本文通過整理之前研發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目(ARM7TDMI +uCLinux)，分析內(nèi)核啟動(dòng)過程及需要修改的文件，以供內(nèi)核移植者參考。整理過程中也同時(shí)參考了眾多網(wǎng)友的帖子，在此謝過。由于整理過程匆忙，難免錯(cuò)誤及講解的不夠清楚之處，請(qǐng)各位網(wǎng)友指正，這里提前謝過。本文分以下部分進(jìn)行介紹：
1. Bootloader及內(nèi)核解壓
2. 內(nèi)核啟動(dòng)方式介紹
3. 內(nèi)核啟動(dòng)地址的確定
4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S分析
5. start_kernel()函數(shù)分析
1. Bootloader及內(nèi)核解壓
Bootloader將內(nèi)核加載到內(nèi)存中，設(shè)定一些寄存器，然后將控制權(quán)交由內(nèi)核，該過程中，關(guān)閉MMU功能。通常，內(nèi)核都是以壓縮的方式存放，如zImage，這里有兩種解壓方法：
使用內(nèi)核自解壓程序。
arch/arm/boot/compressed/head.S或arch/arm/boot/compressed/head-xxxxx.S
arch/arm/boot/compressed/misc.c
在Bootloader中增加解壓功能。
使用該方法時(shí)內(nèi)核不需要帶有自解壓功能，而使用Bootloader中的解壓程序代替內(nèi)核自解壓程序。其工作過程與內(nèi)核自解壓過程相似：Bootloader把壓縮方式的內(nèi)核解壓到內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口處開始執(zhí)行。
2. 幾種內(nèi)核啟動(dòng)方式介紹
XIP (EXECUTE IN PLACE) 是指直接從存放代碼的位置上啟動(dòng)運(yùn)行。
2.1 非壓縮，非XIP
非XIP方式是指在運(yùn)行之前需對(duì)代碼進(jìn)行重定位。該類型的內(nèi)核以非壓縮方式存放在Flash中，啟動(dòng)時(shí)由Bootloader加載到內(nèi)存后運(yùn)行。
2.2 非壓縮，XIP
該類型的內(nèi)核以非壓縮格式存放在ROM/Flash中，不需要加載到內(nèi)存就能運(yùn)行，Bootloader直接跳轉(zhuǎn)到其存放地址執(zhí)行。Data段復(fù)制和BSS段清零的工作由內(nèi)核自己完成。這種啟動(dòng)方式常用于內(nèi)存空間有限的系統(tǒng)中，另外，程序在ROM/Flash中運(yùn)行的速度相對(duì)較慢。
2.3 RAM自解壓
壓縮格式的內(nèi)核由開頭一段自解壓代碼和壓縮內(nèi)核數(shù)據(jù)組成，由于以壓縮格式存放，內(nèi)核只能以非XIP方式運(yùn)行。RAM自解壓過程如下：壓縮內(nèi)核存放于ROM/Flash中，Bootloader啟動(dòng)后加載到內(nèi)存中的臨時(shí)空間，然后跳轉(zhuǎn)到壓縮內(nèi)核入口地址執(zhí)行自解壓代碼，內(nèi)核被解壓到最終的目的地址然后運(yùn)行。壓縮內(nèi)核所占據(jù)的臨時(shí)空間隨后被Linux回收利用。這種方式的內(nèi)核在嵌入式產(chǎn)品中較為常見。
2.4 ROM自解壓
解壓縮代碼也能夠以XIP的方式在ROM/Flash中運(yùn)行。ROM自解壓過程如下：壓縮內(nèi)核存放在ROM/Flash中，不需要加載到內(nèi)存就能運(yùn)行，Bootloader直接跳轉(zhuǎn)到其存放地址執(zhí)行其自解壓代碼，將壓縮內(nèi)核解壓到最終的目的地址并運(yùn)行。ROM自解壓方式存放的內(nèi)核解壓縮速度慢，而且也不能節(jié)省內(nèi)存空間。
3. 內(nèi)核啟動(dòng)地址的確定
內(nèi)核自解壓方式
