ARM linux的啟動部分源代碼簡略分析

當(dāng)內(nèi)核映像被加載到RAM之后，Bootloader的控制權(quán)被釋放。內(nèi)核映像并不是可直接運行的目標(biāo)代碼，而是一個壓縮過的zImage（小內(nèi)核）。但是，也并非是zImage映像中的一切均被壓縮了，映像中包含未被壓縮的部分，這部分中包含解壓縮程序，解壓縮程序會解壓縮映像中被壓縮的部分。zImage使用gzip壓縮的，它不僅僅是一個壓縮文件，而且在這個文件的開頭部分內(nèi)嵌有g(shù)zip解壓縮代碼。當(dāng)zImage被調(diào)用時它從arch/arm/boot/compressed/head.S的start匯編例程開始執(zhí)行。這個例程進行一些基本的硬件設(shè)置，并調(diào)用arch/arm/boot/compressed/misc.c中的decompress_kernel()解壓縮內(nèi)核。

arch/arm/kernel/head.S文件是內(nèi)核真正的啟動入口點，一般是由解壓縮內(nèi)核的程序來調(diào)用的。首先先看下對于運行這個文件的要求：

MMU = off； D-cache = off； I-cache = 無所謂，開也可以，關(guān)也可以； r0 = 0；r1 = 機器號；r2 = atags 指針。

這段代碼是位置無關(guān)的，所以，如果以地址0xC0008000來鏈接內(nèi)核，那么就可以直接用__pa(0xc0008000)地址來調(diào)用這里的代碼。

其實，在這個（Linux內(nèi)核中總共有多達幾十個的以head.S命名的文件）head.S文件中的一項重要工作就是設(shè)置內(nèi)核的臨時頁表，不然mmu開起來也玩不轉(zhuǎn)，但是內(nèi)核怎么知道如何映射內(nèi)存呢？linux的內(nèi)核將映射到虛地址0xCxxxxxxx處，但他怎么知道在4GB的地址空間中有哪一片ram是可用的，從而可以映射過去呢？

因為不同的系統(tǒng)有不通的內(nèi)存映像，所以，LINUX約定，要調(diào)用內(nèi)核代碼，一定要滿足上面的調(diào)用要求，以為最初的內(nèi)核代碼提供一些最重要的關(guān)于機器的信息。內(nèi)核代碼開始的時候，R1存放的是系統(tǒng)目標(biāo)平臺的代號，對于一些常見的，標(biāo)準(zhǔn)的平臺，內(nèi)核已經(jīng)提供了支持，只要在編譯的時候選中就行了，例如對X86平臺，內(nèi)核是從物理地址1M開始映射的。

好了好了，看下面的代碼。

ENTRY(stext)是這個文件的入口點。最初的幾行是這樣的：

setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9

@ ensure svc mode

@ and irqs disabled

// 設(shè)置為SVC模式，關(guān)閉中斷和快速中斷
// 此處設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)為SVC，arm有7種狀態(tài)每種狀態(tài)

// 都有自己的堆棧,SVC為管理模式，具有完全的權(quán)限，可以執(zhí)行任意指令

// 訪問任意地址的內(nèi)存

//setmode是一個宏，其定義為：

//.macro setmode, mode, reg

//msr cpsr_c, #mode

//.endm

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

bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid

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

beq __error_p @ yes, error p

這幾行是查詢處理器的類型的，我們知道arm系列有很多型號，arm7、arm9、arm11、Cortex核等等類型，這么多型號要如何區(qū)分呢？其實，在arm的15號協(xié)處理器(其實ARM暫時也就這么一個協(xié)處理器)中有一個只讀寄存器，存放與處理器相關(guān)信息。

__lookup_processor_type是arch/arm/kernel/head-common.S文件中定義的一個例程，這個head-common.S用include命令被包含在head.S文件中。其定義為：

__lookup_processor_type:

adr r3, 3f

ldmia r3, {r5 - r7}

add r3, r3, #8

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)

這個例程接受處理器ID（保存在寄存器r9中）為參數(shù)，查找鏈接器建立的支持的處理器表。此時此刻還不能使用__proc_info表的絕對地址，因為這時候MMU還沒有開啟，所以此時運行的程序沒有在正確的地址空間中。所以不得不計算偏移量。若沒有找到processor ID對應(yīng)的處理器，則在r5寄存器中返回返回0，否則返回一個proc_info_list結(jié)構(gòu)體的指針（在物理地址空間）。proc_info_list結(jié)構(gòu)體在文件中定義：

struct proc_info_list {

unsigned int cpu_val;

unsigned int cpu_mask;

unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */

const char *arch_name;

const char *elf_name;

unsigned int elf_hwcap;

const char *cpu_name;

struct processor *proc;

struct cpu_tlb_fns *tlb;

struct cpu_user_fns *user;

struct cpu_cache_fns *cache;

};
第一項是CPUid，將與協(xié)處理器中讀出的id作比較，其余的字段也都是與處理器相關(guān)的信息，到下面初始化的過程中自然會用到。

另外，這個例程加載符地址的代碼也是挺值得我輩學(xué)習(xí)的：

adr r3, 3f
加載一個符號的地址，這個符號在加載語句前面（下面）定義，forward嘛，這個符號為3，離這條語句最近的那個。在那個符號為3的位置我們看到這樣的代碼：

.align 2

3: .long __proc_info_begin

.long __proc_info_end

4: .long .

