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2021年12月14日 | Exynos4412 内核移植（三）—— 内核启动过程分析

2021-12-14 来源：eefocus

内核启动所用函数如下：

与移植U-Boot 的过程相似，在移植Linux 之前，先了解它的启动过程。Linux 的过程可以分为两部分：架构/开发板相关的引导过程、后续的通用启动过程。对于uImage、zImage ,它们首先进行自解压得到vmlinux ，然后执行 vmlinux 开始“正常的”启动流程。

引导阶段通常使用汇编语言编写，它首先检查内核是否支持当前架构的处理器，然后检查是否支持当前开发板。通过检查后，就为调用下一阶段的start_kernel函数作准备了。这主要分如下两个步骤：

1）-- 连接内核时使用的虚拟地址，所以要设置页表、使能MMU；

2）调用C 函数 start_kernel 之前的常规工作，包括复制数据段、清除BSS段、调用start_kernel 函数。

第二阶段的关键代码主要使用C语言编写。它进行内核初始化的全部工作，最后调用 rest_init 函数启动init 过程，创建系统第一个进程：init 进程。在第二阶段，仍有部分架构/开发板相关的代码，比如重新设置页表、设置系统时钟、初始化串口等。

下面是详细解析：

一、第一阶段

与Uboot 一样，我们在连接文件中查看函数入口点，内核编译完成后会在arch/arm/kernel/下生成 vmlinux.lds 文件，打开：

stext 在 linux/arch/arm/kernel/head.S 中被定义，做为函数入口点，linux/arch/arm/kernel/head.S是linux内核映像解压后执行的第一个文件。

代码只是部分，但可以看到这一阶段究竟做了些什么：

a -- 设定为SVC模式，关闭IRQ、FIQ；

b -- 确定CPU的ID号，判定其是否有效；

c -- 确定machine的ID号，检查合法性；

d -- 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性

e -- 创建初始页表

下面对上面遇到的程序段展开分析：

a -- 确保处于SVC模式

这没什么好讲的，就是设置CPSR 模式位，并屏蔽中断；

b -- 检查CPU ID 是否匹配

获取ID并放到 r9 寄存器中，调用_lookup_processor_type 函数, 函数主要用来判定内核是否和当前的CPU匹配，如果不匹配，r5寄存器的值应为0，此时会调用 _error_p函数，它用来打印错误信息，即内核和当前的CPU不匹配，此时内核时不能启动的；如果两者匹配，会返回一个描述处理器结构的地址（在r5寄存器中），然后调用下面的函数。

下面看_lookup_processor_type 函数，在arch/arm/kernel/head-common.S 中定义：

上面的代码其实就是一个地址转换过程，因为在判定CPU架构时未开启系统的MMU功能，所以均使用物理地址，而内核代码在连接时是以虚拟地址来实现的，因此要想用proc_info_list 结构体，就要先找到proc_info_list 结构的物理地址，这样必须使用上面的转换代码。

proc_info_list 结构体很重要。在Linux 内核映像中定义了很多个proc_info_list 结构，该结构表示的是内核所支持的CPU架构，这部分下面会讲到，先分析上面的代码:

153 行：r3 存储的是_lookup_processor_type_data 的物理地址 ;

155 行：得到虚拟地址和物理地址之间的offset;

156 - 157 行：利用offset，将 r5 和 r6 中保存的虚拟地址转变为物理地址，主要是获得_proc_info_begin 及_proc_info_end 的物理地址，分别放到r5 和 r6 中；

159 行：r9 中存放的是先前读出的 processor ID，此处屏蔽不需要的位；

160 行：查看代码和CPU硬件是否匹配，如果匹配就返回，此时 r5 存放的是该CPU类型对应的结构体_proc_info_list 的基地址；不成功，则查看下一个 proc_info_list 结构体；

163行：如果直到 _proc_info_end ，都没有匹配，则定为未知CPU，向 r5 赋 0，然后返回；

下面来看看 proc_info_list 结构体，这个结构体在 arch/arm/include/asm/procinfo.h 中定义：

对于 Cortex-A9 来说，其结构体在文件 arch/arm/mm/proc-v7.S 中初始化：

.section ".proc.info.init"表明了该结构在编译后存放的位置。在链接文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds中：

__proc_info_begin = .;

*(.proc.info.init)

__proc_info_end = .;

上面两个变量 _proc_info_begin 与 _proc_info_end 用于计算 proc_info_list 结构的物理地址。

如果CPU ID匹配，在编译内核文件时，会编译 proc-v7.S 这个文件，可以在arch/arm/mm/Makefile 中看到这个文件

c -- 检测机器ID是否匹配

主要用到_lookup_machine_type 函数，其与_lookup_processor_type 函数实现代码很相似，这里不予阐述；

d -- 检查bootloader传入的参数列表atags的合法性

_vet_atags 函数用于检测参数列表atags的合法性

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_MEM32 ， 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;

struct tag_acorn acorn;

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:

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

bne 1f

ldr r5, [r2, #0] //获取第一个tag结构的size

//#define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2) 判断该tag的长度是否合法

subs r5, r5, #ATAG_CORE_SIZE

bne 1f

ldr r5, [r2, #4] //获取第一个tag结构体的标记，

ldr r6, =ATAG_CORE

cmp r5, r6 //判断第一个tag结构体的标记是不是ATAG_CORE

bne 1f

mov pc, lr //正常退出

1: mov r2, #0

mov pc, lr //参数连表不正确

ENDPROC(__vet_atags)

e -- 创建初始页表

其在下面被执行：

下面是详细分析：

* 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 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo

* Returns:

* r0, r3, r5-r7 corrupted

* r4 = page table (see ARCH_PGD_SHIFT in asm/memory.h)

