Android arm linux kernel啟動流程二

前面說過解壓以后，代碼會跳到解壓完成以后的vmlinux開始執(zhí)行，具體從什么地方開始執(zhí)行我們可以看看生成的vmlinux.lds(arch/arm/kernel/)這個文件：

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OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(stext)
jiffies = jiffies_64;
SECTIONS
{
. = 0x80000000 + 0x00008000;
.text.head : {
_stext = .;
_sinittext = .;
*(.text.h
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(stext)
jiffies = jiffies_64;
SECTIONS
{
. = 0x80000000 + 0x00008000;
.text.head : {
_stext = .;
_sinittext = .;
*(.text.h

很明顯我們的vmlinx最開頭的section是.text.head，這里我們不能看ENTRY的內(nèi)容，以為這時候我們沒有操作系統(tǒng)，根本不知道如何來解析這里的入口地址，我們只能來分析他的section(不過一般來說這里的ENTRY和我們從seciton分析的結(jié)果是一樣的)，這里的.text.head section我們很容易就能在arch/arm/kernel/head.S里面找到，而且它里面的第一個符號就是我們的stext：

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.section ".text.head", "ax"
Y(stext)
msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
@ and irqs disabled
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
.section ".text.head", "ax"
ENTRY(stext)
msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
@ and irqs disabled
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid

這里的ENTRY這個宏實(shí)際我們可以在include/linux/linkage.h里面找到，可以看到他實(shí)際上就是聲明一個GLOBAL Symbol，后面的ENDPROC和END唯一的區(qū)別是前面的聲明了一個函數(shù)，可以在c里面被調(diào)用。

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#ifndef ENTRY
#define ENTRY(name) /
.globl name; /
ALIGN; /
name:
#endif
#ifndef WEAK
#define WEAK(name) /
.weak name; /
name:
#endif
#ifndef END
#define END(name) /
.size name, .-name
#endif
/* If symbol name is treated as a subroutine (gets called, and returns)
* then please use ENDPROC to mark name as STT_FUNC for the benefit of
* static analysis tools such as stack depth analyzer.
*/
#ifndef ENDPROC
#define ENDPROC(name) /
.type name, @function; /
END(name)
#endif
#ifndef ENTRY
#define ENTRY(name) /
.globl name; /
ALIGN; /
name:
#endif
#ifndef WEAK
#define WEAK(name) /
.weak name; /
name:
#endif
#ifndef END
#define END(name) /
.size name, .-name
#endif
/* If symbol name is treated as a subroutine (gets called, and returns)
* then please use ENDPROC to mark name as STT_FUNC for the benefit of
* static analysis tools such as stack depth analyzer.
*/
#ifndef ENDPROC
#define ENDPROC(name) /
.type name, @function; /
END(name)
#endif

找到了vmlinux的起始代碼我們就來進(jìn)行分析了，先總體概括一下這部分代碼所完成的功能，head.S會首先檢查proc和arch以及atag的有效性，然后會建立初始化頁表，并進(jìn)行CPU必要的處理以后打開MMU，并跳轉(zhuǎn)到start_kernel這個symbol開始執(zhí)行后面的C代碼。這里有很多變量都是我們進(jìn)行kernel移植時需要特別注意的，下面會一一講到。

在這里我們首先看看這段匯編開始跑的時候的寄存器信息，這里的寄存器內(nèi)容實(shí)際上是同bootloader跳轉(zhuǎn)到解壓代碼是一樣的，就是r1=arch r2=atag addr。下面我們就具體來看看這個head.S跑的過程：

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msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
@ and irqs disabled
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
@ and irqs disabled
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id

首先進(jìn)入SVC模式并關(guān)閉所有中斷，并從arm協(xié)處理器里面讀到CPU ID，這里的CPU主要是指arm架構(gòu)相關(guān)的CPU型號，比如ARM9，ARM11等等。