Head.S/head-XXX.S獲得內(nèi)核解壓后首地址ZREALADDR，然后解壓內(nèi)核，并把解壓后的內(nèi)核放在ZREALADDR的位置上，最后跳轉(zhuǎn)到ZREALADDR地址上，開始真正的內(nèi)核啟動(dòng)。
arch/armnommu/boot/Makefile，定義ZRELADDR和ZTEXTADDR。ZTEXTADDR是自解壓代碼的起始地址，如果從內(nèi)存啟動(dòng)內(nèi)核，設(shè)置為0即可，如果從Rom/Flash啟動(dòng)，則設(shè)置ZTEXTADDR為相應(yīng)的值。ZRELADDR是內(nèi)核解壓縮后的執(zhí)行地址。
arch/armnommu/boot/compressed/vmlinux.ld,引用LOAD_ADDR和TEXT_START。
arch/armnommu/boot/compressed/Makefile, 通過如下一行：
SEDFLAGS = s/TEXT_START/$(ZTEXTADDR)/;s/LOAD_ADDR/$(ZRELADDR)/;
使得TEXT_START = ZTEXTADDR，LOAD_ADDR = ZRELADDR。
說明：
執(zhí)行完decompress_kernel函數(shù)后,代碼跳回head.S/head-XXX.S中,檢查解壓縮之后的kernel起始地址是否緊挨著kernel image。如果是,beqcall_kernel,執(zhí)行解壓后的kernel。如果解壓縮之后的kernel起始地址不是緊挨著kernelimage,則執(zhí)行relocate,將其拷貝到緊接著kernel image的地方,然后跳轉(zhuǎn),執(zhí)行解壓后的kernel。
Bootloader解壓方式
Bootloader把解壓后的內(nèi)核放在內(nèi)存的TEXTADDR位置上，然后跳轉(zhuǎn)到TEXTADDR位置上，開始內(nèi)核啟動(dòng)。
arch/armnommu/Makefile，一般設(shè)置TEXTADDR為PAGE_OFF+0x8000，如定義為0x00008000, 0xC0008000等。
arch/armnommu/vmlinux.lds，引用TEXTADDR
4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S
該文件是內(nèi)核最先執(zhí)行的一個(gè)文件，包括內(nèi)核入口ENTRY(stext)到start_kernel間的初始化代碼，主要作用是檢查CPUID，Architecture Type，初始化BSS等操作，并跳到start_kernel函數(shù)。在執(zhí)行前，處理器應(yīng)滿足以下狀態(tài)：
r0 - should be 0
r1 - unique architecture number
MMU - off
I-cache - on or off
D-cache – off
/* 部分源代碼分析 */
/* 內(nèi)核入口點(diǎn) */
ENTRY(stext)
/* 程序狀態(tài)，禁止FIQ、IRQ，設(shè)定SVC模式 */
mov r0, #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC@ make sure svc mode
/* 置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 */
msr cpsr_c, r0 @ and all irqs disabled
/* 判斷CPU類型，查找運(yùn)行的CPU ID值與Linux編譯支持的ID值是否支持 */
bl __lookup_processor_type
/* 跳到__error */
teq r10, #0 @ invalid processor?
moveq r0, #'p' @ yes, error 'p'
beq __error
/* 判斷體系類型，查看R1寄存器的Architecture Type值是否支持 */
bl __lookup_architecture_type
/* 不支持，跳到出錯(cuò) */
teq r7, #0 @ invalid architecture?
