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Linux内核启动流程-第一阶段汇编流程简介

一.  Linux启动流程

看完 Linux 内核的顶层 Makefile 以后再来看 Linux 内核的大致启动流程, Linux 内核的启 动流程要比 uboot 复杂的多,涉及到的内容也更多。
本文中,我们就大致的了解一下 Linux 核的启动流程。
要分析 Linux 启动流程,同样需要先编译一下 Linux 源码,因为有很多文件是需要编译才会生成的。

二.  汇编流程简介

1.  链接脚本 vmlinux.lds

首先,分析 Linux 内核的链接脚本文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds ,通过链接脚本可以 找到
Linux 内核的第一行程序是从哪里执行的。 vmlinux.lds 中有如下代码:
492 OUTPUT_ARCH(arm)
493 ENTRY(stext)
494 jiffies = jiffies_64;
495 SECTIONS
496 {
497 /*
498 * XXX: The linker does not define how output sections are
499 * assigned to input sections when there are multiple statements
500 * matching the same input section name. There is no documented
501 * order of matching.
502 *
503 * unwind exit sections must be discarded before the rest of the
504 * unwind sections get included.
505 */
506 /DISCARD/ : {
507 *(.ARM.exidx.exit.text)
508 *(.ARM.extab.exit.text)
509 
......
645 }

493 行的 ENTRY 指明了了 Linux 内核入口,入口为 stext stext 定义在文件 arch/arm/kernel/head.S 中 , 因 此 要 分 析 Linux 内核的启动流程,就得先从文件  arch/arm/kernel/head.S  stext 处开始分析。

2.  Linux 内核入口 stext

stext Linux 内核的入口地址,在文件 arch/arm/kernel/head.S 中有如下所示提示内容:

/*
* Kernel startup entry point.
* ---------------------------
*
* This is normally called from the decompressor code. The requirements
* are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
* r1 = machine nr, r2 = atags or dtb pointer.
.....
*/

根据上面 的注释, Linux 内核启动之前要求如下:
①、关闭 MMU
②、关闭 D-cache
③、 I-Cache 无所谓。
④、 r0=0
⑤、 r1=machine nr( 也就是机器 ID)
⑥、 r2=atags 或者设备树 (dtb) 首地址。
Linux 内核的入口点 stext 其实相当于内核的入口函数, stext 函数内容如下:
80 ENTRY(stext)
......
91 @ ensure svc mode and all interrupts masked
92 safe_svcmode_maskall r9
93 
94 mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
95 bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
96 movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
97 THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
98 beq __error_p @ yes, error 'p'
99 
......
107
108 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
......
113 #else
114 ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case
115 #endif
116
117 /*
118 * r1 = machine no, r2 = atags or dtb,
119 * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
120 */
121 bl __vet_atags
......
128 bl __create_page_tables
129
130 /*
131 * The following calls CPU specific code in a position independent
132 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
133 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
134 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be
135 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.原子哥在线教学:www.yuanzige.com 论坛:www.openedv.com
942
I.MX6U 嵌入式 Linux 驱动开发指南
136 */
137 ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after
138 @ mmu has been enabled
139 adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address
140 mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
141 ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]
142 add r12, r12, r10
143 ret r12
144 1: b __enable_mmu
145 ENDPROC(stext)

92 行,调用函数 safe_svcmode_maskall 确保 CPU 处于 SVC 模式,并且关闭了所有的中断。 safe_svcmode_maskall 定义在文件 arch/arm/include/asm/assembler.h 中。
94 行,读处理器 ID ID 值保存在 r9 寄存器中。
95 行,调用函数 __lookup_processor_type 检查当前系统是否支持此 CPU ,如果支持就获取 procinfo 信息。 procinfo proc_info_list 类 型 的 结 构 体 , proc_info_list 在文件 arch/arm/include/asm/procinfo.h 中。

Linux 内核将每种处理器都抽象为一个 proc_info_list 结构体,每种处理器都对应一个 procinfo。因此,可以通过处理器 ID 来找到对应的 procinfo 结构,__lookup_processor_type 函数找 到对应处器的 procinfo 以后会将其保存到 r5 寄存器中。

128 行,调用函数 __create_page_tables 创建页表。
137 行,将函数 __mmap_switched 的地址保存到 r13 寄存器中。 __mmap_switched 定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S __mmap_switched 最终会调用 start_kernel 函数。

144 行 , 调 用 __enable_mmu 函 数 使 能 MMU __enable_mmu 定 义 在 文 件 arch/arm/kernel/head.S 中。 __enable_mmu 最终会通过调用 __turn_mmu_on 来打开 MMU __turn_mmu_on 最后会执行 r13 里面保存的 __mmap_switched 函数。

3.   __mmap_switched 函数

__mmap_switched 函数定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中,函数代码如下:
81 __mmap_switched:
82 adr r3, __mmap_switched_data
83 
84 ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}
85 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
86 1: cmpne r5, r6
87 ldrne fp, [r4], #4
88 strne fp, [r5], #4
89 bne 1b
90 
91 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)
92 1: cmp r6, r7
93 strcc fp, [r6],#4
94 bcc 1b
95 
96 ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
97 THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )
98 THUMB( ldr sp, [r3, #16] )
99 str r9, [r4] @ Save processor ID
100 str r1, [r5] @ Save machine type
101 str r2, [r6] @ Save atags pointer
102 cmp r7, #0
103 strne r0, [r7] @ Save control register values
104 b start_kernel
105 ENDPROC(__mmap_switched)

104 行最终调用 start_kernel 来启动 Linux 内核, start_kernel 函数定义在文件 init/main.c 中。

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