MIPS嵌入式linux 分析

一 linux的启动流程
1．1、嵌入式linux 简介
LINUX 是一个类似UNIX 的操作系统，其代码是完全重新开放的，内核功能强大，实现
简洁。它提供了类似UNIX 的编程接口和系统调用，可以方便的将UNIX系统上的应用程序，
移植到Linux上运行。Linux具有一下特点：
1．可移植性：
Linux内核源代码是用C语言编写的，可以运行到各种平台。
2．支持多种处理器体系结构：
Linux内核能够支持的处理器要求是32位处理器，有没有MMU都可以。没有MMU的处理器
只有uClinux支持。Linux－2.6内核支持的绝大多数都是带MMU的。
3．开放源代码的优势：
Linux内核是开放源代码的，也就是说，用户可以免费获取，修改linux源码。庞大的linux
社区和内核源代码工程，有很多各种各样的驱动程序和应用程序可以利用。开发者可以免费
得到社区的贡献、支持。
众所周知，Linux在嵌入式系统中的应用已经非常普遍。为了进一步促进这方面的应用，
在Linux 2.6中，引入了很多非常有利于嵌入式应用的功能。这些新功能包括实时性能的增
强、更方便的移植性、对大容量内存的支持、支持微控制器和I/O系统的改进等。

1．2 mips linux 内核引导过程
（1）第一个文件 ： arch/mips/kernel/head.S 建立堆栈等，最后跳到start_kernel
（2）start_kernel : init/main.c

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
char * command_line;
extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

smp_setup_processor_id();

/*
* Need to run as early as possible, to initialize the
* lockdep hash:
*/
lockdep_init();

local_irq_disable();
early_boot_irqs_off();
early_init_irq_lock_class();
/* 这时已关闭中断。作必要的设置。然后再开中断。*/

/*
* Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
* enable them
*/
lock_kernel(); //取得内核锁
boot_cpu_init();
page_address_init();
printk(KERN_NOTICE);
printk(linux_banner);
setup_arch(&command_line);
setup_per_cpu_areas();
smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */

/*
* Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
* timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
* time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
*/
sched_init(); //与进程相关的初始化
/*
* Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
* fragile until we cpu_idle() for the first time.
*/
preempt_disable();
build_all_zonelists();
page_alloc_init();
printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", saved_command_line);
parse_early_param();
parse_args("Booting kernel", command_line, __start___param,
__stop___param - __start___param,
&unknown_bootoption);
sort_main_extable();
unwind_init();
trap_init(); //设置陷阱
rcu_init();
init_IRQ(); //设置外部中断
pidhash_init();
init_timers(); //timer初始化
hrtimers_init();
softirq_init(); //初始化软中断
timekeeping_init();
time_init(); //时钟初始化
profile_init();
if (!irqs_disabled())
printk("start_kernel(): bug: interrupts were enabled early\n");
early_boot_irqs_on();
local_irq_enable(); //irq enable

/*
* HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
* we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
* this. But we do want output early, in case something goes wrong.
*/
console_init();
if (panic_later)
panic(panic_later, panic_param);

lockdep_info();

/*
* Need to run this when irqs are enabled, because it wants
* to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
* too:
*/
locking_selftest();

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
initrd_start < min_low_pfn << PAGE_SHIFT) {
printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "
"disabling it.\n",initrd_start,min_low_pfn << PAGE_SHIFT);
initrd_start = 0;
}
#endif
vfs_caches_init_early();
cpuset_init_early();
mem_init(); //初始化物理内存管理器
kmem_cache_init(); //内核内存管理器的初始化，也就是初始化cache和slab
setup_per_cpu_pageset();
numa_policy_init();
if (late_time_init)
late_time_init();
calibrate_delay();
pidmap_init();
pgtable_cache_init();
prio_tree_init();
anon_vma_init();
#ifdef CONFIG_X86
if (efi_enabled)
efi_enter_virtual_mode();
#endif
fork_init(num_physpages);
proc_caches_init(); //为proc文件系统创建高速缓冲
buffer_init();
unnamed_dev_init();
key_init();
security_init();
vfs_caches_init(num_physpages);
radix_tree_init();
signals_init();
/* rootfs populating might need page-writeback */
page_writeback_init();
#ifdef CONFIG_PROC_FS
proc_root_init(); //为proc文件系统创建高速缓冲
#endif
cpuset_init();
taskstats_init_early();
delayacct_init();

check_bugs(); //检查与处理器相关的bug

acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */

/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
rest_init(); //调用kernel_thread，创建系统的第一号进程
}

（3）arch/mips/kernel/setup.c
void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
cpu_probe(); 读取cpuID ，探测cpu所属的架构及指令集范围，
prom_init();
//启动参数等 //arch/mips/soc3210/soc32101-boards/soc-soc/prom.c
cpu_report(); //打印cpu信息

#if defined(CONFIG_VT)
#if defined(CONFIG_VGA_CONSOLE)
conswitchp = &vga_con;
#elif defined(CONFIG_DUMMY_CONSOLE)
conswitchp = &dummy_con;
#endif
#endif

arch_mem_init(cmdline_p); //内存空间的分配动作

resource_init(); //资源分配，IO资源，内存资源等
#ifdef CONFIG_SMP
plat_smp_setup();
#endif
}

我们来跟随内核启动运行的过程看看mips内核有什么特别之处.

