第3階段——內核啟動分析之創建si工程和啟動內核分析(3)
目標:
(1)創建Source Insight 工程,方便後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
1 創建內核source sight 工程
1.1 點擊 “add all” 添加所有文件,後面再慢慢刪去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：包含了平臺，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系列平臺文件)
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系列平臺頭文件)
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 最後點擊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,用於後面啟動內核
/*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然後來分析鏈接腳本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 = .;
... ...
得出linux內核啟動第一步是進入stext入口函數
那麽stext入口函數又在哪裏定義的呢？
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，然後開啟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,內核啟動後第一步是 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,為後面的MMU做準備
(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，為後面的MMU做準備*/
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=後面的符號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+偏移地址裏內容= 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宏裏的成員組成.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 <[email protected]> */
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宏裏的成員組成.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 <[email protected]> */
/*.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,然後將其放在.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使能之後會跳轉(jump)到__switch_data
@ mmu has been enabled
adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address//使能MMU
add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC
為什麽使能MMU後會跳轉到__switch_data?
在__enable_mmu函數中最後面可以看到使能MMU後，會將r13賦給PC,跳轉到了__switch_data：
... ....
mov r3, r3
mov r3, r3
mov pc, r13
跳轉到了__switch_data中,代碼如下, __switch_data 是__mmap_switched的虛擬地址,然後跳轉到__mmap_switched中:
__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] 將整個段裏內容從 __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
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
最終跳到start_kernel函數，此函數代碼用純C來實現，它會調用各個平臺的相關初始化函數,接下來分析start_kernel函數
第3階段——內核啟動分析之創建si工程和啟動內核分析(3)