的作用主要是在进入C函数前先做一些变量的初始化和保存工作。首先清空BSS区域，然后保存处理器ID和机器类型到各自变量地址，接着保存cr_alignment，最后跳转到init/main.c中的start_kernel函数运行。

再来具体分析一下这里面的代码，line245～246，它的结果就是r4 =__bss_start, r5=_end, r6=processor_id, r7=__machine_arch_type,r8=cr_alignment,sp= init_task_union+8192，这些寄存器存储的都是变量的地址。

再看一下line254，r9之前存储的是在__lookup_processor_type获取的processor id,这里把process id放置在r6指向的内存,r6此时由于在line246被赋予了processor_id变量的指针,所以这里把process id 保存在变量processor_id中(processor_id在arch/arm/kernel/setup.c中被定义。

同样，line255，r1之前存储的是在kernel booting前由bootloader传递过来的machine number，在这里把machine number放置到r7所指向的内存，r7在line246被赋予了指向

__machine_arch_type变量，所以这里把machine number保存在变量__machine_arch_type中(__machine_arch_type同样也定义在arch/arm/kernel/setup.c中）。

ARM linux内核启动分析(2 [原创 2007-06-11 10:50:25 ] 发表者: jimmy_lee

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分支1：__lookup_processor_type函数分析

内核中使用了一个结构struct proc_info_list，用来记录处理器相关的信息，该结构定义在kernel/include/asm-arm/procinfo.h头文件中。

/* arch/arm/kernel/head-armv.S */

/*

* Note! struct processor is always defined if we're

* using MULTI_CPU, otherwise this entry is unused,

* but still exists.

*

* NOTE! The following structure is defined by assembly

* language, NOT C code. For more information, check:

* arch/arm/mm/proc-*.S and arch/arm/kernel/head-armv.S

*/

struct proc_info_list {

unsigned int cpu_val;

在arch/arm/mm/proc-xscale.S文件中定义了所有和xscale有关的

proc_info_list，我们使用的pxa270定义如下：

/* arch/arm/mm/proc-xscale.S */

1027 .section "https://www.360docs.net/doc/a69649293.html,", #alloc, #execinstr

1028

1029 .type __80200_proc_info,#object

1030 __80200_proc_info: //每一个__xxx_proc_info就对应于proc_info_list 1031 .long 0x69052000 //cpu_val

1032 .long 0xfffffff0 //cpu_mask

1033 #if CACHE_WRITE_THROUGH

1034 .long 0x00000c0a //__cpu_mmu_flags

1035 #else

1036 .long 0x00000c0e //__cpu_mmu_flags

1037 #endif

1038 b __xscale_setup //__cpu_flush

1039 .long cpu_arch_name //arch_name

1040 .long cpu_elf_name //elf_name

1041 .long HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT| HWCAP_EDSP|HWCAP_XSCALE // elf_hwcap

1042 .long cpu_80200_info // info

1043 .long xscale_processor_functions //proc

1044 .size __80200_proc_info, . - __80200_proc_info

1045

….

1096

1097 .type __bva0_proc_info,#object

1098 __bva0_proc_info: //pxa270 的proc_info_list

1099 .long 0x69054110 @ Bulverde A0: 0x69054110, A1 : 0x69054111. 1100 .long 0xfffffff0 @ and this is the CPU id mask.

1101 #if CACHE_WRITE_THROUGH

1102 .long 0x00000c0a

1103 #else

1104 .long 0x00000c0e

1105 #endif

1106 b __xscale_setup

1107 .long cpu_arch_name

在上述code中，由于定义了section，因此__bva0_proc_info等在编译时会放入https://www.360docs.net/doc/a69649293.html, section中。根据vmlinux-armv.lds，__arch_info_begin与

__arch_info_end就分别指向https://www.360docs.net/doc/a69649293.html, section的起始和结束，换句话说，在__arrch_info_begin与__arch_info_end所指向的区域，包含着若干个

proc_info_list结构的数据。这个会在__lookup_processor_type中用到，下面来看一下__lookup_processor_type这个分支代码。

/* arch/arm/kernel/head-armv.S */

477 __lookup_processor_type:

478 adr r5, 2f //把标号2（行498）的址址放入r5寄存器中

479 ldmia r5, {r7, r9, r10} //r7 = __proc_info_end

// r9 = __proc_info_begin

// r10 = 标号2（行498）的地址

480 sub r5, r5, r10 @ convert addresses

481 add r7, r7, r5 @ to our address space

482 add r10, r9, r5

483 mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id

484 1: ldmia r10, {r5, r6, r8} @ value, mask, mmuflags

485 and r6, r6, r9 @ mask wanted bits

486 teq r5, r6

487 moveq pc, lr

488 add r10, r10, #36 @ sizeof(proc_info_list

489 cmp r10, r7

490 blt 1b

491 mov r10, #0 @ unknown processor

492 mov pc, lr

493

494 /*

495 * Look in include/asm-arm/procinfo.h and arch/arm/kernel/arch.[ch] for

496 * more information about the __proc_info and __arch_info structures.