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然后跳轉(zhuǎn)到__lookup_processor_type，這個函數(shù)定義在head-common.S里面，這里的bl指令會保存當(dāng)前的pc在lr里面，最后__lookup_processor_type會從這個函數(shù)返回，我們具體看看這個函數(shù)：

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__lookup_processor_type:
adr r3, 3f
ldmda r3, {r5 - r7}
sub r3, r3, r7 @ 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
and r4, r4, r9 @ mask wanted bits
teq r3, r4
beq 2f
add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)
cmp r5, r6
blo 1b
mov r5, #0 @ unknown processor
2: mov pc, lr
ENDPROC(__lookup_processor_type)
__lookup_processor_type:
adr r3, 3f
ldmda r3, {r5 - r7}
sub r3, r3, r7 @ 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
and r4, r4, r9 @ mask wanted bits
teq r3, r4
beq 2f
add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)
cmp r5, r6
blo 1b
mov r5, #0 @ unknown processor
2: mov pc, lr
ENDPROC(__lookup_processor_type)

他這里的執(zhí)行過程其實(shí)比較簡單就是在__proc_info_begin和__proc_info_end這個段里面里面去讀取我們注冊在里面的proc_info_list這個結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體的定義在arch/arm/include/asm/procinfo.h，具體實(shí)現(xiàn)根據(jù)你使用的cpu的架構(gòu)在arch/arm/mm/里面找到具體的實(shí)現(xiàn)，這里我們使用的ARM11是proc-v6.S，我們可以看看這個結(jié)構(gòu)體：

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.section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
/*
* Match any ARMv6 processor core.
*/
.type __v6_proc_info, #object
_proc_info:
.long 0x0007b000
.long 0x0007f000
.long PMD_TYPE_SECT | /
PMD_SECT_BUFFERABLE | /
PMD_SECT_CACHEABLE | /
PMD_SECT_AP_WRITE | /
PMD_SECT_AP_READ
.long PMD_TYPE_SECT | /
PMD_SECT_XN | /
PMD_SECT_AP_WRITE | /
PMD_SECT_AP_READ
b __v6_setup
.long cpu_arch_name
.long cpu_elf_name
.long HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_EDSP|HWCAP_JAVA
.long cpu_v6_name
.long v6_processor_functions
.long v6wbi_tlb_fns
.long v6_user_fns
.long v6_cache_fns
.size __v6_proc_info, . - __v6_proc_info
.section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
/*
* Match any ARMv6 processor core.
*/
.type __v6_proc_info, #object
__v6_proc_info:
.long 0x0007b000
.long 0x0007f000
.long PMD_TYPE_SECT | /
PMD_SECT_BUFFERABLE | /
PMD_SECT_CACHEABLE | /
PMD_SECT_AP_WRITE | /
PMD_SECT_AP_READ
.long PMD_TYPE_SECT | /
PMD_SECT_XN | /
PMD_SECT_AP_WRITE | /
PMD_SECT_AP_READ
b __v6_setup
.long cpu_arch_name
.long cpu_elf_name
.long HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_EDSP|HWCAP_JAVA
.long cpu_v6_name
.long v6_processor_functions
.long v6wbi_tlb_fns
.long v6_user_fns
.long v6_cache_fns
.size __v6_proc_info, . - __v6_proc_info

對著.h我們就知道各個成員變量的含義了，他這里lookup的過程實(shí)際上是先求出這個proc_info_list的實(shí)際物理地址，并將其內(nèi)容讀出，然后將其中的mask也就是我們這里的0x007f000與寄存器與之后與0x007b00進(jìn)行比較，如果一樣的話呢就校驗(yàn)成功了，如果不一樣呢就會讀下一個proc_info的信息，因?yàn)閜roc一般都是只有一個的，所以這里一般不會循環(huán)，如果檢測正確寄存器就會將正確的proc_info_list的物理地址賦給寄存器，如果檢測不到就會將寄存器值賦0，然后通過LR返回。