.long __arch_info_begin

.long __arch_info_end

搜索這兩個符號的值，在文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中：

__proc_info_begin = .;

*(.proc.info.init)

__proc_info_end = .;

這兩個符號分別是一種初始化的段的結(jié)束開始地址和結(jié)束地址。為了了解由struct proc_info_list結(jié)構(gòu)體組成的段的實際構(gòu)成，我們還是得要了解一下在系統(tǒng)中到底都有哪些變量是聲明了要被放到這個段的。用關(guān)鍵字.proc.info.init來搜，全部都是arch/arm/mm/proc-*.S文件，這些都是特定于處理器的匯編語言文件，對于我們的mini2440, 自然是要看proc-arm920.S文件的，在其中可以看到這些內(nèi)容：

.section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr

.type __arm920_proc_info,#object

__arm920_proc_info:

.long 0x41009200

.long 0xff00fff0

.long PMD_TYPE_SECT |

PMD_SECT_BUFFERABLE |

PMD_SECT_CACHEABLE |

PMD_BIT4 |

PMD_SECT_AP_WRITE |

PMD_SECT_AP_READ

.long PMD_TYPE_SECT |

PMD_BIT4 |

PMD_SECT_AP_WRITE |

PMD_SECT_AP_READ

b __arm920_setup

.long cpu_arch_name

.long cpu_elf_name

.long HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB

.long cpu_arm920_name

.long arm920_processor_functions

.long v4wbi_tlb_fns

.long v4wb_user_fns

#ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH

.long arm920_cache_fns

#else

.long v4wt_cache_fns

#endif

.size __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info

看到這兒我們再回國頭去看__lookup_processor_type的代碼：

ldmia r3, {r5 - r7}

add r3, r3, #8

sub r3, r3, r7

盡管符號3處只有兩個有效值，但它加載了三個數(shù)，而第三個數(shù)，我們看到是這樣定義的：

.long .

__lookup_processor_type中，給r3加上8，也就是讓r3指向“.”的地址，然后用r3減r7來獲取虛擬地址與物理地址的差，這樣看來，“.”就應(yīng)該是虛擬空間（編譯地址）里那個數(shù)據(jù)的地址。

之后的代碼獲得__proc_info_begin和__arch_info_end這兩個符號在物理空間中的地址：

add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to

add r6, r6, r3

然后便是在那個段中逐個的檢查struct proc_info_list結(jié)構(gòu)體，以找到與我們的CPU相匹配的：

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

__lookup_processor_type例程會返回在文件arch/arm/mm/proc-arm920.S中定義的一個保存有與我們的處理器相關(guān)的信息的struct proc_info_list結(jié)構(gòu)體的地址。

接下來我們繼續(xù)看stext的代碼：
bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo

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

beq __error_a @ yes, error a

在獲得了處理器信息之后，則調(diào)用__lookup_machine_type來查找機器信息。這個例程同樣也在arch/arm/kernel/head-common.S文件中定義。這個例程的定義如下：

__lookup_machine_type:

adr r3, 4b

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)

處理的過程和上面的__lookup_processor_type還是挺相似的。這個例程接收r1中傳進來的機器號作為參數(shù)，然后，在一個由struct machine_desc結(jié)構(gòu)體組成的段中查找和我們的機器號匹配的struct machine_desc結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體在arch/arm/include/asm/mach/arch.h文件中定義，用于保存機器的信息：

struct machine_desc {

/*

* Note! The first four elements are used

* by assembler code in head.S, head-common.S

*/

unsigned int nr; /* architecture number */

unsigned int phys_io; /* start of physical io */

unsigned int io_pg_offst; /* byte offset for io

* page tabe entry */

const char *name; /* architecture name */

unsigned long boot_params; /* tagged list */

unsigned int video_start; /* start of video RAM */

unsigned int video_end; /* end of video RAM */

unsigned int reserve_lp0 :1; /* never has lp0 */

unsigned int reserve_lp1 :1; /* never has lp1 */

unsigned int reserve_lp2 :1; /* never has lp2 */

unsigned int soft_reboot :1; /* soft reboot */

void (*fixup)(struct machine_desc *,

struct tag *, char ,

struct meminfo *);

void (*map_io)(void);/* IO mapping function */

void (*init_irq)(void);

struct sys_timer *timer; /* system tick timer */

void (*init_machine)(void);

};

同樣這個例程也用到了同上面很相似的方式來獲得符號的地址：

adr r3, 4b
b代表back，即向后，這個符號為4，緊接著我們前面看到的那個為3的標(biāo)號：

4: .long .

