Linux內核源碼分析之setup_arch (一)

1. 概述

之前已經寫了幾篇Linux內核啟動相關的文章，比如：《解壓內核鏡像》《調用 start_kernel》都是用匯編語言寫的，這些代碼的作用僅僅是把內核鏡像放置到特定的位置，同時配置好C語言的運行環境，再有就是簡單的把內核鏡像所在區域的頁表設置一下，在開啟MMU之后就正式開始了C語言代碼的執行，C語言代碼的入口是start_kernel這個函數，本文要介紹其中的set_arch這個函數，該函數的作用是查找給定機器ID的數據結構信息、配置內存條信息、解析bootloader傳遞命令行參數，然后根據machine_desc結構體所記錄的信息對機器進行一些必要的設置，最后開始正式建立完整的頁表，大致流程如下圖所示。

2. set_processor

該函數首先調用匯編代碼來查找給定機器ID的proc_info數據，找到之后取出其中的processor結構體，該結構體中包含了很多任務切換相關的底層函數。

/* arch/arm/kernel/setup.c */
list = lookup_processor_type(read_cpuid_id());
/* arch/arm/kernel/head-common.S */
ENTRY(lookup_processor_type)
 stmfd sp!, {r4 - r6, r9, lr}
 mov r9, r0
 bl __lookup_processor_type
 mov r0, r5
 ldmfd sp!, {r4 - r6, r9, pc}
ENDPROC(lookup_processor_type)

cacheid_init函數根據CPU ID設置緩沖相關的標志位；cpu_init調用剛剛找到的processor中的processor._proc_init函數，不過該函數沒有做什么實際操作。

/* arch/arm/mm/proc-v7.S */
ENTRY(cpu_v7_proc_init)
 mov pc, lr
ENDPROC(cpu_v7_proc_init)

設置內核啟動時所在CPU不同異常模式下的棧指針。

/* arch/arm/kernel/setup.c::cpu_init */
 __asm__ (
 "msr cpsr_c, %1\n\t"
 "add r14, %0, %2\n\t"
 "mov sp, r14\n\t"
 "msr cpsr_c, %3\n\t"
 "add r14, %0, %4\n\t"
 "mov sp, r14\n\t"
 "msr cpsr_c, %5\n\t"
 "add r14, %0, %6\n\t"
 "mov sp, r14\n\t"
 "msr cpsr_c, %7"
     :
     : "r" (stk),
       PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | IRQ_MODE),
       "I" (offsetof(struct stack, irq[0])),
       PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | ABT_MODE),
       "I" (offsetof(struct stack, abt[0])),
       PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | UND_MODE),
       "I" (offsetof(struct stack, und[0])),
       PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE)
     : "r14");

3. setup_machine_tags

根據機器ID查找machine_desc結構體，如果沒有找到就打印一條提示信息，然后直接宕機。而此時使用的打印函數是early_print的話，再根據《printk流程分析》，此時其實還沒有注冊console驅動，因此如果沒有打開early_printk功能，則系統就悄無聲息的死機了。

/* arch/arm/kernel/setup.c */
for_each_machine_desc(p)
  if (nr == p->nr) {
   printk("Machine: %s\n", p->name);
   mdesc = p;
   break;
  }

找到mdesc之后，執行mdesc->fixup()，該調用實際執行的函數是定義在cpu.c中的cpu_fixup函數，該函數的作用是設置內存條個數以及對應物理起始地址和大小。

/* arch/arm/kernel/setup.c */
if (mdesc->fixup)
 mdesc->fixup(tags, &from, &meminfo);
/* arch/arm/mach-s5p4418/cpu.c */
MACHINE_START(S5P4418, NXP_MACH_NAME)
 .atag_offset =  0x00000100,
 .fixup   =  cpu_fixup,
 .map_io   =  cpu_map_io,
 .init_irq  =  nxp_cpu_init_irq,
#ifdef CONFIG_ARM_GIC
 .handle_irq  =  gic_handle_irq,
#else
 .handle_irq  =  vic_handle_irq,
#endif
 .timer   = &nxp_cpu_sys_timer,
 .init_machine =  cpu_init_machine,
#if defined CONFIG_CMA && defined CONFIG_ION
 .reserve  =  cpu_mem_reserve,
#endif
MACHINE_END
static void __init cpu_fixup(...)
{
 mi->nr_banks      = 1;
 mi->bank[0].start = CFG_MEM_PHY_SYSTEM_BASE;
#if !defined(CFG_MEM_PHY_DMAZONE_SIZE)
 mi->bank[0].size  = CFG_MEM_PHY_SYSTEM_SIZE;
#else
 mi->bank[0].size  = CFG_MEM_PHY_SYSTEM_SIZE + CFG_MEM_PHY_DMAZONE_SIZE;
#endif
}

接下來就是解析bootloader傳遞的命令行參數，通過tag->hdr.tag查找內核中預置的對應類型tag的解析函數，然后調用對應類型tag的parse函數即可實現對參數的解析。

/* arch/arm/kernel/setup.c */
static int __init parse_tag(const struct tag *tag)
{
 extern struct tagtable __tagtable_begin, __tagtable_end;
 struct tagtable *t;

 for (t = &__tagtable_begin; t < &__tagtable_end; t++)
  if (tag->hdr.tag == t->tag) {
   t->parse(tag);
   break;
  }

 return t < &__tagtable_end;
}
/* arch/arm/kernel/setup.h */
struct tagtable {
 __u32 tag;
 int (*parse)(const struct tag *);
};

4. 總結

為了避免文章篇幅太長，所以會拆分成三四篇來寫，下面是本文的總結：

• setup_processor：根據給定機器ID查找機器描述信息，然后再根據CPU ID設置cache相關的標志位，再執行processor._proc_init對處理器進行初始化，最后設置CPU不同異常模式下的棧指針；
• setup_machine_tags：根據機器ID查找machine_desc結構體，然后執行cpu_fixup函數配置內存條信息，最后解析bootloader傳遞的命令行參數。