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bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo
movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?
beq __error_a @ yes, error a
bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo
movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?
beq __error_a @ yes, error a

檢測完proc_info_list以后就開始檢測machine_type了，這個函數(shù)的實(shí)現(xiàn)也在head－common.S里面，我們看看它具體的實(shí)現(xiàn)：

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__lookup_machine_type:
adr r3, 3b
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)
__lookup_machine_type:
adr r3, 3b
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)

這里的過程基本上是同proc的檢查是一樣的，這里主要檢查芯片的類型，比如我們現(xiàn)在的芯片是MSM7X27FFA，這也是一個結(jié)構(gòu)體，它的頭文件在arch/arm/include/asm/arch/arch.h里面(machine_desc)，它具體的實(shí)現(xiàn)根據(jù)你對芯片類型的選擇而不同，這里我們使用的是高通的7x27,具體實(shí)現(xiàn)在arch/arm/mach-msm/board-msm7x27.c里面，這些結(jié)構(gòu)體最后都會注冊到_arch_info_begin和_arch_info_end段里面，具體的大家可以看看vmlinux.lds或者system.map，這里的lookup會根據(jù)bootloader傳過來的nr來在__arch_info里面的相匹配的類型，沒有的話就尋找下一個machin_desk結(jié)構(gòu)體，直到找到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，并會將結(jié)構(gòu)體的地址賦值給寄存器，如果沒有的話就會賦值為0的。一般來說這里的machine_type會有好幾個，因?yàn)椴煌男酒愋涂赡苁褂玫亩际峭粋€cpu架構(gòu)。

對processor和machine的檢查完以后就會檢查atags parameter的有效性，關(guān)于這個atag具體的定義我們可以在./include/asm/setup.h里面看到，它實(shí)際是一個結(jié)構(gòu)體和一個聯(lián)合體構(gòu)成的結(jié)合體，里面的size都是以字來計(jì)算的。這里的atags param是bootloader創(chuàng)建的，里面包含了ramdisk以及其他memory分配的一些信息，存儲在boot.img頭部結(jié)構(gòu)體定義的地址中，具體的大家可以看咱以后對bootloader的分析～

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__vet_atags:
tst r2, #0x3 @ aligned?
bne 1f
ldr r5, [r2, #0] @ is first tag ATAG_CORE?
cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE
cmpne r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY
bne 1f
ldr r5, [r2, #4]
ldr r6, =ATAG_CORE
cmp r5, r6
bne 1f
mov pc, lr @ atag pointer is ok
1: mov r2, #0
mov pc, lr
ENDPROC(__vet_atags)
__vet_atags:
tst r2, #0x3 @ aligned?
bne 1f
ldr r5, [r2, #0] @ is first tag ATAG_CORE?
cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE
cmpne r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY
bne 1f
ldr r5, [r2, #4]
ldr r6, =ATAG_CORE
cmp r5, r6
bne 1f
mov pc, lr @ atag pointer is ok
1: mov r2, #0
mov pc, lr
ENDPROC(__vet_atags)

這里對atag的檢查主要檢查其是不是以ATAG_CORE開頭，size對不對，基本沒什么好分析的，代碼也比較好看～ 下面我們來看后面一個重頭戲，就是創(chuàng)建初始化頁表，說實(shí)話這段內(nèi)容我沒弄清楚，它需要對ARM VIRT MMU具有相當(dāng)?shù)睦斫?，這里我沒有太多的時間去分析spec，只是粗略了翻了ARM V7的manu，知道這里建立的頁表是arm的secition頁表，完成內(nèi)存開始1m內(nèi)存的映射，這個頁表建立在kernel和atag paramert之間，一般是4000-8000之間～具體的代碼和過程我這里就不貼了，大家可以看看參考的鏈接，看看其他大蝦的分析，我還沒怎么看明白，等以后仔細(xì)研究ARM MMU的時候再回頭來仔細(xì)研究了，不過代碼雖然不分析，這里有幾個重要的地址需要特別分析下～