加电后,mips kernel从系统固件程序(类似bios,可能烧在eprom,flash中)得到控制之后(head.S),初始化内核栈,
调用setup_arch初始化硬件平台相关的代码.
setup_arch(setup.c)首先监测使用的CPU(通过MIPS CPU的CP0控制寄存器PRID) 确定使用的指令集和一些CPU参数,如TLB大小等.然后调用prom_init做一些底层参数初始化. prom_init是和具体的硬件相关的.

使用MIPS CPU的平台多如牛毛, 所以大家在arch/mips下面可以看到很多的子目录, 每个子目录是一个或者一系列相似的平台.这里的平台差不多可以理解成一块主板加上它的系统固件,其中很多还包括一些专用的显卡什么的硬件(比如一些工作站).
这些目录的主要任务是:
1. 提供底层板子上的一些重要信息,包括系统固件传递的参数,io的映射基地址
,内存的大小的分布等.多数还包括提供早期的信息输入输出接口(通常是一个
简单的串口驱动)以方便调试,因为pmon往往不提供键盘和显示卡的支持.
2. 底层中断代码,包括中断控制器编程和中断的分派,应答等
3. pci子系统底层代码. 实现pci配置空间的读写,以及pci设备的中断,IO/Mem
空间的分配
4. 其它,特定的硬件.常见的有实时时钟等

这里关键是要理解这些硬件平台和熟悉的x86不同之处.

* item
MIPS不象X86有很标准的硬件软件接口,而是五花八门,每个厂家有一套,因为它们很多是嵌入式系统或者专门的工作站.不象PC中,有了BIOS后用同一套的程序,就可以使用很多不同的主板和CPU.
MIPS中的'bios'常用的有pmon和yamon,都是开放源代码的软件。很多开发板带的固件功能和PC BIOS很不一样,它们多数支持串口显示,或者网络下载和启动,以及类DEBUG的调试界面,但可能根本不支持显卡和硬盘,没有一般的基本'输入输出'功能.
而在MIPS中就很不一样了,IO一般是memory map的,map到哪里就倚赖具体平台了.而PCI设备的地址空间和CPU所见的物理内存地址空间往往也不一样 (bus address & physical address).所以mips kernel的iob/outb,以及bus_to_virt/virt_to_bus,phys_to_virt/virt_to_phys,
ioremap等就要小心考虑.
PCI配置空间的读写和地址空间映射的处理通常都是每个平台不一样的.因为缺乏统一接口的BIOS,内核经常要自己做PCI设备的枚举,空间分配,中断分配.

* 中断系统.
PC中中断控制器先是有8259,后来是apic,而cpu的中断处理386之后好像 也变化不大,相对统一. mips CPU的中断处理方式倒是比较一致,但是主板上的控制器就乱七八糟了怎么鉴别中断源,怎么编程控制器等任务就得各自实现了.总的说来,MIPS CPU的中断处理方式体现了RISC的特点:软件做事多,硬件尽量精简.

* 存储管理.
MIPS 是典型的RISC结构,它的存储管理单元做的事情比象x86这种机器少得多.例如,它的tlb是软件管理的,cache常常是需要系统程序干预的.而且,过多的CPU和主板变种使得这一部分非常复杂,容易出错.
存储管理的代码主要在include/asm-mips和arch/mips/mm/目录下.

* 其它.
如时间处理,r4k以上的MIPS CPU提供count/compare寄存器,每隔几拍count增加,到和compare相等时发生时钟中断,这可以用来提供系统的时钟中断. 但很多板子自己也提供其它的可编程时钟源.具体用什么就取决于开发者了.
init_arch后是loadmmu,初始化cache/tlb.代码在arch/mips/mm里.有人可能会问,在cache和tlb之前CPU怎么工作的?
在x86里有实模式,而MIPS没有,但它的地址空间是特殊的,分成几个不同的区域, 每个区域中的地址在CPU里的待遇是不一样的,系统刚上电时CPU从地址bfc00000开始,那里的地址既不用tlb也不用cache,所以CPU能工作而不管cache和tlb是什么样子.
当然,这样子效率是很低的,所以CPU很快就开始进行loadmmu. 因为MIPSCPU变种繁多,所以代码又臭又长.
主要不外是检测cache大小,选择相应的ache/tlb flush过程,还有一些memcpy/memset等的高效实现.
这里还很容易出微妙的错误,软件管理tlb或者cache都不简单,要保证效率又要保证正确.在开发初期常常先关掉CPU的cache以便排除cache问题.
MMU初始化后,系统就直接跳转到init/main.c中的start_kernel,很快吧? 不过别高兴,start_kernel虚晃一枪,又回到arch/mips/kernel/setup.c,调用setup_arch,这回就是完成上面说的各平台相关的初始化了.
平台相关的初始化完成之后,mips内核和其它平台的内核区别就不大了,但也还有不少问题需要关注.如许多驱动程序可能因为倚赖x86的特殊属性(如IO端口,自动的cache一致性维护,显卡初始化等)而不能直接在MIPS下工作.