嵌入式内核启动流程样本.doc
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1、资料内容仅供您学习参考,如有不当之处,请联系改正或者删除。Linux内核构成(国嵌)Linux/arch/arm/boot/compressed/head.s1解压缩2初始化3启动应用程序1 arch/arm/boot/compressed/Makefile arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds2. arch/arm/kernel/vmlinux.ldsLinux内核启动流程( 国嵌) arch/arm/boot/compressed/start.S( head.s负责解压缩) Start: .type start,#function .rept 8 mov
2、 r0, r0 .endr b 1f .word 0x016f2818 Magic numbers to help the loader .word start absolute load/run zImage address .word _edata zImage end address1: mov r7, r1 save architecture ID mov r8, r2 save atags pointer这也标志着u-boot将系统完全的交给了OS, bootloader生命终止。之后代码在133行会读取cpsr并判断是否处理器处于supervisor模式从u-boot进入kerne
3、l, 系统已经处于SVC32模式; 而利用angel进入则处于user模式, 还需要额外两条指令。之后是再次确认中断关闭, 并完成cpsr写入 mrs r2, cpsr get current mode tst r2, #3 not user? bne not_angel mov r0, #0x17 angel_SWIreason_EnterSVC swi 0x123456 angel_SWI_ARMnot_angel: mrs r2, cpsr turn off interrupts to orr r2, r2, #0xc0 prevent angel from running msr cp
4、sr_c, r2 然后在LC0地址处将分段信息导入r0-r6、 ip、 sp等寄存器, 并检查代码是否运行在与链接时相同的目标地址, 以决定是否进行处理。由于现在很少有人不使用loader和tags, 将zImage烧写到rom直接从0x0位置执行, 因此这个处理是必须的( 可是zImage的头现在也保留了不用loader也可启动的能力) 。arm架构下自解压头一般是链接在0x0地址而被加载到0x30008000运行, 因此要修正这个变化。涉及到r5寄存器存放的zImage基地址 r6和r12( 即ip寄存器) 存放的got( global offset table) r2和r3存放的bss段
5、起止地址 sp栈指针地址 很简单, 这些寄存器统统被加上一个你也能猜到的偏移地址 0x30008000。该地址是s3c2410相关的, 其它的ARM处理器能够参考下表PXA2xx是0xa0008000 IXP2x00和IXP4xx是0x00008000 Freescale i.MX31/37是0x80008000 TI davinci DM64xx是0x80008000 TI omap系列是0x80008000 AT91RM/SAM92xx系列是0x 8000 Cirrus EP93xx是0x00008000 这些操作发生在代码172行开始的地方, 下面只粘贴一部分 add r5, r5, r
6、0 add r6, r6, r0 add ip, ip, r0后面在211行进行bss段的清零工作not_relocated: mov r0, #01: str r0, r2, #4 clear bss str r0, r2, #4 str r0, r2, #4 str r0, r2, #4 cmp r2, r3 blo 1b 然后224行, 打开cache, 并为后面解压缩设置64KB的临时malloc空间 bl cache_on mov r1, sp malloc space above stack add r2, sp, #0x10000 64k max 接下来238行进行检查, 确定内
7、核解压缩后的Image目标地址是否会覆盖到zImage头, 如果是则准备将zImage头转移到解压出来的内核后面 cmp r4, r2 bhs wont_overwrite sub r3, sp, r5 compressed kernel size add r0, r4, r3, lsl #2 allow for 4x expansion cmp r0, r5 bls wont_overwrite mov r5, r2 decompress after malloc space mov r0, r5 mov r3, r7 bl decompress_kernel真实情况在大多数的应用中, 内核
8、编译都会把压缩的zImage和非压缩的Image链接到同样的地址, s3c2410平台下即是0x30008000。这样做的好处是, 人们不用关心内核是Image还是zImage, 放到这个位置执行就OK, 因此在解压缩后zImage头必须为真正的内核让路。在250行解压完毕, 内核长度返回值存放在r0寄存器里。在内核末尾空出128字节的栈空间用, 而且使其长度128字节对齐。 add r0, r0, #127 + 128 alignment + stack bic r0, r0, #127 align the kernel length算出搬移代码的参数: 计算内核末尾地址并存放于r1寄存器,
9、 需要搬移代码原来地址放在r2, 需要搬移的长度放在r3。然后执行搬移, 并设置好sp指针指向新的栈( 原来的栈也会被内核覆盖掉) add r1, r5, r0 end of decompressed kernel adr r2, reloc_start ldr r3, LC1 add r3, r2, r31: ldmia r2!, r9 - r14 copy relocation code stmia r1!, r9 - r14 ldmia r2!, r9 - r14 stmia r1!, r9 - r14 cmp r2, r3 blo 1b add sp, r1, #128 relocat
10、e the stack搬移完成后刷新cache, 因为代码地址变化了不能让cache再命中被内核覆盖的老地址。然后跳转到新的地址继续执行 bl cache_clean_flush add pc, r5, r0 call relocation code注意zImage在解压后的搬移和跳转会给gdb调试内核带来麻烦。因为用来调试的符号表是在编译是生成的, 并不知道以后会被搬移到何处去, 只有在内核解压缩完成之后, 根据计算出来的参数”告诉”调试器这个变化。以撰写本文时使用的zImage为例, 内核自解压头重定向后, reloc_start地址由0x30008360变为0x30533e60。故我们要
