第3階段——內核啟動分析之創建si工程和分析stext啟動內核函數(4)


目標:

(1)創建Source Insight 工程,方便后面分析如何啟動內核的

(2)分析uboot傳遞參數,鏈接腳本如何進入stext的 

(3) 分析stext函數如何啟動內核:

 

     (3.1) 關閉irq和fiq,設置svc管理模式

 

     (3.2)判斷是或支持這個CPU

 

     (3.3)判斷是否支持這個單板(通過uboot傳入的機器ID判斷)

 

     (3.4)創建頁表,為后面的MMU做准備

 

     (3.5) 使能MMU並跳到__switch_data處,復制數據段,清除bss段,設置棧,調用start_kernel第一個C函數


 

1 創建內核source sight 工程

1.1 點擊 “add all” 添加所有文件,后面再慢慢刪去Arch目錄和Include目錄中與2440芯片沒用的文件。

 

1.2 點擊Remove Tree 刪除Arch文件夾,再添加與2440相關的硬件核心代碼以及其它公用的代碼

  Arch:包含了平台,處理器相關的代碼,並包括boot文件夾。

1.2.1 點擊Add Tree添加以下子目錄:

           linux-2.6.22.6/arch/arm/boot   (啟動配置文件) 

           linux-2.6.22.6/arch/arm/common      (公共文件)  

           linux-2.6.22.6/arch/arm/configs    (配置文件)  

           linux-2.6.22.6/arch/arm/kernel         (內核文件)         

           linux-2.6.22.6/arch/arm/lib            (固件庫)  

           linux-2.6.22.6/arch/arm/mach-s3c2440  (machine 設備,2440設備庫)  

           linux-2.6.22.6/arch/arm/mach-s3c2410   (2440中部分調用了2410設備庫)  

           linux-2.6.22.6/arch/arm/Mm     (內存管理文件)  

           linux-2.6.22.6/arch/arm/nwfpe             

           linux-2.6.22.6/arch/arm/oprofile         (性能分析工具文件)                

           linux-2.6.22.6/arch/arm/plat-s3c24xx    (s3c24系列平台文件)      

           linux-2.6.22.6/arch/arm/tools     (常用工具文件)                          

           linux-2.6.22.6/arch/arm/vfp   (浮點運算文件)                              

1.3 點擊Remove Tree 刪除Include文件夾,再添加與2440相關的頭文件

Include: 包括了核心的大多數include文件,另外對於每種支持的體系結構分別有一個子目錄 

1.3.1 點擊Add All 添加 linux-2.6.22.6/include/asm-arm目錄下文件(不包含子目錄所有文件),如下圖所示:

 

 

1.3.2 點擊Add Tree添加以下子目錄:         

           linux-2.6.22.6/include/asm-arm/arch-s3c2410     (2410處理器架構)           

           linux-2.6.22.6/include/asm-arm/hardware    (硬件相關頭文件)

           linux-2.6.22.6/include/asm-arm/mach             (具體的設備文件)

           linux-2.6.22.6/include/asm-arm/plat-s3c24xx   (s3c24系列平台頭文件)  

1.3.3返回到 linux-2.6.22.6/include目錄下,點擊Add Tree添加除了asm-xx開頭的其它通用文件:     

            linux-2.6.22.6/include/acpi             (高級配置與電源接口文件)  

            linux-2.6.22.6/include/config 

            linux-2.6.22.6/include/crypto 

            linux-2.6.22.6/include/keys

            linux-2.6.22.6/include/linux

            linux-2.6.22.6/include/math-emu

            linux-2.6.22.6/include/mtd      

            linux-2.6.22.6/include/net 

            linux-2.6.22.6/include/pcmcia

            linux-2.6.22.6/include/rdma

            linux-2.6.22.6/include/rxrpc

            linux-2.6.22.6/include/scsi

            linux-2.6.22.6/include/sound

            linux-2.6.22.6/include/video

                       

1.4 最后點擊synchronize files    創建source insight工程

 

 

2.內核啟動之分析uboot傳遞參數和鏈接腳本

2.1 內核在uboot啟動之前是進入do_boom_linux函數

(do_boom_linux函數啟動內核詳解:http://www.cnblogs.com/lifexy/p/7310279.html)

do_boom_linux代碼如下:

theKernel = (void (*)(int, int, unsigend int))0x30008000;