.long __arch_info_begin

.long __arch_info_end

在文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中我們可以看到段的定義：

__arch_info_begin = .;

*(.arch.info.init)

__arch_info_end = .;

這兩個符號也是分別表示某種初始化的段的開始地址和結(jié)束地址。為了找到段的填充內(nèi)容，還是得要了解一下到底都有哪些struct machine_desc結(jié)構(gòu)體類型變量聲明了要被放到這個段的。用關(guān)鍵字.arch.info.init來搜索所有的內(nèi)核源文件。在arch/arm/include/asm/mach/arch.h文件中我們看到：

#define MACHINE_START(_type,_name)

static const struct machine_desc __mach_desc_##_type

__used

__attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {

.nr = MACH_TYPE_##_type,

.name = _name,

#define MACHINE_END

};

定義機器結(jié)構(gòu)體，也就是.arch.info.init段中的內(nèi)容，都是要通過兩個宏MACHINE_START和MACHINE_END來完成的啊，MACHINE_START宏定義一個truct machine_desc結(jié)構(gòu)體，并初始化它的機器號字段和機器名字段，可以在arch/arm/tools/mach-types文件中看到各種平臺的機器號的定義。那接著我們來搜MACHINE_START吧，這是一個用于定義機器結(jié)構(gòu)體的宏，所以可以看到這個符號好像都是在arch/arm/mach-*/mach-*.c這樣的文件中出現(xiàn)的，我們感興趣的應(yīng)該是arch/arm/mach-s3c2440/ mach-mini2440.c文件中的這個符號：

MACHINE_START(MINI2440, "MINI2440")

/* Maintainer: Michel Pollet */

.phys_io = S3C2410_PA_UART,

.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

.map_io = mini2440_map_io,

.init_machine = mini2440_init,

.init_irq = s3c24xx_init_irq,

.timer = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

OK，__lookup_machine_type這個例程的我們也搞明白了?；貞浺幌?，啟動代碼現(xiàn)在已經(jīng)完成的工作，R10寄存器中為指向proc_info_list結(jié)構(gòu)體的指針（物理地址空間），這個結(jié)構(gòu)體包含有關(guān)于我們的處理器的一些重要信息。R8寄存器中為指向一個與我們的平臺相匹配的machine_desc結(jié)構(gòu)體的指針，這個結(jié)構(gòu)體中保存有一些關(guān)于我們的平臺的重要信息。

回來接著看arch/arm/kernel/head.S文件中的stext：

bl __vet_atags

這個例程同樣同樣也是在arch/arm/kernel/head-common.S文件中定義：

__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)

這個例程接收機器信息(R8寄存器)為參數(shù)，并檢測r2中傳入的ATAGS 指針的合法性。內(nèi)核使用tag來作為bootloader傳遞內(nèi)核參數(shù)的方式。系統(tǒng)要求r2中傳進來的ATAGS指針式4字節(jié)對齊的，同時要求ATAGS列表的第一個tag是一個ATAG_CORE類型的。

此時R10寄存器中保存有指向CPU信息結(jié)構(gòu)體的指針，R8寄存器中保存有指向機器結(jié)構(gòu)體的指針，R2寄存器中保存有指向tag表的指針，R9中還保存有CPU ID信息。

回到arch/arm/kernel/head.S文件中的stext，之后就要進入初始化過程中比較關(guān)鍵的一步了，開始設(shè)置mmu，但首先要填充一個臨時的內(nèi)核頁表，映射4m的內(nèi)存，這在初始化過程中是足夠了：

bl __create_page_tables

這個例程設(shè)置初始頁表，這里只設(shè)置最起碼的數(shù)量，只要能使內(nèi)核運行即可，r8 = machinfo，r9 = cpuid，r10 = procinfo，在r4寄存器中返回物理頁表地址。

__create_page_tables例程在文件arch/arm/kernel/head.S中定義：

__create_page_tables:

pgtbl r4 @ page table address

// pgtbl是一個宏，本文件的前面部分有定義：

//.macro pgtbl, rd

//ldr rd, =(KERNEL_RAM_PADDR - 0x4000)

//.endm

// KERNEL_RAM_PADDR在本文件的前面有定義，為(PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET)

// PHYS_OFFSET在arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/memory.h定義，

// 為UL(0x30000000)

// 而TEXT_OFFSET在arch/arm/Makefile中定義，為內(nèi)核鏡像在內(nèi)存中到內(nèi)存

// 開始位置的偏移（字節(jié)），為$(textofs-y)