moveq r0, #'a' @ yes, error 'a'
beq __error
/* 創(chuàng)建核心頁(yè)表 */
bl __create_page_tables
adr lr, __ret @ return address
add pc, r10, #12 @ initialise processor
/* 跳轉(zhuǎn)到start_kernel函數(shù) */
b start_kernel
__lookup_processor_type這個(gè)函數(shù)根據(jù)芯片的ID從proc.info獲取proc_info_list結(jié)構(gòu)，proc_info_list結(jié)構(gòu)定義在include/asm-armnommu/proginfo.h中，該結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)定義在arch/armnommu/mm/proc-arm*.S文件中，ARM7TDMI系列芯片的proc_info_list數(shù)據(jù)定義在arch/armnommu/mm/proc-arm6,7.S文件中。函數(shù)__lookup_architecture_type從arch.info獲取machine_desc結(jié)構(gòu)，machine_desc結(jié)構(gòu)定義在include/asm-armnommu/mach/arch.h中，針對(duì)不同arch的數(shù)據(jù)定義在arch/armnommu/mach-*/arch.c文件中。
在這里如果知道processor_type和architecture_type,可以直接對(duì)相應(yīng)寄存器進(jìn)行賦值。
5. start_kernel()函數(shù)分析
下面對(duì)start_kernel()函數(shù)及其相關(guān)函數(shù)進(jìn)行分析。
5.1 lock_kernel()
/* Getting the big kernel lock.
* This cannot happen asynchronously,
* so we only need to worry about other
* CPU's.
*/
extern __inline__ void lock_kernel(void)
{
if (!++current->lock_depth)
spin_lock(&kernel_flag);
}
kernel_flag是一個(gè)內(nèi)核大自旋鎖，所有進(jìn)程都通過這個(gè)大鎖來實(shí)現(xiàn)向內(nèi)核態(tài)的遷移。只有獲得這個(gè)大自旋鎖的處理器可以進(jìn)入內(nèi)核，如中斷處理程序等。在任何一對(duì)lock_kernel／unlock_kernel函數(shù)里至多可以有一個(gè)程序占用CPU。進(jìn)程的lock_depth成員初始化為-1，在kerenl/fork.c文件中設(shè)置。在它小于0時(shí)（恒為-1），進(jìn)程不擁有內(nèi)核鎖；當(dāng)大于或等于0時(shí)，進(jìn)程得到內(nèi)核鎖。
5.2 setup_arch()
setup_arch()函數(shù)做體系相關(guān)的初始化工作，函數(shù)的定義在arch/armnommu/kernel/setup.c文件中，主要涉及下列主要函數(shù)及代碼。
5.2.1 setup_processor()
該函數(shù)主要通過
for (list = &__proc_info_begin; list < &__proc_info_end ; list++)
if ((processor_id & list->cpu_mask) == list->cpu_val)
break;
這樣一個(gè)循環(huán)來在.proc.info段中尋找匹配的processor_id，processor_id在head_armv.S文件
中設(shè)置。
5.2.2 setup_architecture(machine_arch_type)
該函數(shù)獲得體系結(jié)構(gòu)的信息，返回mach-xxx/arch.c 文件中定義的machine結(jié)構(gòu)體的指針，包含以下內(nèi)容：
MACHINE_START (xxx, “xxx”)
MAINTAINER ("xxx")
BOOT_MEM (xxx, xxx, xxx)
FIXUP (xxx)
MAPIO (xxx)
INITIRQ (xxx)
MACHINE_END
5.2.3內(nèi)存設(shè)置代碼
if (meminfo.nr_banks == 0)
{
meminfo.nr_banks = 1;
meminfo.bank[0].start = PHYS_OFFSET;
meminfo.bank[0].size = MEM_SIZE;
}
