基于linux2.6.38.8内核启动过程完全解析[一]
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作者：EasyWave 时间：2012.02.18
类别：linux驱动开发 声明：转载，请保留链接
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一： Linux kernel内存存布局
在ARM平台中zImage.bin是一个压缩镜像，它用于将被压缩的kernel解压缩到KERNEL_RAM_PADDR开始的一段内存中，接 着跳进真正的kernel去执行。该kernel的执行起点是stext函数，定义于arch/arm/kernel/head.S。在分析 ENTRY(stext)前，先介绍此时内存的布局如下图所示：
图一：内存布局［此处借用下网络上已有的图片，自己不想弄图片了］
在我的YL-E2410的平台上，SDRAM的开始内存地址是0x30000000，大小为64M，即 0x20000000。 Linux2.6.38.8 ARM kernel将SDRAM的开始地址定义为PHYS_OFFSET。经bootloader加载kernel并由自解压部分代码运行后，最终kernel 被放置到KERNEL_RAM_PADDR（=PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET，即0x30008000）地址上的一段内存，经此放置后，kernel代码以后均不会被移动。在arch\arm\mach- s3c2410\Makefile.boot文件，其内容如下：
zreladdr-y := 0x30008000
params_phys-y := 0x30000100
这也验证了为什么内核会被放置在0x30008000的地方了，这个地址必须由Makefile.boot指定。而params_phys-y则是 linux Kernel的taglist等参数的起始地址。在进入kernel代码前，即自解压缩阶段，ARM未开启MMU功能。因此启动代码一个重要功能是设置好 相应的页表，并开启MMU功能。为了支持MMU功能，kernel镜像中的所有符号，包括代码段和数据段的符号，在链接时都生成了它在开启MMU时，所在 物理内存地址映射到的虚拟内存地址。Kernel第一个符号stext为例，在编译链接，它生成的虚拟地址是0xc0008000，而放置它的物理地址为 0x30008000。实际上这个变换可以利用简单的公式进行表示：va = pa – PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET。Arm linux最终的kernel空间的页表，就是按照这个关系来建立。之所提及linux的内存映射，原因是在进入kernel代码，里面所有符号地址值为 0xCxxxxxxx地址，而此时ARM未开启MMU功能，故在执行stext函数第一条执行时，它的PC值就是stext所在的内存地址（即物理地 址，0x30008000）。
二：stext函数详解
stext函数定义在arch/arm/kernel/head.S，它的功能是获取处理器类型和机器类型信息，并创建临时的页表，然后开启MMU 功能，并跳进第一个C语言函数start_kernel。stext函数的在前置条件是：MMU, D-cache, 关闭; r0 = 0, r1 = machine nr, r2 = atags prointer.
*************************************************************************************************************************** 作者：EasyWave 时间：2012.02.18 类别：linux驱动开发 声明：转载，请保留链接 *************************************************************************************************************************** 一： Linux kernel内存存布局 在ARM平台中zImage.bin是一个压缩镜像，它用于将被压缩的kernel解压缩到KERNEL_RAM_PADDR开始的一段内存中，接着跳进真正的kernel去执行。该kernel的执行起点是stext函数，定义于arch/arm/kernel/head.S。在分析ENTRY(stext)前，先介绍此时内存的布局如下图所示： 图一：内存布局［此处借用下网络上已有的图片，自己不想弄图片了］ 在我的YL-E2410的平台上，SDRAM的开始内存地址是0x30000000，大小为64M，即0x20000000。 Linux2.6.38.8 ARM kernel将SDRAM的开始地址定义为PHYS_OFFSET。经bootloader加载kernel并由自解压部分代码运行后，最终kernel被放置到KERNEL_RAM_PADDR（=PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET，即0x30008000）地址上的一段内存，经此放置后，kernel代码以后均不会被移动。在arch\arm\mach-s3c2410\Makefile.boot文件，其内容如下： zreladdr-y := 0x30008000 params_phys-y := 0x30000100 这也验证了为什么内核会被放置在0x30008000的地方了，这个地址必须由Makefile.boot指定。而params_phys-y则是linux Kernel的taglist等参数的起始地址。在进入kernel代码前，即自解压缩阶段，ARM未开启MMU功能。因此启动代码一个重要功能是设置好相应的页表，并开启MMU功能。为了支持MMU功能，kernel镜像中的所有符号，包括代码段和数据段的符号，在链接时都生成了它在开启MMU时，所在物理内存地址映射到的虚拟内存地址。Kernel第一个符号stext为例，在编译链接，它生成的虚拟地址是0xc0008000，而放置它的物理地址为0x30008000。实际上这个变换可以利用简单的公式进行表示：va = pa – PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET。Arm linux最终的kernel空间的页表，就是按照这个关系来建立。之所提及linux的内存映射，原因是在进入kernel代码，里面所有符号地址值为0xCxxxxxxx地址，而此时ARM未开启MMU功能，故在执行stext函数第一条执行时，它的PC值就是stext所在的内存地址（即物理地址，0x30008000）。 二：stext函数详解 stext函数定义在arch/arm/kernel/head.S，它的功能是获取处理器类型和机器类型信息，并创建临时的页表，然后开启MMU功能，并跳进第一个C语言函数start_kernel。stext函数的在前置条件是：MMU, D-cache, 关闭; r0 = 0, r1 = machine nr, r2 = atags prointer.