// 設置theKernel地址=0x30008000,用於后面啟動內核

/*設置atag參數*/

setup_start_tag (void);                      //從0X30000100地址處開始保存start_tag數據,

setup_memory_tags (void);         //保存memory_tag數據,讓內核知道內存多大 setup_commandline_tag (“boottargs=noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0”);  

 /*保存命令行bootargs參數,讓內核知道根文件系統位置在/dev/mtdblock3,指定開機運行第一個腳本/linuxrc,指定打印串口0*/

setup_end_tag (void);                        //初始化tag結構體結束

theKernel(0,362,0x300000100);        //362:機器ID,  0x300000100: params(atag)參數地址

/*傳遞參數跳轉執行到0x30008000啟動內核,           */

/*相當於: mov r0,#0                                */

/*ldr r1,=362                                       */

/*ldr r2,= 0x300000100                             */

/*mov pc,#0x30008000                            */

TAG參數內存布局圖如下:

 

2.2然后來分析鏈接腳本arm/arm/kernel/vmlinux.lds

OUTPUT_ARCH(arm)                    //設置輸出文件的體系架構

 ENTRY(stext)                          //設置stext全局符號為入口地址

 jiffies = jiffies_64;

SECTIONS
{
. = (0xc0000000) + 0x00008000;               

/*設置內核虛擬地址=0xc0000000+0x00008000 */
.text.head : {
  _stext = .;
  _sinittext = .;
  *(.text.head)         //添加所有.text.head段
}
.init : { /* Init code and data                */
   *(.init.text)
  _einittext = .;
  __proc_info_begin = .;
   *(.proc.info.init)               //存放處理器相關的信息初始化
  __proc_info_end = .;
  __arch_info_begin = .;
   *(.arch.info.init)              //存放與架構(arch)相關的信息(info)初始化
  __arch_info_end = .;
...  ...

從vmlinux.lds中得出linux內核啟動第一步是進入stext入口函數。

那么stext入口函數又在哪里定義的呢?

搜索ENTRY(stext)得出,它在arch/arm/kernel/head.S中,

stext函數的在前置條件是:MMU, D-cache, 關閉; r0 = 0, r1 = machine nr, r2 = atags prointer.代碼如下:

/*

 * Kernel startup entry point.                      //內核 啟動 入口 點

 * ---------------------------

 *

 * This is normally called from the decompressor code.  The requirements

 * are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,  

/* 前置條件是:MMU, D-cache, 關閉; r0 = 0, r1 =機器ID, r2 =atag參數地址.*/

 * r1 = machine nr.

* This code is mostly position independent, so if you link the kernel at

 * 0xc0008000, you call this at __pa(0xc0008000).

* See linux/arch/arm/tools/mach-types for the complete list of machine

 * numbers for r1.

 *

 * We're trying to keep crap to a minimum; DO NOT add any machine specific

 * crap here - that's what the boot loader (or in extreme, well justified

 * circumstances, zImage) is for.

 */

 section ".text.head", "ax"                      /* 定義一個.text.head段,段的屬性a是允許段,x可 執行 */ 

         .type  stext, %function                /*定義了由bootloader進入內核的入口stext */

ENTRY(stext)

... ...

 

它的功能是獲取處理器類型和機器類型信息,並創建臨時的頁表,然后開啟MMU功能(因為內核代碼中全是0XCxxxxxxx地址),並跳進第一個C語言函數start_kernel。

所以,內核啟動后第一步是 進入arch/arm/kernel/head.S的stext函數中.

3內核啟動之stext函數分析(arch/arm/kernel/head.S)

stext函數內容,如下圖:

(1) 關閉irq和fiq,設置svc管理模式

(2)判斷是或支持這個CPU

(3)判斷是否支持這個單板(通過uboot傳入的機器ID判斷)

(4)創建頁表,為后面的MMU做准備

(5) 使能MMU並跳到__switch_data處,復制數據段,清除bss段,設置棧,調用start_kernel第一個C函數

   

stext函數代碼如下:  

section ".text.head", "ax"                          /* 定義一個.text.head段,段的屬性a是允許段,x可 執行 */ 

         .type   stext, %function                     /*定義了由bootloader進入內核的入口stext */

ENTRY(stext)                                    //入口地址stext函數

      /*msr cpsr_c,0xD3   關閉irq和fiq,設置svc管理模式  */

         msr    cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode 

                                                          @ and irqs disabled

     /*獲取cpu ID */

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

     /*查找內核是否支持r9這個cpuID,若不支持r5=0,支持r5=處理器ID*/

         bl       __lookup_processor_type             @ r5=procinfo r9=cpuid

         movs  r10, r5                                      @ invalid processor (r5=0)?