meminfo結(jié)構(gòu)表明內(nèi)存情況，是對(duì)物理內(nèi)存結(jié)構(gòu)meminfo的默認(rèn)初始化。nr_banks指定內(nèi)存塊的數(shù)量，bank指定每塊內(nèi)存的范圍，PHYS_OFFSET指定某塊內(nèi)存塊的開始地址，MEM_SIZE指定某塊內(nèi)存塊長(zhǎng)度。PHYS_OFFSET和MEM_SIZE都定義在include/asm-armnommu/arch-XXX/memory.h文件中，其中PHYS_OFFSET是內(nèi)存的開始地址，MEM_SIZE就是內(nèi)存的結(jié)束地址。這個(gè)結(jié)構(gòu)在接下來內(nèi)存的初始化代碼中起重要作用。
5.2.4 內(nèi)核內(nèi)存空間管理
init_mm.start_code = (unsigned long) &_text; 內(nèi)核代碼段開始
init_mm.end_code = (unsigned long) &_etext; 內(nèi)核代碼段結(jié)束
init_mm.end_data = (unsigned long) &_edata; 內(nèi)核數(shù)據(jù)段開始
init_mm.brk = (unsigned long) &_end; 內(nèi)核數(shù)據(jù)段結(jié)束
每一個(gè)任務(wù)都有一個(gè)mm_struct結(jié)構(gòu)管理其內(nèi)存空間，init_mm 是內(nèi)核的mm_struct。其中設(shè)置成員變量* mmap指向自己， 意味著內(nèi)核只有一個(gè)內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)，設(shè)置 pgd=swapper_pg_dir，
swapper_pg_dir是內(nèi)核的頁(yè)目錄，ARM體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)核頁(yè)目錄大小定義為16k。init_mm定義了整個(gè)內(nèi)核的內(nèi)存空間，內(nèi)核線程屬于內(nèi)核代碼，同樣使用內(nèi)核空間，其訪問內(nèi)存空間的權(quán)限與內(nèi)核一樣。
5.2.5 內(nèi)存結(jié)構(gòu)初始化
bootmem_init(&meminfo)函數(shù)根據(jù)meminfo進(jìn)行內(nèi)存結(jié)構(gòu)初始化。bootmem_init(&meminfo)函數(shù)中調(diào)用reserve_node_zero(bootmap_pfn, bootmap_pages)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)的作用是保留一部分內(nèi)存使之不能被動(dòng)態(tài)分配。這些內(nèi)存塊包括：
reserve_bootmem_node(pgdat, __pa(&_stext), &_end - &_stext); /*內(nèi)核所占用地址空間*/
reserve_bootmem_node(pgdat, bootmap_pfn<
5.2.6 paging_init(&meminfo, mdesc)
創(chuàng)建內(nèi)核頁(yè)表，映射所有物理內(nèi)存和IO空間，對(duì)于不同的處理器，該函數(shù)差別比較大。下面簡(jiǎn)單描述一下ARM體系結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)及MMU相關(guān)的概念。
在ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)中，使用內(nèi)存管理單元(MMU)實(shí)現(xiàn)虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射。利用MMU，可把SDRAM的地址完全映射到0x0起始的一片連續(xù)地址空間，而把原來占據(jù)這片空間的FLASH或者ROM映射到其他不相沖突的存儲(chǔ)空間位置。例如，F(xiàn)LASH的地址從0x00000000～0x00FFFFFF，而SDRAM的地址范圍是0x3000 0000～0x3lFFFFFF，則可把SDRAM地址映射為0x00000000～0xlFFFFFF，而FLASH的地址可以映射到0x90000000～0x90FFFFFF(此處地址空間為空閑，未被占用)。映射完成后，如果處理器發(fā)生異常，假設(shè)依然為IRQ中斷，PC指針指向0xl8處的地址，而這個(gè)時(shí)候PC實(shí)際上是從位于物理地址的0x30000018處讀取指令。通過MMU的映射，則可實(shí)現(xiàn)程序完全運(yùn)行在SDRAM之中。在實(shí)際的應(yīng)用中．可能會(huì)把兩片不連續(xù)的物理地址空間分配給SDRAM。而在操作系統(tǒng)中，習(xí)慣于把SDRAM的空間連續(xù)起來，方便內(nèi)存管理，且應(yīng)用程序申請(qǐng)大塊的內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核也可方便地分配。通過MMU可實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的物理地址空間映射為連續(xù)的虛擬地址空間。操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些比較關(guān)鍵的代碼，一般是不希望被用戶應(yīng)用程序訪問。通過MMU可以控制地址空間的訪問權(quán)限，從而保護(hù)這些代碼不被破壞。