__create_page_tables:

pgtbl r4, r8 @ page table address

* Clear the swapper page table

mov r0, r4

mov r3, #0

add r6, r0, #PG_DIR_SIZE

1: str r3, [r0], #4

str r3, [r0], #4

teq r0, r6

bne 1b

#ifdef CONFIG_ARM_LPAE

* Build the PGD table (first level) to point to the PMD table. A PGD

* entry is 64-bit wide.

mov r0, r4

add r3, r4, #0x1000 @ first PMD table address

orr r3, r3, #3 @ PGD block type

mov r6, #4 @ PTRS_PER_PGD

mov r7, #1 << (55 - 32) @ L_PGD_SWAPPER

#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8

str r7, [r0], #4 @ set top PGD entry bits

str r3, [r0], #4 @ set bottom PGD entry bits

#else

str r3, [r0], #4 @ set bottom PGD entry bits

str r7, [r0], #4 @ set top PGD entry bits

#endif

add r3, r3, #0x1000 @ next PMD table

subs r6, r6, #1

bne 1b

add r4, r4, #0x1000 @ point to the PMD tables

#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8

add r4, r4, #4 @ we only write the bottom word

#endif

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, __turn_mmu_on_loc

ldmia r0, {r3, r5, r6}

sub r0, r0, r3 @ virt->phys offset

add r5, r5, r0 @ phys __turn_mmu_on

add r6, r6, r0 @ phys __turn_mmu_on_end

mov r5, r5, lsr #SECTION_SHIFT

mov r6, r6, lsr #SECTION_SHIFT

1: orr r3, r7, r5, lsl #SECTION_SHIFT @ flags + kernel base

str r3, [r4, r5, lsl #PMD_ORDER] @ identity mapping

cmp r5, r6

addlo r5, r5, #1 @ next section

blo 1b

* Map our RAM from the start to the end of the kernel .bss section.

add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

ldr r6, =(_end - 1)

orr r3, r8, r7

add r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

1: str r3, [r0], #1 << PMD_ORDER

add r3, r3, #1 << SECTION_SHIFT

cmp r0, r6

bls 1b

#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL

* Map the kernel image separately as it is not located in RAM.

#define XIP_START XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR)

mov r3, pc

mov r3, r3, lsr #SECTION_SHIFT

orr r3, r7, r3, lsl #SECTION_SHIFT

add r0, r4, #(XIP_START & 0xff000000) >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

str r3, [r0, #((XIP_START & 0x00f00000) >> SECTION_SHIFT) << PMD_ORDER]!

ldr r6, =(_edata_loc - 1)

add r0, r0, #1 << PMD_ORDER

add r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

1: cmp r0, r6

add r3, r3, #1 << SECTION_SHIFT

strls r3, [r0], #1 << PMD_ORDER

bls 1b

#endif

* Then map boot params address in r2 if specified.

* We map 2 sections in case the ATAGs/DTB crosses a section boundary.

mov r0, r2, lsr #SECTION_SHIFT

movs r0, r0, lsl #SECTION_SHIFT

subne r3, r0, r8

addne r3, r3, #PAGE_OFFSET

addne r3, r4, r3, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

orrne r6, r7, r0

strne r6, [r3], #1 << PMD_ORDER

addne r6, r6, #1 << SECTION_SHIFT

strne r6, [r3]

#if defined(CONFIG_ARM_LPAE) && defined(CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8)

sub r4, r4, #4 @ Fixup page table pointer

@ for 64-bit descriptors

#endif

#ifdef CONFIG_DEBUG_LL

#if !defined(CONFIG_DEBUG_ICEDCC) && !defined(CONFIG_DEBUG_SEMIHOSTING)

* Map in IO space for serial debugging.

* This allows debug messages to be output

* via a serial console before paging_init.

addruart r7, r3, r0

mov r3, r3, lsr #SECTION_SHIFT

mov r3, r3, lsl #PMD_ORDER

add r0, r4, r3

mov r3, r7, lsr #SECTION_SHIFT

ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags

orr r3, r7, r3, lsl #SECTION_SHIFT

#ifdef CONFIG_ARM_LPAE

mov r7, #1 << (54 - 32) @ XN

#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8

str r7, [r0], #4

str r3, [r0], #4

#else

str r3, [r0], #4

str r7, [r0], #4

#endif

#else

orr r3, r3, #PMD_SECT_XN

str r3, [r0], #4

#endif

#else /* CONFIG_DEBUG_ICEDCC || CONFIG_DEBUG_SEMIHOSTING */

/* we don't need any serial debugging mappings */

ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags

#endif

#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 >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

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 >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

orr r3, r7, #0x02000000

str r3, [r0]

add r0, r4, #0xd8000000 >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

str r3, [r0]

#endif

#ifdef CONFIG_ARM_LPAE

sub r4, r4, #0x1000 @ point to the PGD table

mov r4, r4, lsr #ARCH_PGD_SHIFT

#endif

mov pc, lr

ENDPROC(__create_page_tables)

f -- 使能MMU，跳转到start_kernel

文件linux/arch/arm/kernel/head.S中

在前面有过这样的指令操作ldr r13, __switch_data ，

mov pc, r13 就是将跳转到__switch_data处。

在文件linux/arch/arm/kernel/head-common.S中：

.type __switch_data, %object //定义一个对象

__switch_data:

.long __mmap_switched //由此可知上面程序将跳转到该程序段处。

.long __data_loc @ r4

.long _data @ r5

.long __bss_start @ r6

.long _end @ r7

.long processor_id @ r4

.long __machine_arch_type @ r5

.long __atags_pointer @ r6

.long cr_alignment @ r7

.long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp

. = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET;

Exynos4412 内核移植内核启动

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