      /*不支持則跳轉到__error_p,死循環*/

         beq     __error_p                         @ yes, error 'p'

     /*查找內核是否支持uboot傳入的r1機器ID(362),若不支持r5=0,支持r5=機器ID*/

         bl       __lookup_machine_type              @ r5=machinfo

         movs  r8, r5                              @ invalid machine (r5=0)?

     /*不支持則跳轉到__error_a,死循環*/

         beq     __error_a                         @ yes, error 'a'

 /*跳轉到__create_page_tables 創建頁表,為后面的MMU做准備*/

         bl       __create_page_tables               

 

3.1 分析上面”__lookup_machine_type函數”是如何通過查找r1機器ID(362)是或等於單板機器ID的,代碼如下(位於arch/arm/kernel):

3:       .long  .
         .long  __arch_info_begin
         .long  __arch_info_end


__lookup_machine_type:

         /*(b:bank)r3=后面的符號3處. 虛擬地址,由於mmu未啟動,所以=物理地址*/
adr     r3, 3b               
         ldmia  r3, {r4, r5, r6}/* r4=3b處的虛擬地址 ,r5=__arch_info_begin處的虛擬地址,r6=__arch_info_end處的虛擬地址   */
         sub     r3, r3, r4                         @ get offset between virt&phys //得到虛擬地址(virtual)與物理地址(physical)的偏移值
         add     r5, r5, r3                         @ convert virt addresses to  //找到arch_info_begin處的物理地址
         add     r6, r6, r3                         @ physical address space    //找到__arch_info_end處的物理地址
1:       ldr      r3, [r5, #MACHINFO_TYPE]      @ get machine type   //r3=r5+偏移地址里內容= 單板機器ID
         teq     r3, r1                                  //判斷r1(365)和單板機器ID是否相等,相等說明內核支持該單板
         beq     2f                                   @ found   //相等則直接返回到stext函數繼續執行
         add     r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC      @ next machine_desc
         cmp    r5, r6

         blo     1b
         mov   r5, #0                             @ unknown machine  //r5=0,不支持該單板
2:       mov   pc, lr                       //退出

其中__arch_info_begin和__arch_info_end是在鏈接腳本arm/arm/kernel/vmlinux.lds中定義:

305  __arch_info_begin = .;           //__arch_info_begin=信息開始地址
306     *(.arch.info.init)              //存放架構相關的信息初始化
307  __arch_info_end = .;           //__arch_info_end =信息結束地址

通過grep  “.arch.info.init”  -nR其中.arch.info.init段在include/asm-ram/mach/arch.h中53行處定義:

 

代碼如下:

#define MACHINE_START(_type,_name)                     //定義了一個MACHINE_START宏, _type:CPU名字,_name:開發板名字
static const struct machine_desc __mach_desc_##_type \      //##:連詞符號
 __used                                                                \
 __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {       \  //強制將  MACHINE_START宏里的成員組成.arch.info.init段
         .nr               = MACH_TYPE_##_type,          \ 
         .name           = _name,


#define MACHINE_END \ //定義宏MACHINE_END= }; };

搜索MACHINE_START宏發現arch/arm目錄下每個文件都使用了這個宏定義,由於我們選用的是S3C2440和SMDKs3c2440

 

所以得出使用宏#define MACHINE_START(_type,_name)的是:

1 MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")       
2     /* Maintainer: Ben Dooks <ben@fluff.org> */
3     .phys_io  = S3C2410_PA_UART,
4     .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
5     .boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,
6
7     .init_irq   = s3c24xx_init_irq,
8     .map_io          = smdk2440_map_io,
9     .init_machine  = smdk2440_machine_init,
10   .timer             = &s3c24xx_timer,
11  MACHINE_END

 

其中上面第1段使用的宏就是之前在arch.h中定義的MACHINE_START(_type,_name),其中_type替換成S3C2440, _name替換成"SMDK2440".

