arm-linux kernel启动过程分析(1)-start_kernel之前第一步
Uboot启动过程分析博文连接如下:
http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/25804209
kernel启动过程一般不需要我们修改,研究这个对于编写driver也没有多大帮助,但对了解整个linux架构,各种机制还是非常有用。
如一句心灵鸡汤所说,只有了解一个人如何成长,才能看清他是什么样的人(语文不好,大体意思如此。。)
只有知道kernel如何启动,我们才能真正的去理解kernel
作为一个嵌入式工作者,我想不能仅仅局限于某个module driver,而应深入到kernel的汪洋大海中去傲游!
学习启动过程,我本着打破沙锅问到底的原则,希望能研究的明明白白,但也鉴于水平有限,还是有很多纰漏之处
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Start_kernel前代码分3部分来分析,今天先来学习前几十行!
Kernel版本号:3.4.55
在arch/arm/kernel/head.S中,如下:
.arm __HEAD ENTRY(stext) THUMB( adr r9, BSYM(1f) ) @ Kernel is always entered in ARM. THUMB( bx r9 ) @ If this is a Thumb-2 kernel, THUMB( .thumb ) @ switch to Thumb now. THUMB(1: ) //处理器进入svc模式,关闭中断 setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ ensure svc mode @ and irqs disabled //获取处理器ID mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid //将proc_type_list pointer存在r10中,如果为NULL,则error_p movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)? THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding beq __error_p @ yes, error 'p' //CONFIG_ARM_LPAE不太明白含义,我使用处理器配置文件没有选择该项,感兴趣朋友可以研究下 #ifdef CONFIG_ARM_LPAE mrc p15, 0, r3, c0, c1, 4 @ read ID_MMFR0 and r3, r3, #0xf @ extract VMSA support cmp r3, #5 @ long-descriptor translation table format? THUMB( it lo ) @ force fixup-able long branch encoding blo __error_p @ only classic page table format #endif #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL //获取物理地址与虚拟地址的offset,存在r8中 adr r3, 2f ldmia r3, {r4, r8} sub r4, r3, r4 @ (PHYS_OFFSET - PAGE_OFFSET) add r8, r8, r4 @ PHYS_OFFSET #else //定义CONFIG_XIP_KERNEL,offset为PHYS_OFFSET ldr r8, =PHYS_OFFSET @ always constant in this case #endif /* * r1 = machine no, r2 = atags or dtb, * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo */ //对bootloader传来的tags参数进行检查 bl __vet_atagsKernel的入口函数是哪个,入口地址在哪,需要根据连接脚本来确定。
在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S,如下:
OUTPUT_ARCH(arm) ENTRY(stext) #ifndef __ARMEB__ jiffies = jiffies_64; #else jiffies = jiffies_64 + 4; #endif SECTIONS { ........ #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL . = XIP_VIRT_ADDR(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR); #else . = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET; #endif }入口函数是head.S中的stext,不采用XIP技术,入口地址是PAGE_OFFSET+TEXT_OFFSET。
./arch/arm/include/asm/memory.h中:
#define PAGE_OFFSET UL(CONFIG_PAGE_OFFSET) Menuconfig中CONFIG_PAGE_OFFSET = 0xc0000000 ./arch/arm/Makefile中: textofs-y := 0x00008000 textofs-$(CONFIG_ARCH_CLPS711X) := 0x00028000 # We don't want the htc bootloader to corrupt kernel during resume textofs-$(CONFIG_PM_H1940) := 0x00108000 # SA1111 DMA bug: we don't want the kernel to live in precious DMA-able memory ifeq ($(CONFIG_ARCH_SA1100),y) textofs-$(CONFIG_SA1111) := 0x00208000 endif textofs-$(CONFIG_ARCH_MSM7X30) := 0x00208000 textofs-$(CONFIG_ARCH_MSM8X60) := 0x00208000 textofs-$(CONFIG_ARCH_MSM8960) := 0x00208000 ...... # The byte offset of the kernel image in RAM from the start of RAM. TEXT_OFFSET := $(textofs-y)入口地址是0xc0008000.
但是实际操作中,kernel是加载到0x80008000地址运行的。
(我使用处理器sdram物理起始地址是0x80000000)
为什么链接地址和运行地址不一致?