11、把vmlinux的符号表也相应的从0x30008000后移到0x30533b00开始, 这样gdb就能够正确的对应源代码和机器指令。随着头部代码移动到新的位置, 不会再和内核的目标地址冲突, 能够开始内核自身的搬移了。此时r0寄存器存放的是内核长度( 严格的说是长度外加128Byte的栈) , r4存放的是内核的目的地址0x30008000, r5是当前内核存放地址, r6是CPU ID, r7是machine ID, r8是atags地址。代码从501行开始reloc_start: add r9, r5, r0 sub r9, r9, #128 do not copy the stack d
12、ebug_reloc_start mov r1, r41: .rept 4 ldmia r5!, r0, r2, r3, r10 - r14 relocate kernel stmia r1!, r0, r2, r3, r10 - r14 .endr cmp r5, r9 blo 1b add sp, r1, #128 relocate the stack接下来在516行清除并关闭cache, 清零r0, 将machine ID存入r1, atags指针存入r2, 再跳入0x30008000执行真正的内核Imagecall_kernel: bl cache_clean_flush bl cac
13、he_off mov r0, #0 must be zero mov r1, r7 restore architecture number mov r2, r8 restore atags pointer mov pc, r4 call kernel内核代码入口在arch/arm/kernel/head.S文件的83行。首先进入SVC32模式, 并查询CPU ID, 检查合法性 msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE ensure svc mode and irqs disabled mrc p15, 0, r9, c0, c0 get pr
14、ocessor id bl _lookup_processor_type r5=procinfo r9=cpuid movs r10, r5 invalid processor (r5=0)? beq _error_p yes, error p接着在87行进一步查询machine ID并检查合法性 bl _lookup_machine_type r5=machinfo movs r8, r5 invalid machine (r5=0)? beq _error_a yes, error a其中_lookup_processor_type在linux-2.6.24-moko-linuxbj/ar
15、ch/arm/kernel/head-common.S文件的149行, 该函数首将标号3的实际地址加载到r3, 然后将编译时生成的_proc_info_begin虚拟地址载入到r5, _proc_info_end虚拟地址载入到r6, 标号3的虚拟地址载入到r7。由于adr伪指令和标号3的使用, 以及_proc_info_begin等符号在linux-2.6.24-moko-linuxbj/arch/arm/kernel/vmlinux.lds而不是代码中被定义, 此处代码不是非常直观, 想弄清楚代码缘由的读者请耐心阅读这两个文件和adr伪指令的说明。r3和r7分别存储的是同一位置标号3的物理地
16、址( 由于没有启用mmu, 因此当前肯定是物理地址) 和虚拟地址, 因此儿者相减即得到虚拟地址和物理地址之间的offset。利用此offset, 将r5和r6中保存的虚拟地址转变为物理地址_lookup_processor_type: adr r3, 3f ldmda r3, r5 - r7 sub r3, r3, r7 get offset between virt&phys add r5, r5, r3 convert virt addresses to add r6, r6, r3 physical address space然后从proc_info中读出内核编译时写入的processo
17、r ID和之前从cpsr中读到的processor ID对比, 查看代码和CPU硬件是否匹配( 想在arm920t上运行为cortex-a8编译的内核? 不让! ) 。如果编译了多种处理器支持, 如versatile板, 则会循环每种type依次检验, 如果硬件读出的ID在内核中找不到匹配, 则r5置0返回1:ldmiar5, r3, r4 value, maskandr4, r4, r9 mask wanted bitsteqr3, r4beq2faddr5, r5, #PROC_INFO_SZ sizeof(proc_info_list)cmpr5, r6blo1bmovr5, #0 un
18、known processor2:movpc, lr _lookup_machine_type在linux-2.6.24-moko-linuxbj/arch/arm/kernel/head-common.S文件的197行, 编码方法与检查processor ID完全一样, 请参考前段_lookup_machine_type:adrr3, 3bldmiar3, r4, r5, r6subr3, r3, r4 get offset between virt&physaddr5, r5, r3 convert virt addresses toaddr6, r6, r3 physical addre
19、ss space1:ldrr3, r5, #MACHINFO_TYPE get machine typeteqr3, r1 matches loader number?beq2f foundaddr5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC next machine_desccmpr5, r6blo1bmovr5, #0 unknown machine2:movpc, lr代码回到head.S第92行, 检查atags合法性, 然后创立初始页表bl_vet_atagsbl_create_page_tables 创立页表的代码在218行, 首先将内核起始地址-0x4000到内核起始地
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