第11段的MACHINE_END在被arch.h中定義為等於“};”

最終

將宏定義代入上面MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")處的11段代碼中,展開如下所示:

static const struct  machine_desc  __mach_desc_ S3C2440  //定義一個machine_desc型結構體,名字為__mach_desc_ S3C2440
 __used                                                                \
 __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {        //強制將MACHINE_START宏里的成員組成.arch.info.init段
         .nr               = MACH_TYPE_ S3C2440,  // __mach_desc_ S3C2440.nr= MACH_TYPE_ S3C2440  機器ID
         .name           = "SMDK2440",              //__mach_desc_ S3C2440. name = "SMDK2440"  機器ID名字   

       /* Maintainer: Ben Dooks <ben@fluff.org> */
    /*.phys_io  =0X50000000,存放物理IO基地址*/
       .phys_io  = S3C2410_PA_UART,         

 /* .io_pg_offst存放物理IO偏移地址*/  
       .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,   

        

 

/*其中S3C2410_SDRAM_PA=0X30000000, .boot_params= 0X30000100,所以我們uboot傳入的atag參數地址必須是0X30000100*/
.boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100, 

.init_irq = s3c24xx_init_irq,        
       .map_io          = smdk2440_map_io,     
       .init_machine  = smdk2440_machine_init,    
      .timer             = &s3c24xx_timer,   
  };                                        // MACHINE_END替換成  };

 

從上面可以看出主要是初始化了machine_desc結構體,然后將其放在.arch.info.init段上,讓 內核啟動時將uboot傳遞進來的ID與這個段上的ID進行比較是否吻合,支不支持該單板初始化。

因為不同的單板都有不同MACHINE_START(_type,_name)以及硬件上可能有差別,所以需要初始化的內容也不同

返回stext函數中繼續往下看:

ldr   r13, __switch_data             @ address to jump to after
//MMU使能之后會跳轉(jump)到__switch_data@ mmu has been enabled 

adr  lr, __enable_mmu              @ return (PIC) address//使能MMU
add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC  

 

為什么使能MMU后會跳轉到__switch_data?

在__enable_mmu函數中最后面可以看到使能MMU后,會將r13賦給PC,跳轉到了__switch_data,代碼如下:

__enable_mmu: 
      ...  .... 
      mov    r3, r3
      mov    r3, r3
      mov    pc, r13

 

跳轉到了__switch_data中,其中 __switch_data 是__mmap_switched的虛擬地址,所以最終跳轉到__mmap_switched中.

__switch_data函數代碼如下:

__switch_data:
         .long  __mmap_switched                          //進入__mmap_switched函數
         .long  __data_loc                       @ r4              
         .long  __data_start                     @ r5
         .long  __bss_start                      @ r6
         .long  _end                               @ r7
         .long                                       @ r4
         .long  __machine_arch_type                  @ r5
         .long  cr_alignment                         @ r6
         .long  init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp

__mmap_switched:
         adr     r3, __switch_data + 4           //r3=__data_loc段內容
/*其中
__data_loc 是數據存放的位置
__data_start 是數據開始的位置    
__bss_start 是bss開始的位置
_end 是bss結束的位置, 也是內核結束的位置
這幾個符號都在arch/arm/kernel/vmlinux.lds中定義的變量
*/

         ldmia  r3!, {r4, r5, r6, r7}   //r4=__data_loc ,  r5=__data_start ,  r6=__bss_start ,r7=_end ,  r3= processor_id
         cmp    r4, r5                                        // __data_loc段不等於__data_start段則執行下面1處的內容
1:       cmpne  r5, r6                  // 比較r5(__data_start段)和r6(__bss_start段)
         ldrne   fp, [r4], #4                
         strne   fp, [r5], #4                //str r4,[r5] 將整個段里內容從 __data_loc段 復制到__data_start段
         bne     1b                      //r5不等於r6,則繼續復制   

mov fp, #
0 @ Clear BSS (and zero fp) //清除bss段 1: cmp r6, r7 //比較r6(__bss_start t段)和r7(_end段) strcc fp, [r6],#4 // 清除bss段 bcc 1b //(cc:小於)r6<r7,繼續清除bss段
ldmia r3, {r4, r5, r6, sp}
//r4=r3= processor_id, r5=__machine_arch_type,r6= cr_alignment, //設置棧sp= init_thread_union + THREAD_START_SP,方便執行C函數start_kernel str r9, [r4] @ Save processor ID str r1, [r5] @ Save machine type bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit stmia r6, {r0, r4} @ Save control register values b start_kernel //然后執行start_kernel函數

 

最終跳到start_kernel函數,此函數代碼用純C來實現,它會調用各個平台的相關初始化函數

下一節開始分析start_kernel函數

 

 


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