三：__lookup_processor_type函数
__lookup_processor_type函数是一个非常讲究技巧的函数，Kernel代码将所有CPU信息的定义都放
到.proc.info.init段中，因此可以认为.proc.info.init段就是一个数组，每个元素都定义了一个或一种CPU的信息。目前
__lookup_processor_type使用该元素的前两个字段cpuid和mask来匹配当前CPUID，如果满足CPUID &
mask == cpuid，则找到当前cpu的定义并返回。
/* * Read processor ID register (CP#15, CR0), and look up in the linker-built * supported processor list. Note that we can't use the absolute addresses * for the __proc_info lists since we aren't running with the MMU on * (and therefore, we are not in the correct address space). We have to * calculate the offset. * * r9 = cpuid * Returns: * r3, r4, r6 corrupted * r5 = proc_info pointer in physical address space * r9 = cpuid (preserved) */ __CPUINIT __lookup_processor_type: /* adr 是相对寻址，它的寻计算结果是将当前PC值加上__lookup_processor_type_data符号与PC的偏移量， * 而PC是物理地址，因此r3的结果也是__lookup_processor_type_data符号的物理地址 */ adr r3, __lookup_processor_type_data ldmia r3, {r4 - r6} sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to add r6, r6, r3 @ physical address space 1: ldmia r5, {r3, r4} @ value, mask /* 将当前CPUID和mask相与，并与数组元素中的CPUID比较是否相同 * 若相同，则找到当前CPU的__proc_info定义，r5指向访元素并返回。 */ and r4, r4, r9 @ mask wanted bits teq r3, r4 beq 2f /* r5指向下一个__proc_info元素 */ add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list) /* 是否遍历完所有__proc_info元素 */ cmp r5, r6 blo 1b /* 找不到则返回NULL */ mov r5, #0 @ unknown processor 2: mov pc, lr ENDPROC(__lookup_processor_type)
四：__lookup_machine_type 函数
__lookup_machine_type
和__lookup_processor_type像对孪生兄弟，它们的行为都是很类似的：__lookup_machine_type根据r1寄存器的
机器编号到.arch.info.init段的数组中依次查找机器编号与r1相同的记录。它使了与它孪生兄弟同样的手法进行虚拟地址到物理地址的转换计
算。
/* * Lookup machine architecture in the linker-build list of architectures. * Note that we can't use the absolute addresses for the __arch_info * lists since we aren't running with the MMU on (and therefore, we are * not in the correct address space). We have to calculate the offset. * * r1 = machine architecture number * Returns: * r3, r4, r6 corrupted * r5 = mach_info pointer in physical address space */ __lookup_machine_type: adr r3, __lookup_machine_type_data ldmia r3, {r4, r5, r6} sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to add r6, r6, r3 @ physical address space 1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type teq r3, r1 @ matches loader number? beq 2f @ found add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc cmp r5, r6 blo 1b mov r5, #0 @ unknown machine 2: mov pc, lr ENDPROC(__lookup_machine_type)
具体的请看我的另一篇文章：MACHINE_START and MACHINE_END Macro define
五：为kernel建立临时页表
前面提及到，kernel里面的所有符号在链接时，都使用了虚拟地址值。在完成基本的初始化后，kernel代码将跳到第一个C语言函数
start_kernl来执行，在哪个时候，这些虚拟地址必须能够对它所存放在真正内存位置，否则运行将为出错。为此，CPU必须开启MMU，但在开启
MMU前，必须为虚拟地址到物理地址的映射建立相应的面表。在开启MMU后，kernel指并不马上将PC值指向start_kernl，而是要做一些C
语言运行期的设置，如堆栈，重定义等工作后才跳到start_kernel去执行。在此过程中，PC值还是物理地址，因此还需要为这段内存空间建立va
= pa的内存映射关系。当然，本函数建立的所有页表都会在将来paging_init销毁再重建，这是临时过度性的映射关系和页表。
在介绍__create_table_pages前，先认识一个macro pgtbl，它将KERNL_RAM_PADDR –
0x4000的值赋给rd寄存器，从下面的使用中可以看它，该值是页表在物理内存的基础，也即页表放在kernel开始地址下的16K的地方。
.macro pgtbl, rd
ldr \rd, =(KERNEL_RAM_PADDR - 0x4000)
.endm