// textofs-y也在文件arch/arm/Makefile中定義，

// 為textofs-y := 0x00008000

// r4 = 30004000為臨時頁表的起始地址

// 首先即是初始化16K的頁表，高12位虛擬地址為頁表索引，所以為

// 4K*4 = 16K，大頁表，每一個頁表項，映射1MB虛擬地址。

// 這個地方還來了個循環(huán)展開，以優(yōu)化性能。

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

// PROCINFO_MM_MMUFLAGS在arch/arm/kernel/asm-offsets.c文件中定義，

// 為DEFINE(PROCINFO_MM_MMUFLAGS,

// offsetof(struct proc_info_list, __cpu_mm_mmu_flags));

// R10寄存器保存的指針指向是我們前面找到的proc_info_list結(jié)構(gòu)嘛。

// 為內(nèi)核的第一個MB創(chuàng)建一致的映射，以為打開MMU做準(zhǔn)備，這個映射將會被

// paging_init()移除，這里使用程序計數(shù)器來獲得相應(yīng)的段的基地址。

// 這個地方是直接映射。

mov r6, pc

mov r6, r6, lsr #20 @ start of kernel section

orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base

str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping

// 接下來為內(nèi)核的直接映射區(qū)設(shè)置頁表。KERNEL_START在文件的前面定義，

// 為KERNEL_RAM_VADDR，即內(nèi)核的虛擬地址。

// 而KERNEL_RAM_VADDR在文件的前面定義，則為(PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)

// 映射完整的內(nèi)核代碼段，初始化數(shù)據(jù)段。

// PAGE_OFFSET為內(nèi)核鏡像開始的虛擬地址，在

// arch/arm/include/asm/memory.h中定義。在配置內(nèi)核時選定具體值，默認

// 為0xC0000000。

// 因為最高12位的值是頁表中的偏移地址，而第三高的四位必然為0，

// 每個頁表項為4字節(jié)，右移20位之后，還得再左移兩位回來，所以，這里只// 是左移18位。

// R3寄存器在經(jīng)過了上面的操作之后，實際上是變成了指向內(nèi)核鏡像代碼段

// 的指針（物理地址），在這個地方，再一次為內(nèi)核鏡像的第一個MB做了映射。

// R6隨后指向了內(nèi)核鏡像的尾部。R0為頁表項指針。

// 這里以1MB為單位來映射內(nèi)核鏡像。

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//得到頁表的結(jié)束物理地址

1: cmp r0, r6

add r3, r3, #1 << 20

strls r3, [r0], #4

bls 1b

// 為了使用啟動參數(shù)，將物理內(nèi)存的第一MB映射到內(nèi)核虛擬地址空間的

// 第一個MB，r4存放的是頁表的地址。這里的PAGE_OFFSET的虛擬地址

// 比上面的KERNEL_START要小0x8000

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]

// 上面的這個步驟顯得似乎有些多余。

// 總結(jié)一下，這個建立臨時頁表的過程：

// 1、為內(nèi)核鏡像的第一個MB建立直接映射

// 2、為內(nèi)核鏡像完整的建立從虛擬地址到物理地址的映射

// 3、為物理內(nèi)存的第一個MB建立到內(nèi)核的虛擬地址空間的第一個MB的映射。

// OK，內(nèi)核的臨時頁表建立完畢。整個初始化臨時頁表的過程都沒有修改R8，

// R9和R10。

mov pc, lr

ENDPROC(__create_page_tables)

回到stext：

ldr r13, __switch_data @ address to jump to after

@ mmu has been enabled

這個地方實際上是在r13中保存了另一個例程的地址。后面的分析中，遇到執(zhí)行到這個例程的情況時會有詳細說明。

接著看stext：

adr lr, BSYM(__enable_mmu) @ return (PIC) address

BSYM（）是一個宏，在文件arch/arm/include/asm/unified.h中定義，為：

#define BSYM(sym) sym

也就是說這個語句也僅僅是把__enable_mmu例程的地址加載進lr寄存器中。為了方便之后調(diào)用的函數(shù)返回時，直接執(zhí)行__enable_mmu例程。

接著看stext下一句：

ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )

ARM（）也是一個宏，同樣在文件arch/arm/include/asm/unified.h中定義，當(dāng)配置內(nèi)核為生成ARM鏡像，則為：#define ARM(x...) x

所以這一條語句也就是在調(diào)用一個例程。R10中保存的是procinfo結(jié)構(gòu)的地址。PROCINFO_INITFUNC符號在arch/arm/kernel/asm-offsets.c文件中定義，為：

DEFINE(PROCINFO_INITFUNC, offsetof(struct proc_info_list, __cpu_flush));