這幾個地址都定義在arch/arm/include/asm/memory.h，我們來稍微分析下這個頭文件，首先它包含了arch/memory.h，我們來看看arch/arm/mach-msm/include/mach/memory.h，在這個里面定義了#define PHYS_OFFSET UL(0x00200000) 這個實(shí)際上是memory的物理內(nèi)存初始地址，這個地址和我們以前在boardconfig.h里面定義的是一致的。然后我們再看asm/memory.h，他里面定義了我們的memory虛擬地址的首地址#define PAGE_OFFSET UL(CONFIG_PAGE_OFFSET)。

另外我們在head.S里面看到kernel的物理或者虛擬地址的定義都有一個偏移，這個偏移又是從哪來的呢，實(shí)際我們可以從arch/arm/Makefile里面找到：textofs-y := 0x00008000 TEXT_OFFSET := $(textofs-y) 這樣我們再看kernel啟動時候的物理地址和鏈接地址，實(shí)際上它和我們前面在boardconfig.h和Makefile.boot里面定義的都是一致的～

建立初始化頁表以后，會首先將__switch_data這個symbol的鏈接地址放在sp里面，然后獲得__enable_mmu的物理地址，然后會跳到__proc_info_list里面的INITFUNC執(zhí)行，這個偏移是定義在arch/arm/kernel/asm-offset.c里面，實(shí)際上就是取得__proc_info_list里面的__cpu_flush這個函數(shù)執(zhí)行。

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ldr r13, __switch_data @ address to jump to after
@ mmu has been enabled
adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address
add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC
ldr r13, __switch_data @ address to jump to after
@ mmu has been enabled
adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address
add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

這個__cpu_flush在這里就是我們proc-v6.S里面的__v6_setup函數(shù)了，具體它的實(shí)現(xiàn)我就不分析了，都是對arm控制寄存器的操作，這里轉(zhuǎn)一下它對這部分操作的注釋，看完之后就基本知道它完成的功能了。

/*

* __v6_setup

*

* Initialise TLB, Caches, and MMU state ready to switch the MMU

* on. Return in r0 the new CP15 C1 control register setting.

*

* We automatically detect if we have a Harvard cache, and use the

* Harvard cache control instructions insead of the unified cache

* control instructions.

*

* This should be able to cover all ARMv6 cores.

*

* It is assumed that:

* - cache type register is implemented

*/

完成這部分關(guān)于CPU的操作以后，下面就是打開MMU了，這部分內(nèi)容也沒什么好說的，也是對arm控制寄存器的操作，打開MMU以后我們就可以使用虛擬地址了，而不需要我們自己來進(jìn)行地址的重定位，ARM硬件會完成這部分的工作。打開MMU以后，會將SP的值賦給PC，這樣代碼就會跳到__switch_data來運(yùn)行，這個__switch_data是一個定義在head-common.S里面的結(jié)構(gòu)體，我們實(shí)際上是跳到它地一個函數(shù)指針__mmap_switched處執(zhí)行的。

這個switch的執(zhí)行過程我們只是簡單看一下，前面的copy data_loc段以及清空.bss段就不用說了，它后面會將proc的信息和machine的信息保存在__switch_data這個結(jié)構(gòu)體里面，而這個結(jié)構(gòu)體將來會在start_kernel的setup_arch里面被使用到。這個在后面的對start_kernel的詳細(xì)分析中會講到。另外這個switch還涉及到控制寄存器的一些操作，這里我不沒仔細(xì)研究spec，不懂也就不說了～

好啦，switch操作完成以后就會b start_kernel了～ 這樣就進(jìn)入了c代碼的運(yùn)行了，下一篇文章仔細(xì)研究這個start_kernel的函數(shù)～～