/* * Setup the initial page tables. We only setup the barest * amount which are required to get the kernel running, which * generally means mapping in the kernel code. * * r8 = machinfo * r9 = cpuid * r10 = procinfo * * Returns: * r0, r3, r5-r7 corrupted * r4 = physical page table address */ __create_page_tables: pgtbl r4 @ page table address /* * Clear the 16K level 1 swapper page table */ mov r0, r4 mov r3, #0 add r6, r0, #0x4000 1: str r3, [r0], #4 str r3, [r0], #4 str r3, [r0], #4 str r3, [r0], #4 teq r0, r6 bne 1b ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags /* * Create identity mapping to cater for __enable_mmu. * This identity mapping will be removed by paging_init(). */ adr r0, __enable_mmu_loc ldmia r0, {r3, r5, r6} sub r0, r0, r3 @ virt->phys offset add r5, r5, r0 @ phys __enable_mmu add r6, r6, r0 @ phys __enable_mmu_end mov r5, r5, lsr #20 mov r6, r6, lsr #20 1: orr r3, r7, r5, lsl #20 @ flags + kernel base str r3, [r4, r5, lsl #2] @ identity mapping teq r5, r6 addne r5, r5, #1 @ next section bne 1b /* * Now setup the pagetables for our kernel direct * mapped region. */ mov r3, pc mov r3, r3, lsr #20 orr r3, r7, r3, lsl #20 add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18 str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]! ldr r6, =(KERNEL_END - 1) add r0, r0, #4 add r6, r4, r6, lsr #18 1: cmp r0, r6 add r3, r3, #1 << 20 strls r3, [r0], #4 bls 1b #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL /* * Map some ram to cover our .data and .bss areas. */ orr r3, r7, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0xff000000) .if (KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000) orr r3, r3, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000) .endif add r0, r4, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18 str r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]! ldr r6, =(_end - 1) add r0, r0, #4 add r6, r4, r6, lsr #18 1: cmp r0, r6 add r3, r3, #1 << 20 strls r3, [r0], #4 bls 1b #endif /* * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params. */ add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18 orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000) .if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000) orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000) .endif str r6, [r0] #ifdef CONFIG_DEBUG_LL #ifndef CONFIG_DEBUG_ICEDCC /* * Map in IO space for serial debugging. * This allows debug messages to be output * via a serial console before paging_init. */ addruart r7, r3 mov r3, r3, lsr #20 mov r3, r3, lsl #2 add r0, r4, r3 rsb r3, r3, #0x4000 @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long) cmp r3, #0x0800 @ limit to 512MB movhi r3, #0x0800 add r6, r0, r3 mov r3, r7, lsr #20 ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags orr r3, r7, r3, lsl #20 1: str r3, [r0], #4 add r3, r3, #1 << 20 teq r0, r6 bne 1b #else /* CONFIG_DEBUG_ICEDCC */ /* we don't need any serial debugging mappings for ICEDCC */ ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags #endif /* !CONFIG_DEBUG_ICEDCC */ #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS) /* * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map * in the 16550-type serial port for the debug messages */ add r0, r4, #0xff000000 >> 18 orr r3, r7, #0x7c000000 str r3, [r0] #endif #ifdef CONFIG_ARCH_RPC /* * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE * Similar reasons here - for debug. This is * only for Acorn RiscPC architectures. */ add r0, r4, #0x02000000 >> 18 orr r3, r7, #0x02000000 str r3, [r0] add r0, r4, #0xd8000000 >> 18 str r3, [r0] #endif #endif mov pc, lr ENDPROC(__create_page_tables)
里面涉及的代码主要就是建立虚拟地址与物理地址的转换，尤其是右移20位和18位两个地方与页表目录项的地址关系比较复杂。执行完该函数后，虚拟内存和物理内存的映射关系如下图所示：
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