MMU的實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)際上就是一個(gè)查表映射的過程。建立頁(yè)表是實(shí)現(xiàn)MMU功能不可缺少的一步。頁(yè)表位于系統(tǒng)的內(nèi)存中，頁(yè)表的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)虛擬地址到物理地址的映射。每一項(xiàng)的長(zhǎng)度即是一個(gè)字的長(zhǎng)度(在ARM中，一個(gè)字的長(zhǎng)度被定義為4Bytes)。頁(yè)表項(xiàng)除完成虛擬地址到物理地址的映射功能之外，還定義了訪問權(quán)限和緩沖特性等。
MMU的映射分為兩種，一級(jí)頁(yè)表的變換和二級(jí)頁(yè)表變換。兩者的不同之處就是實(shí)現(xiàn)的變換地址空間大小不同。一級(jí)頁(yè)表變換支持1 M大小的存儲(chǔ)空間的映射，而二級(jí)可以支持64 kB，4 kB和1 kB大小地址空間的映射。
動(dòng)態(tài)表(頁(yè)表)的大?。奖眄?xiàng)數(shù)＊每個(gè)表項(xiàng)所需的位數(shù)，即為整個(gè)內(nèi)存空間建立索引表時(shí)，需要多大空間存放索引表本身。
表項(xiàng)數(shù)＝虛擬地址空間/每頁(yè)大小
每個(gè)表項(xiàng)所需的位數(shù)＝Log(實(shí)際頁(yè)表數(shù))+適當(dāng)控制位數(shù)
實(shí)際頁(yè)表數(shù) ＝物理地址空間/每頁(yè)大小
--------------------------------------------------------------------------------
Send_linux 回復(fù)于：2007-03-06 15:44:27
下面分析paging_init（）函數(shù)的代碼。
在paging_init中分配起始頁(yè)（即第0頁(yè)）地址：
zero_page = 0xCXXXXXXX
memtable_init(mi); 如果當(dāng)前微處理器帶有MMU，則為系統(tǒng)內(nèi)存創(chuàng)建頁(yè)表；如果當(dāng)前微處理器不支持MMU，比如ARM7TDMI上移植uCLinux操作系統(tǒng)時(shí)，則不需要此類步驟?？梢酝ㄟ^如下一個(gè)宏定義實(shí)現(xiàn)靈活控制，對(duì)于帶有MMU的微處理器而言，memtable_init(mi)是paging_init()中最重要的函數(shù)。
#ifndef CONFIG_UCLINUX
/* initialise the page tables. */
memtable_init(mi);
……（此處省略若干代碼）
free_area_init_node(node, pgdat, 0, zone_size,
bdata->node_boot_start, zhole_size);
}
#else /* 針對(duì)不帶MMU微處理器 */
{
/*****************************************************/
定義物理內(nèi)存區(qū)域管理
/*****************************************************/
unsigned long zone_size[MAX_NR_ZONES] = {0,0,0};
zone_size[ZONE_DMA] = 0;
zone_size[ZONE_NORMAL] = (END_MEM - PAGE_OFFSET) >> PAGE_SHIFT;
free_area_init_node(0, NULL, NULL, zone_size, PAGE_OFFSET, NULL);
}
#endif
uCLinux與其它嵌入式Linux最大的區(qū)別就是MMU管理這一塊，從上面代碼就明顯可以看到這點(diǎn)區(qū)別。下面繼續(xù)討論針對(duì)帶MMU的微處理器的內(nèi)存管理。
void __init memtable_init(struct meminfo *mi)
{
struct map_desc *init_maps, *p, *q;
unsigned long address = 0;
int i;
init_maps = p = alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);
/*******************************************************/
其中map_desc定義為：
struct map_desc {
unsigned long virtual;
unsigned long physical;
unsigned long length;
int domain:4, // 頁(yè)表的domain
prot_read:1, // 讀保護(hù)標(biāo)志