也就是調(diào)用結(jié)構(gòu)體proc_info_list的__cpu_flush成員函數(shù)?；厝ゲ榭碼rch/arm/mm/proc-arm920.S文件中struct proc_info_list結(jié)構(gòu)體的變量的定義，可以看到這個成員為：

b __arm920_setup

也就是說，在設(shè)置好內(nèi)核臨時頁表之后調(diào)用了例程__arm920_setup，這個例程同樣在arch/arm/mm/proc-arm920.S中：

__arm920_setup:

mov r0, #0

mcr p15, 0, r0, c7, c7 @ invalidate I,D caches on v4

mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer on v4

#ifdef CONFIG_MMU

mcr p15, 0, r0, c8, c7 @ invalidate I,D TLBs on v4

#endif

adr r5, arm920_crval

ldmia r5, {r5, r6}

mrc p15, 0, r0, c1, c0 @ get control register v4

bic r0, r0, r5

orr r0, r0, r6

mov pc, lr

這一段首先使i,dcaches內(nèi)容無效,然后清除writebuffer，接著使TLB內(nèi)容無效。接下來加載變量arm920_crval的地址，我們看到arm920_crval變量的內(nèi)容為：

rm920_crval:

crval clear=0x00003f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001130

crval為一個宏，在arch/arm/mm/proc-macros.S中定義：

.macro crval, clear, mmuset, ucset

#ifdef CONFIG_MMU

.word clear

.word mmuset

#else

.word clear

.word ucset

#endif

.endm

其實也就是定義兩個變量而已。之后，在r0中，得到了我們想要往協(xié)處理器相應(yīng)寄存器中寫入的內(nèi)容。

之后的__arm920_setup返回，mov pc, lr，即是調(diào)用例程__enable_mmu，這個例程在文件arch/arm/kernel/head.S中：

__enable_mmu:

#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP

orr r0, r0, #CR_A

#else

bic r0, r0, #CR_A

#endif

#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE

bic r0, r0, #CR_C

#endif

#ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE

bic r0, r0, #CR_Z

#endif

#ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE

bic r0, r0, #CR_I

#endif

mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) |

domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) |

domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) |

domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))

mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register

mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer

b __turn_mmu_on

在這兒設(shè)置了頁目錄地址（r4寄存器中保存），然后設(shè)置domain的保護，在前面建立頁表的例程中，注意到，頁表項的控制信息，是從struct proc_info_list結(jié)構(gòu)體的某字段中取的，其頁目錄項的 domain都是0，domain寄存器中的domain0對應(yīng)的是0b11，表示訪問模式為manager,不受限制。在這里同時也完成r0的某些位的進一步設(shè)置。

然后，__enable_mmu例程又調(diào)用了__turn_mmu_on，在同一個文件中定義：

__turn_mmu_on:

mov r0, r0

mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg

mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg

mov r3, r3

mov r3, r13

mov pc, r3

ENDPROC(__turn_mmu_on)

接下來寫控制寄存器：

mcrp15,0,r0,c1,c0,0

一切設(shè)置就此生效，到此算是完成了打開d,icache和mmu的工作。

注意：arm的dcache必須和mmu一起打開，而icache可以單獨打開。其實，cache和mmu的關(guān)系實在是緊密，每一個頁表項都有標(biāo)志標(biāo)示是否是cacheable的，可以說本來就是設(shè)計一起使用的

前面有提到過，r13中存放的其實是另外一個例程的地址，其值是變量__switch_data的第一個字段，即一個函數(shù)指針的值，__switch_data變量是在arch/arm/kernel/head-common.S中定義的：

__switch_data:

.long __mmap_switched

.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

前面的ldr r13 __switch_data，實際上也就是加載符號__mmap_switched的地址，實際上__mmap_switched是一個arch/arm/kernel/head-common.S中定義的例程。接著來看這個例程的定義，在arch/arm/kernel/head-common.S文件中：

__mmap_switched:

adr r3, __switch_data + 4

ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}

cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed

1: cmpne r5, r6

ldrne fp, [r4], #4

strne fp, [r5], #4

bne 1b

mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)

1: cmp r6, r7

strcc fp, [r6],#4

bcc 1b

ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp}

str r9, [r4] @ Save processor ID

str r1, [r5] @ Save machine type

str r2, [r6] @ Save atags pointer

bic r4, r0, #CR_A @ Clear A bit

stmia r7, {r0, r4} @ Save control register values

b start_kernel

ENDPROC(__mmap_switched)

這個例程完成如下工作：

1、使r3指向__switch_data變量的第二個字段（從1開始計數(shù)）。

2、執(zhí)行了一條加載指令，也就是在r4, r5, r6, r7寄存器中分別加載4個符號__data_loc，_data， __bss_start ，_end的地址，這四個符號都是在鏈接腳本arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中出現(xiàn)的，標(biāo)識了鏡像各個段的地址，我們應(yīng)該不難猜出他們所代表的段。