497 */

498 2: .long __proc_info_end

499 .long __proc_info_begin

500 .long 2b

501 .long __arch_info_begin

502 .long __arch_info_end

Line478：将line498的地址放到寄存器r5中，adr是小范围的地址读取伪指令。

Line479：将r5所指向的数据区的数据读出到r7，r9，r10。结果就是r7=

__proc_info_end，r9 = __proc_info_begin， r10 = 标号2（line498）的地址。

Line480~482：r10 = __proc_info_begin。

Line483：mrc是一个协处理器寄存器到ARM寄存器的数据传送指令，它的指令格式是：MRC coproc, opcode1, Rd, CRn {, opcode2} 对于读取Processor ID来说，coproc 为15，opcode1为0, CRn=0, opcode2=0。Line483读取processor ID，并放入r9寄存器中。

Line484~490，是一个循环处理过程，由于r10一开始是指向__proc_info_begin 的，前面提到__proc_info_begin指向https://www.360docs.net/doc/a69649293.html, section的首地址，所以整个循环就是遍历https://www.360docs.net/doc/a69649293.html, section，也就是遍历proc_info_list结构数组，比较(proc_info_list[i]->cpu_val == processor ID & proc_info_list[i]-

>cpu_mask是否与当前运行的processor ID一致，如果有条件满足的则函数在line487返回(跳转到line189，此时r10是不为零的（因为函数返回后，要根据r10是否为0，来判断processor未知与否）；如果遍历完整个https://www.360docs.net/doc/a69649293.html, section都不满足的，则进入line491。

Line491~492：置r10=0用来表示processor 未知，然后函数返回(跳转到line189。

作者：谷丰，您可以通过[email]g u f e n g 7 7 @ 1 2 6 . c o m[/email]和他联系，转载请包含以上内容

Linux启动后执行的第一个文件是arch/arm/kernel下的head-($PROCESSOR.S文件,processor代表的是该cpu的类型。ARM 6及其以后的处理器核心支持32位地址空间。这些处理器可以在26位和 32位PC的模式下操作。在26位PC模式下，R15 寄存器的表现如同在以前的处理器上，代码只能运行在地址空间的最低的

64M字节空间中。在32位PC模式下，32位的R15寄存器被用做程序计数器。使用独立的状态寄存器来存储处理器模式和状态标志。对于26位的arm处理器类型，linux用armo来表示；对于32位的arm处理器，使用armv表示。在

include/linux/autoconf.h文件中通过

#define CONFIG_CPU_32 1

将处理器类型设置为支持32位PC模式。然后在arch/arm/Makefile中通过

ifeq ($(CONFIG_CPU_32,y

PROCESSOR = armv

TEXTADDR = 0xC0008000

LDSCRIPT = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in

endif

设置处理器类型为armv，这样linux运行所执行的第一个文件就是head-armv.S。接着，Makefile定义了内核中代码和数据所使用的虚拟地址TEXRADDR，最后，定义了链接器所使用的脚本文件，这个文件也是与处理器类型相关的。

在执行head-armv.S文件之前，有一点需要注意的是，bootloader已经在处理器的R1寄存器中存放了机器体系结构的类型号。由于在文件的执行过程中将要针对当前的机器体系结构设置相关的参数，如果没有这个步骤，系统将显示“ERROR:a”，同时停止执行。当然，也可以在head -armv.S文件的开头添加代码，手工对R1赋值，具体的机器类型号在arch/arm/tools/mach-types文件中。

好了，接下来我们可以开始阅读head-armv.S文件了，看看它到底作了些什么事情。由于篇幅的限制，对一些不是很关键的代码和英文注释予以省略，但是在每段代码后，我会根据自己的理解给出解释。

#if (TEXTADDR & 0xffff != 0x8000

#error TEXTADDR must start at 0xXXXX8000

#endif

.globl SYMBOL_NAME(swapper_pg_dir

.equ SYMBOL_NAME(swapper_pg_dir, TEXTADDR - 0x4000

.macro pgtbl, reg, rambase

adr \reg, stext

sub \reg, \reg, #0x4000

.endm

.macro krnladr, rd, pgtable, rambase

bic \rd, \pgtable, #0x000ff000

.endm

首先，系统确保TEXTADDR的地址是以0x8000结尾的，前面已经提到过，TEXTADDR的地址是0xC0008000，是内核所使用的虚拟地址，而我所使用的PXA255处理器上支持的SDRAM空间是从0xA0000000开始的，这就需要通过MMU进行虚拟地址到实际物理地址的转换，也就是说将0xC0008000映射到

0xA0008000。地址转换所使用的页表将存放在从0xA0008000网上的16K空间中，即从 0xA0004000到0xA0008000这一段。因此，系统必须空出0xA0000000

到0xA0008000这一段，存放页表和其它的一些内核将使用到的数据结构。虽然上面的代码判断的是TEXTADDR的地址是否以0x8000结尾，但从效果上说是一样