学习完start_kernel之前的汇编,就会明白原因了。
在stext中,开始会调用到__lookup_processor_type,代码如下:
__CPUINIT __lookup_processor_type: //3行汇编,计算出物理地址与虚拟地址之间的offset,存在r3中 adr r3, __lookup_processor_type_data ldmia r3, {r4 - r6} sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys //获取__proc_info_begin的物理地址 add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to //获取__proc_info_end的物理地址 add r6, r6, r3 @ physical address space //mask cp15读出的cpuid,与proc_type_list中value对比 1: ldmia r5, {r3, r4} @ value, mask and r4, r4, r9 @ mask wanted bits teq r3, r4 //一致则返回,不一致则跳到下一个proc_type_list,继续对比 beq 2f add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list) cmp r5, r6 blo 1b //匹配成功,r5存该proc_type_list指针,匹配失败,r5置0 mov r5, #0 @ unknown processor 2: mov pc, lr ENDPROC(__lookup_processor_type) /* * Look in <asm/procinfo.h> for information about the __proc_info structure. */ .align 2 .type __lookup_processor_type_data, %object __lookup_processor_type_data: .long . .long __proc_info_begin .long __proc_info_end .size __lookup_processor_type_data, . - __lookup_processor_type_data</span>因为kernel要开启MMU,所以kernel编译链接地址是虚拟地址(物理地址经过MMU转换后CPU看到的地址),并不是物理地址,
链接确定了变量的绝对地址(虚拟地址),但在现阶段,没开启MMU,CPU看到的sdram地址就是其物理地址(0x80000000起始)。
如果直接运行,对于变量的寻址则会出现问题(函数寻址没问题,因为arm函数寻址使用相对跳转指令b bl)
比如,kernel image中全局变量i链接地址在0xc0009000,但现阶段i物理地址是在0x80009000,对于CPU来说,只能在0x80009000上才能找到i。
去0xc0009000寻址,程序运行就出错了。
这就是为什么我们所理解的,链接地址 加载地址 运行地址必须一致的原因。
kernel现阶段给出的解决方法,就是lookup_processor_type前3行汇编:
adr r3, __lookup_processor_type_data 加载__lookup_processor_type_data地址(实际运行地址,这里就是物理地址)到r3
ldmia r3, {r4 - r6} 获取以r3 r3+4 r3+8为地址的变量到r4,r5,r6.
地址变量值是在链接时确定的,所以r4中存的是__lookup_processor_type_data的链接地址(虚拟地址)。
sub r3 ,r3 ,r4 r3中存储的是物理地址与虚拟地址的偏移。
这是多么genius的操作啊!
_proc_info_begin _proc_info_end在链接脚本中定义,是.proc.info.init段的首尾。
该段中是proc_info_list struct,表示处理器相关信息,定义如下:
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; };该段是在arch/arm/mm/proc-xxx.S中填充,不需要软件人员修改,感兴趣朋友可以研究下。
lookup_processor_type_data返回stext中。
接下来同样用上面的方法获取phy&virt offset,存在r8.
根据我之前分析uboot传参kernel的博文(链接如下:http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/35787971)
r1存储machine id,r2存储atags。
stext中__vet_atags会对atags做一个基本的检查,代码如下:
__vet_atags: tst r2, #0x3 @ aligned? bne 1f ldr r5, [r2, #0] //判断是否是dtb类型 #ifdef CONFIG_OF_FLATTREE ldr r6, =OF_DT_MAGIC @ is it a DTB? cmp r5, r6 beq 2f #endif cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE @ is first tag ATAG_CORE? cmpne r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY bne 1f ldr r5, [r2, #4] ldr r6, =ATAG_CORE cmp r5, r6 bne 1f //正确tags,返回 2: mov pc, lr @ atag/dtb pointer is ok //错误tags,清空r2,返回 1: mov r2, #0 mov pc, lr ENDPROC(__vet_atags)检查tag头4 byte(tag_core的size)和第二个4 byte(tag_core的type)是否正确。
对于stext中前几十行汇编,已经分析完成,总结下做了哪些工作:
(1)设置CPU模式
(2)检查CPUID是否匹配
(3)获取phy&virt offset
(4)检查atags参数
这段代码就分析到这,不过引起了我对于链接地址 运行地址的思考。
一直认为,链接地址 运行地址(加载地址)必须是一致,但是却没有真正去思考这个问题。
就像老师告诉我们地球是圆的,我们就认为地球是圆的,而没有去探究过。
程序的链接地址与运行地址为什么要一致?
我的理解,链接确定程序运行绝对地址,也确定了其中变量及函数的绝对地址,加载运行地址不是其链接地址,变量实际存储的地址就变了。
这时如果对变量进行寻址,就会有不可知的结果,这是我能想到的原因。
平时我们编译链接都是一些C语言编写程序,难免会定义一些全局变量,如果链接和运行地址不一致,就不能正常寻址。
如果想运行和链接地址不一致,我能想到的办法,只能是汇编中尽量不去涉及一些绝对地址,使用PIC位置无关代码。
联想之前分析的uboot relocation原理(博文链接:http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/37660265),
uboot在relocation之后,kernel在开启MMU之前,都实现了链接地址和运行地址不一致,看看它们用的什么方法?
(1)uboot在relocation时修改rel.dyn段(存储所有变量地址),实现将所有变量地址重定位到新运行地址
所以说,链接地址一定要等于运行地址吗?不一定,嵌入式最著名的uboot kernel就是例子!
今天先分析到这,start_kernel之前剩余部分汇编会再写2篇文章来分析学习。
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