3、如果需要的話則數(shù)據(jù)段（數(shù)據(jù)段和BSS段是緊鄰的）。

4、初始化BSS段，全部清零，BSS是未初始化的全局變量區(qū)域。
5、又看到一條加載指令，同樣在一組寄存器中加載借個符號的地址，r4中為processor_id，r5中為__machine_arch_type， r6中為__atags_pointer， r7中為cr_alignment ，sp中為init_thread_union + THREAD_START_SP。

6、接著我們看到下面的幾條語句，則是用前面獲取的信息來初始化那些全局變量r9，機器號被保存到processor_id處；r1寄存器的值，機器號,被保存到變量__machine_arch_type中，其他的也一樣。

7、重新設(shè)置堆棧指針，指向init_task的堆棧。init_task是系統(tǒng)的第一個任務(wù)，init_task的堆棧在taskstructure的后8K,我們后面會看到。
8、最后就要跳到C代碼的 start_kernel。
b start_kernel
到此為止，匯編部分的初始化代碼就結(jié)束了

O，My God.初始化代碼的匯編部分終于結(jié)束。從而進入了與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的Linux內(nèi)核部分。start_kernel()會調(diào)用一系列初始化函數(shù)來設(shè)置中斷，執(zhí)行進一步的內(nèi)存配置。

現(xiàn)在讓我們來回憶一下目前的系統(tǒng)狀態(tài)：
臨時頁表已經(jīng)建立，在0X30004000處，映射了映像文件大小空間，虛地址0XC000000被映射到0X30000000。CACHE,MMU 都已經(jīng)打開。堆棧用的是任務(wù)init_task的堆棧。

如果以為到了c代碼可以松一口氣的話，就大錯特措了，linux的c也不比匯編好懂多少，相反倒掩蓋了匯編的一些和機器相關(guān)的部分，有時候更難懂。其實作 為編寫操作系統(tǒng)的c代碼，只不過是匯編的另一種寫法，和機器代碼的聯(lián)系是很緊密的。另外，這些start_kernel()中調(diào)用的C函數(shù)，每一個都具有舉足輕重的地位，它們中的許多都肩負著初始化內(nèi)核中的某個子系統(tǒng)的重要使命，而Linux內(nèi)核中每一個子系統(tǒng)都錯綜復(fù)雜，牽涉到各種軟件、硬件的復(fù)雜算法，所以理解起來倒真的是挺困難的。

start_kernel函數(shù)在init/main.c中定義：

528 asmlinkage void __init start_kernel(void)

529 {

530 char * command_line;

531 extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

532

533 smp_setup_processor_id();

534

535 /*

536 * Need to run as early as possible, to initialize the

537 * lockdep hash:

538 */

539 lockdep_init();

540 debug_objects_early_init();

541

542 /*

543 * Set up the the initial canary ASAP:

544 */

545 boot_init_stack_canary();

546

547 cgroup_init_early();

548

549 local_irq_disable();

550 early_boot_irqs_off();

551 early_init_irq_lock_class();

552

553 /*

554 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then

555 * enable them

556 */

557 lock_kernel();

558 tick_init();

559 boot_cpu_init();

560 page_address_init();

561 printk(KERN_NOTICE "%s", linux_banner);

562 setup_arch(&command_line);

563 mm_init_owner(&init_mm, &init_task);

564 setup_command_line(command_line);

565 setup_nr_cpu_ids();

566 setup_per_cpu_areas();

567 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */

568

569 build_all_zonelists();

570 page_alloc_init();

571

572 printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %sn", boot_command_line);

573 parse_early_param();

574 parse_args("Booting kernel", static_command_line,

575 __start___param, __stop___param - __start___param,

576 &unknown_bootoption);

577 /*

578 * These use large bootmem allocations and must precede

579 * kmem_cache_init()

580 */

581 pidhash_init();

582 vfs_caches_init_early();

583 sort_main_extable();

584 trap_init();

585 mm_init();

586 /*

587 * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the

588 * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()

589 * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.

590 */

591 sched_init();

592 /*

593 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely

594 * fragile until we cpu_idle() for the first time.

595 */

596 preempt_disable();

597 if (!irqs_disabled()) {

598 printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were "

599 "enabled *very* early, fixing itn");

600 local_irq_disable();

601 }

602 rcu_init();

603 radix_tree_init();

604 /* init some links before init_ISA_irqs() */

605 early_irq_init();

606 init_IRQ();

607 prio_tree_init();

608 init_timers();

609 hrtimers_init();

610 softirq_init();

611 timekeeping_init();

612 time_init();

613 profile_init();

614 if (!irqs_disabled())

615 printk(KERN_CRIT "start_kernel(): bug: interrupts were "

616 "enabled earlyn");

617 early_boot_irqs_on();

618 local_irq_enable();

619

620 /* Interrupts are enabled now so all GFP allocations are safe. */

621 gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;

622

623 kmem_cache_init_late();

624

625 /*

626 * HACK ALERT! This is early. Were enabling the console before

627 * weve done PCI setups etc, and console_init() must be aware of

628 * this. But we do want output early, in case something goes wrong.

