Arm linxu启动过程分析（一）

本文着重分析FS2410平台linux-2.6.14内核启动的详细过程，主要包括：zImage解压缩阶段、vmlinux启动汇编阶段、startkernel到创建第一个进程阶段三个部分，一般将其称为linux内核启动一、二、三阶段，本文也将采用这种表达方式。对于zImage之前的启动过程，本文不做表述，可参考作者“u-boot-1.3.1启动过程分析”一文。
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硬件平台：优龙FS2410开发板

CPU:S3C2410(Arm920T)； NORFlash:
SST39VF1601(2MB)；

SDRAM:K4S561632D-TC/L75 (32M)x2)；NandFlash:
K9K2G08U0M-YCB0(64MB)；

Netcard: CS8900A）。
软件平台：u-boot-1.3.1、linux-2.6.14
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本文中涉及到的术语约定如下：



基本内核映像：即内核编译过程中最终在内核源代码根目录下生成的vmlinux映像文件，并不包含任何内核解压缩和重定位代码；



zImage内核映像：包含了内核及压缩和重定位代码，以及基本内核映像vmlinux的压缩挡piggy.gz的一个映像文件，通常是目标板bootloader加载的对象；



zImage下载地址：即bootloader将zImage下载到目标板内存的某个地址或者nandread将zImage读到内存的某个地址；



zImage加载地址：由Linux的bootloader完成的将zImage搬移到目标板内存的某个位置所对应的地址值，默认值0x30008000。

关于内何映像的生成过程可以参考前一篇"Armlinux内核映像生成过程"
1．Linux内核启动第一阶段：内核解压缩和重定位



该阶段是从u-boot引导进入内核执行的第一阶段，我们知道u-boot引导内核启动的最后一步是：通过一个函数指针thekernel（）带三个参数跳转到内核（zImage）入口点开始执行，此时，u-boot的任务已经完成，控制权完全交给内核（zImage）。
稍作解释，在u-boot的文件lib_arm/armlinux.c(u-boot-1.3.1)或者lib_arm/bootm.c (u-boot-1.3.4)中定义了thekernel,并在do_bootm_linux的最后执行thekernel,如下：
void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);
//hdr->ih_ep----Entry Point Address uImage 中指定的内核入口点，这里是0x30008000。
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);其中第二个参数为机器ID,第三参数为u-boot传递给内核参数存放在内存中的首地址，此处是0x30000100。
由上述zImage的生成过程我们可以知道，第一阶段运行的内核映像实际就是arch/arm/boot/compressed/vmlinux，而这一阶段所涉及的文件也只有三个：
arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds
arch/arm/boot/compressed/head.S

arch/arm/boot/compressed/misc.c



我们的分析集中在arch/arm/boot/compressed/head.S,适当参考vmlinux.lds。

从arch/arm/boot/compressed/vmlinux的反汇编代码可一看出，内核执行的第一个代码段位start,
*****start
vmlinux: file format elf32-littlearm
Disassembly of section.text:
00000000<start>:
0:e1a00000 nop (mov r0,r0)
…. …. …..
1c:e1a00000 nop (mov r0,r0)
20:ea000002 b 30
<.text+0x30>
…. …. …..
*****保存参数
30:e1a07001 mov r7, r1
u-boot向内传递参数分析
//由thekernel传递的三个参数分别保存在r0,r1,r2中。
//将机器ID保存在r7中
34:e3a08000 mov r8, #0 ; 0x0
//保存r0，这里似乎没有太大的意义，
这里没有保存r2，也就是u-boot传递给内核参数的首地址0x30000100，看来linux-2.6.14启动时是不需要传递该参数的而是通过structmachine_desc（include/asm-arm/mach/arch.h）来确定，但是这个文件只是该结构的定义，真正的参数赋值在哪呢？实际上，这就是在内核移植是需要做的工作了，内核移植最主要的一个文件就是arch/arm/mach-s3c2410/mach-fs2410.c，通过下面的宏来实现对machine_desc结构体的赋值，并且在该文件中对所涉及到的函数进行了具体的代码实现，这是内核移植方面的内容，与我们的主题无关，这里不再多说。
MACHINE_START(SMDK2410,"SMDK2410")
/*@TODO: request a new identifier and switch to SMDK2410 */
.phys_ram = S3C2410_SDRAM_PA,
.phys_io = S3C2410_PA_UART,
.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >>
18) & 0xfffc,
.boot_params= S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

