Linux核心原始碼分析之set_arch (一)
阿新 • • 發佈：2020-11-22
### 1. 概述
之前已經寫了幾篇Linux核心啟動相關的文章，比如：《[解壓核心映象](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzNjU2OTkyOA==&mid=2247484463&idx=1&sn=1dc7706fccd141ecbdb2704d785de0d2&chksm=faf57508cd82fc1e333787dcece7f524165035422cc512313ecddb1ceb1d22b9e9605c4d8332&scene=21#wechat_redirect)》《[呼叫 start_kernel](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzNjU2OTkyOA==&mid=2247484478&idx=1&sn=8f4c367406b47c84fdd8a6674ce47100&chksm=faf57519cd82fc0f6efbeb8c7778d2f4929e73adec5c46bf7da5085aa0cb3d5717dda832d7ec&scene=21#wechat_redirect)》都是用匯編語言寫的，這些程式碼的作用僅僅是把核心映象放置到特定的位置，同時配置好C語言的執行環境，再有就是簡單的把核心映象所在區域的頁表設定一下，在開啟MMU之後就正式開始了C語言程式碼的執行，C語言程式碼的入口是start_kernel這個函式，本文要介紹其中的set_arch這個函式，該函式的作用是查詢給定機器ID的資料結構資訊、配置記憶體條資訊、解析bootloader傳遞命令列引數，然後根據machine_desc結構體所記錄的資訊對機器進行一些必要的設定，最後開始正式建立完整的頁表，大致流程如下圖所示。
### 2. set_processor
該函式首先調用匯編程式碼來查詢給定機器ID的proc_info資料，找到之後取出其中的processor結構體，該結構體中包含了很多工切換相關的底層函式。
```c
/* 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函式根據CPU ID設定緩衝相關的標誌位；cpu_init呼叫剛剛找到的processor中的processor._proc_init函式，不過該函式沒有做什麼實際操作。
```c
/* arch/arm/mm/proc-v7.S */
ENTRY(cpu_v7_proc_init)
mov pc, lr
ENDPROC(cpu_v7_proc_init)
```
設定核心啟動時所在CPU不同異常模式下的棧指標。
```c
/* 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查詢machine_desc結構體，如果沒有找到就列印一條提示資訊，然後直接宕機。而此時使用的列印函式是early_print的話，再根據《[printk流程分析](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzNjU2OTkyOA==&mid=2247484610&idx=1&sn=9d9d2ce3e05ae93b7d16eb362ad79c38&chksm=faf575e5cd82fcf37f7d971403c119db0b517f99a609c2cce7ef3c68230c19977c320a2301c4&scene=21#wechat_redirect)》，此時其實還沒有註冊console驅動，因此如果沒有開啟early_printk功能，則系統就悄無聲息的宕機了。
```c
/* 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之後，執行mdesc->fixup()，該呼叫實際執行的函式是定義在cpu.c中的cpu_fixup函式，該函式的作用是設定記憶體條個數以及對應物理起始地址和大小。
```c
/* 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傳遞的命令列引數，通過tag->hdr.tag查詢核心中預置的對應型別tag的解析函式，然後呼叫對應型別tag的parse函式即可實現對引數的解析。
```c
/* 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查詢機器描述資訊，然後再根據CPU ID設定cache相關的標誌位，再執行processor._proc_init對處理器進行初始化，最後設定CPU不同異常模式下的棧指標；
- setup_machine_tags：根據機器ID查詢machine_desc結構體，然後執行cpu_fixup函式配置記憶體條資訊，最後解析bootloader傳遞的命令列