629 */

630 console_init();

631 if (panic_later)

632 panic(panic_later, panic_param);

633

634 lockdep_info();

635

636 /*

637 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants

638 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs

639 * too:

640 */

641 locking_selftest();

642

643 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD

644 if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&

645 page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {

646 printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "

647 "disabling it.n",

648 page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),

649 min_low_pfn);

650 initrd_start = 0;

651 }

652 #endif

653 page_cgroup_init();

654 enable_debug_pagealloc();

655 kmemtrace_init();

656 kmemleak_init();

657 debug_objects_mem_init();

658 idr_init_cache();

659 setup_per_cpu_pageset();

660 numa_policy_init();

661 if (late_time_init)

662 late_time_init();

663 sched_clock_init();

664 calibrate_delay();

665 pidmap_init();

666 anon_vma_init();

667 #ifdef CONFIG_X86

668 if (efi_enabled)

669 efi_enter_virtual_mode();

670 #endif

671 thread_info_cache_init();

672 cred_init();

673 fork_init(totalram_pages);

674 proc_caches_init();

675 buffer_init();

676 key_init();

677 security_init();

678 vfs_caches_init(totalram_pages);

679 signals_init();

680 /* rootfs populating might need page-writeback */

681 page_writeback_init();

682 #ifdef CONFIG_PROC_FS

683 proc_root_init();

684 #endif

685 cgroup_init();

686 cpuset_init();

687 taskstats_init_early();

688 delayacct_init();

689

690 check_bugs();

691

692 acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */

693 sfi_init_late();

694

695 ftrace_init();

696

697 /* Do the rest non-__inited, were now alive */

698 rest_init();

699 }

接著我們來近距離的觀察一下start_kernel函數(shù)中調(diào)用的這些重量級的函數(shù)。

首先來看setup_arch(&command_line)函數(shù)，這個函數(shù)（對于我們的mini2440平臺來說）在arch/arm/kernel/setup.c中定義：

664 void __init setup_arch(char cmdline_p)

665 {

666 struct tag *tags = (struct tag *)&init_tags;

667 struct machine_desc *mdesc;

668 char *from = default_command_line;

669

670 unwind_init();

671

672 setup_processor();

673 mdesc = setup_machine(machine_arch_type);

674 machine_name = mdesc->name;

675

676 if (mdesc->soft_reboot)

677 reboot_setup("s");

678

679 if (__atags_pointer)

680 tags = phys_to_virt(__atags_pointer);

681 else if (mdesc->boot_params)

682 tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);

683

684 /*

685 * If we have the old style parameters, convert them to

686 * a tag list.

687 */

688 if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)

689 convert_to_tag_list(tags);

690 if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)

691 tags = (struct tag *)&init_tags;

692

693 if (mdesc->fixup)

694 mdesc->fixup(mdesc, tags, &from, &meminfo);

695

696 if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {

697 if (meminfo.nr_banks != 0)

698 squash_mem_tags(tags);

699 save_atags(tags);

700 parse_tags(tags);

701 }

702

703 init_mm.start_code = (unsigned long) _text;

704 init_mm.end_code = (unsigned long) _etext;

705 init_mm.end_data = (unsigned long) _edata;

706 init_mm.brk = (unsigned long) _end;

707

708 /* parse_early_param needs a boot_command_line */

709 strlcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);

710

711 /* populate cmd_line too for later use, preserving boot_command_line */

712 strlcpy(cmd_line, boot_command_line, COMMAND_LINE_SIZE);

713 *cmdline_p = cmd_line;

714

715 parse_early_param();

716

717 paging_init(mdesc);

718 request_standard_resources(&meminfo, mdesc);

719

720 #ifdef CONFIG_SMP

721 smp_init_cpus();

722 #endif

723

724 cpu_init();

725 tcm_init();

726

727 /*

728 * Set up various architecture-specific pointers

729 */

730 init_arch_irq = mdesc->init_irq;

731 system_timer = mdesc->timer;

732 init_machine = mdesc->init_machine;

733

734 #ifdef CONFIG_VT

735 #if defined(CONFIG_VGA_CONSOLE)

736 conswitchp = &vga_con;

737 #elif defined(CONFIG_DUMMY_CONSOLE)

738 conswitchp = &dummy_con;

739 #endif

740 #endif

741 early_trap_init();

742 }

來看一些我們比較感興趣的地方：

1、666行，struct tag指針類型的局部變量指向了默認的tag列表init_tags，該靜態(tài)變量在setup_arch()定義同文件的前面有如下定義：

636 /*

637 * This holds our defaults.