//指定u-boot传递给内核的参数存放的位置
.map_io = smdk2410_map_io,
.init_irq = smdk2410_init_irq,
.init_machine = sdmk2410_init,
.timer = &s3c24xx_timer,
MACHINE_END
下面我们采用汇编代码来进行分析：arch/arm/boot/compressed/head.S
.align
start: //u-boot first jump to this execute
.type start,#function
.rept 8
mov r0,r0
.endr

b 1f
.word 0x016f2818 @ Magic numbers to help the loader
.word start @ absolute load/run zImage address
.word _edata @ zImage end address
1: mov r7, r1 @ save architecture ID
mov r8,#0 @ save r0
*****判定是否是超级用户模式

mrs r2, cpsr @ getcurrent mode
tst r2, #3 @ not user? //判断当前是否为超级用户权限模式
bne not_angel //如果是超级用户权限模式，jumpto
not_angel
mov r0,#0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC 如果是普通用户模式，则通过软中断进入超级用户权限模式
swi 0x123456 @ angel_SWI_ARM
*****关中断
not_angel:
mrs r2, cpsr @ turnoff interrupts to //关中断
orr r2, r2, #0xc0 @prevent angel from running
msr cpsr_c, r2
*****将编译时指定的一些变量加载到相应的寄存器中

/* somearchitecture specific code can be inserted by the linker here, but itshould preserve r7 and r8. zImage的连接首地址为0x0 zImage的运行时首地址一般为0x30008000，当然可以不同 */

.text

adr r0, LC0 //读取LC0的当前运行时地址，应当为zImage的运行时起始地址+(LC0到zImage链接地址的首地址(0x0)的偏移)

ldmiar0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}//将LC0中的变量值加载到r1,r2,
r3, r4, r5, r6, ip, sp

subs r0,r0, r1 @ calculate thedelta offset //计算当前运行地址与链接地址的偏移

beq not_relocated @ if delta is zero, we are running at the addresswe were linked at.

//如果运行地址等于链接地址，则跳过重定位部分代码，否则继续执行relocate
/* .type LC0, #object
LC0: .word LC0 @ r1
.word __bss_start @ r2
.word _end @ r3
.word zreladdr @ r4
.word _start @ r5
.word _got_start @ r6
.word _got_end @ ip
.word user_stack+4096 @ sp
LC1: .word reloc_end - reloc_start
.size LC0, . - LC0 */
/* We're running at adifferent address. We need to fix up various pointers:
* r5 - zImage base address
* r6 - GOT start
* ip - GOT end
GOT（globaloffset
table ）
GOT是一个数组，存在ELFimage的数据段中，他们是一些指向objects的指针(通常
是数据objects).动态连接器将重新修改那些编译时还没有确定下来地址的符号的
GOT入口。所以说GOT在i386动态连接中扮演着重要的角色。*/
*****将上面的变量进行重定位，转换为当前的运行时地址

add r5, r5, r0 //zImage的链接时首地址重定位为运行时首地址

add r6, r6, r0 //GOT的链接时首地址重定位为运行时首地址

add ip, ip, r0

#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM

/*If we're running fully PIC === CONFIG_ZBOOT_ROM = n,

*we need to fix up pointers into the BSS region.

* r2 - BSS start

* r3 - BSS end

* sp - stack pointer */

add r2, r2, r0 //__bss_start的链接时首地址重定位为运行时首地址

add r3, r3, r0 //_end的链接时地址重定位为运行时地址

add sp, sp, r0 //user_stack+4096的链接时地址重定位为运行时地址

/*Relocate all entries in the GOT table.

重定位GOT中的所有链接地址为当前运行时地址*/

1: ldr r1, [r6, #0] @ relocate entries in the GOT

add r1, r1, r0 @ table. This fixes up the

str r1, [r6], #4 @ C references.

cmpr6, ip

blo 1b

#else

/*Relocate entries in the GOT table. We only relocate

*the entries that are outside the (relocated) BSS region.