638 */

639 static struct init_tags {

640 struct tag_header hdr1;

641 struct tag_core core;

642 struct tag_header hdr2;

643 struct tag_mem32 mem;

644 struct tag_header hdr3;

645 } init_tags __initdata = {

646 { tag_size(tag_core), ATAG_CORE },

647 { 1, PAGE_SIZE, 0xff },

648 { tag_size(tag_mem32), ATAG_MEM },

649 { MEM_SIZE, PHYS_OFFSET },

650 { 0, ATAG_NONE }

651 };

第679行檢察__atags_pointer指針的有效性，這個指針是在前面，跳轉(zhuǎn)到start_kernel函數(shù)的匯編例程最后設(shè)置的幾個變量之一，用的是R2寄存器的值。如果bootloader通過R2傳遞了tag列表的話，自然是要使用bootloader穿的進來的tag列表的。

2、第688行的字符指針類型的局部變量from指向了default_command_line靜態(tài)變量，這個變量同樣在前面有定義：

124 static char default_command_line[COMMAND_LINE_SIZE] __initdata = CONFIG_CMDLINE;

傳遞給內(nèi)核的命令行參數(shù)，是可以在內(nèi)核配置的時候設(shè)置的。

3、第673行以machine_arch_type為參數(shù)調(diào)用了setup_machine()函數(shù)，而這個函數(shù)的定義為：

369 static struct machine_desc * __init setup_machine(unsigned int nr)

370 {

371 struct machine_desc *list;

372

373 /*

374 * locate machine in the list of supported machines.

375 */

376 list = lookup_machine_type(nr);

377 if (!list) {

378 printk("Machine configuration botched (nr %d), "

379 " unable to continue.n", nr);

380 while (1);

381 }

382

383 printk("Machine: %sn", list->name);

384

385 return list;

386 }

在arch/arm/kernel/head-common.S文件中，我們看到了一個對于__lookup_machine_type例程的封裝的可被C語言程序調(diào)用的匯編語言編寫的函數(shù)lookup_machine_type()，接收機器號，查表，然后返回匹配的struct machine_desc結(jié)構(gòu)體的指針。在這里，對于我們的mini2440，返回的自然是arch/arm/mach-s3c2440/ mach-mini2440.c文件中定義的結(jié)構(gòu)體了：

MACHINE_START(MINI2440, "MINI2440")

/* Maintainer: Michel Pollet */

.phys_io = S3C2410_PA_UART,

.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

.map_io = mini2440_map_io,

.init_machine = mini2440_init,

.init_irq = s3c24xx_init_irq,

.timer = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

然后，machine_desc結(jié)構(gòu)體的name成員的值被賦給全局變量machine_name。

第681行，若bootloader沒有傳遞tag列表給內(nèi)核，則檢測machine_desc結(jié)構(gòu)體的boot_params字段，看看特定的平臺是否傳遞了標(biāo)記列表。

第730、731、732行分別將machine_desc結(jié)構(gòu)體的init_irq、timer和init_machine成員值賦給了三個全局變量init_arch_irq、system_timer和init_machine，即是設(shè)置特定體系結(jié)構(gòu)的指針。初始化的后面階段自然會用到。

start_kernel()函數(shù)調(diào)用同文件下的rest_init(void)函數(shù)，rest_init(void)函數(shù)調(diào)用 kernel_thread()函數(shù)以啟動第一個核心線程，該線程執(zhí)行kernel_init()函數(shù)，而原執(zhí)行序列會調(diào)用cpu_idle()，等待調(diào)度。

作為核心線程的kernel_init()函數(shù)繼續(xù)完成一些設(shè)置，并在最后調(diào)用同文件下的init_post()函數(shù)，而該函數(shù)掛在根文件系統(tǒng)，打開/dev/console設(shè)備，重定向stdin、stdout和stderr到控制臺。之后，它搜索文件系統(tǒng)中的init程序（也可以由“init=”命令行參數(shù)指定init程序），并使用run_init_process()函數(shù)執(zhí)行init程序。（事實上，run_init_process()函數(shù)又調(diào)用了kernel_execve()來實際執(zhí)行程序）。搜索init程序的順序為/sbin/init、/etc/init、/bin/init、和/bin/sh。在嵌入式系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，可以給內(nèi)核傳入一個簡單的shell腳本來啟動必需的嵌入式應(yīng)用程序。

至此，漫長的Linux內(nèi)核引導(dǎo)和啟動過程就結(jié)束了，而kernel_init()對應(yīng)的由rest_init(void)函數(shù)創(chuàng)建的第一個線程也進入用戶模式。

參考文獻：

arm 嵌入式LINUX啟動過程：

http://blog.ednchina.com/yujiebaomei/4153/message.aspx

http://www.cnblogs.com/bluepointcq/articles/490954.html