重定位GOT中的所有链接地址为当前运行时地址但是不重定位

BSS_START到BSS_END部分 */

1: ldr r1, [r6, #0] @ relocate entries in the GOT

cmpr1, r2 @ entry < bss_start ||

cmphs r3, r1 @ _end < entry

addlo r1, r1, r0 @ table. This fixes up the

str r1, [r6], #4 @ C references.

cmpr6, ip

blo 1b

#endif

*****重定位已经完成，清零BSS段

not_relocated: movr0, #0

1: str r0, [r2], #4 @ clear bss

str r0, [r2], #4

str r0, [r2], #4

str r0, [r2], #4

cmpr2, r3

blo 1b
*****准备进入C程序的相关设置，开启cache,设置一些指针

/* The C runtimeenvironment should now be setup sufficiently. Turn the cache on, setup some pointers, and start decompressing. */

cacheon是一个相当复杂的过程，这里简单描述其流程，如有兴趣可参考“Armlinux启动第一阶段cacheon分析”

bl cache_on -------〉call_cache_fn-------〉

通过查表proc_types调用__armv4_cache_on

---------------------------〉__setup_mmu

__setup_mmu: sub r3, r4, #16384 //4k,r3=0x30004000

@Page directory size //16384=16kB=0x4000

bic r3, r3, #0xff @Align the pointer

bic r3, r3, #0x3f00

/*Initialise the page tables, turning on the cacheable and bufferablebits for the RAM area only. */

movr0, r3

movr8, r0, lsr #18 r8=0x30004000>>18=0xc00

movr8, r8, lsl #18 @ start ofRAM,

//r8=0xc00<<18=0x30000000

add r9, r8, #0x10000000@ a reasonable RAM size

//r9=0x40000000

movr1, #0x12

orr r1, r1, #3 << 10 //r1=0xc00|0x12=0xc12

add r2, r3, #16384 //r2=0x30004000+0x4000=0x30008000

1: cmp r1, r8 @ if virt > start of RAM

orrhs r1, r1, #0x0c @ setcacheable, bufferable

cmpr1, r9 @ if virt > end of RAM

bichs r1, r1, #0x0c @ clearcacheable, bufferable

str r1, [r0], #4 @ 1:1 mappi





//r0=0x300040000,r1=0xc12

//0x12表明这是一个段描述符即bit4和bit1为1。

//0xc00即bit11和bit10为11，即AP=11,允许所有读写访问

add r1, r1, #1048576 //1048576=0x100000

teq r0, r2

bne 1b
//上面代码段实现0x00000000~0x40000000（1GB）地址空间也表的创建，映射的目的地址也是0x00000000~0x40000000,所以没有实际意义，也许是为了打开cache以及设置访问属性。

mov r0, #0

mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer清零

mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush I,D TLBs 清零

mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control reg 清零

orr r0, r0,#0x5000 @ I-cache enable, RR cache replacement

orr r0, r0, #0x0030

bl __common_cache_on------->

__common_cache_on:

#ifndef DEBUG

orr r0, r0, #0x000d @ Write buffer, mmu

#endif

mov r1,#-1

mcr p15,0, r3, c2, c0, 0 @ load page tablepointer

//将页表基址写入页表基址寄存器cp15c2

mcr p15, 0, r1, c3, c0, 0
//设置域访问控制寄存器，写入0xffffffff,与控制位为11，也就是允许权限检查，可以访问。

mcr p15,0, r0, c1, c0, 0 @ load controlregister

mov pc,lr

mov r0, #0

mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush I,D TLBs

mov pc, r12

返回， cacheon结束。

//这里的r1,r2之间的空间为解压缩内核程序所使用，也是传递给decompress_kernel的第二和第三的参数

movr1, sp @ malloc space above stack //将SP的运行时地址存入r0

add r2, sp, #0x10000 @ 64k max //r2=sp+0x10000


*****解压缩内核,分三种情况，请看下篇...