prot_write:1, // 寫保護(hù)標(biāo)志
cacheable:1, // 是否使用cache
bufferable:1, // 是否使用write buffer
last:1; //空
};init_maps /* map_desc是區(qū)段及其屬性的定義 */
下面代碼對(duì)meminfo的區(qū)段進(jìn)行遍歷，在嵌入式系統(tǒng)中列舉所有可映射的內(nèi)存，例如32M SDRAM, 4M FLASH等，用meminfo記錄這些內(nèi)存區(qū)段。同時(shí)填寫init_maps 中的各項(xiàng)內(nèi)容。meminfo結(jié)構(gòu)如下：
struct meminfo {
int nr_banks;
unsigned long end;
struct {
unsigned long start;
unsigned long size;
int node;
} bank[NR_BANKS];
};
/********************************************************/
for (i = 0; i < mi->nr_banks; i++)
{
if (mi->bank.size == 0)
continue;
p->physical = mi->bank.start;
p->virtual = __phys_to_virt(p->physical);
p->length = mi->bank.size;
p->domain = DOMAIN_KERNEL;
p->prot_read = 0;
p->prot_write = 1;
p->cacheable = 1; //使用Cache
p->bufferable = 1; //使用write buffer
p ++; //下一個(gè)區(qū)段
}
/* 如果系統(tǒng)存在FLASH,執(zhí)行以下代碼 */
#ifdef FLUSH_BASE
p->physical = FLUSH_BASE_PHYS;
p->virtual = FLUSH_BASE;
p->length = PGDIR_SIZE;
p->domain = DOMAIN_KERNEL;
p->prot_read = 1;
p->prot_write = 0;
p->cacheable = 1;
p->bufferable = 1;
p ++;
#endif
/***********************************************************/
接下來的代碼是逐個(gè)區(qū)段建立頁(yè)表
/***********************************************************/
q = init_maps;
do {
if (address < q->virtual || q == p) {
/*******************************************************************************/
由于內(nèi)核空間是從某個(gè)地址開始，如0xC0000000，所以0xC000 0000 以前的頁(yè)表項(xiàng)全部清空
clear_mapping在mm-armv.c中定義，其中clear_mapping()是個(gè)宏，根據(jù)處理器的不同，可以被展開為如下代碼
cpu_XXX_set_pmd(((pmd_t *)(((&init_mm )->pgd+ (( virt) >> 20 )))),((pmd_t){( 0 )}));
其中init_mm為內(nèi)核的mm_struct，pgd指向 swapper_pg_dir，在arch/arm/kernel/init_task.c中定義。cpu_XXX_set_pmd定義在 proc_armXXX.S文件中，參見ENTRY(cpu_XXX_set_pmd) 處代碼。
/*********************************************************************************/
clear_mapping(address);
/* 每個(gè)表項(xiàng)增加1M */
address += PGDIR_SIZE;
} else {
/* 構(gòu)建內(nèi)存頁(yè)表 */
create_mapping(q);
address = q->virtual + q->length;
address = (address + PGDIR_SIZE - 1) & PGDIR_MASK;
q ++;
}
} while (address != 0);
/ * create_mapping函數(shù)也在mm-armv.c中定義 */
static void __init create_mapping(struct map_desc *md)
{
unsigned long virt, length;
int prot_sect, prot_pte;
long off;
/*******************************************************************************/
大部分應(yīng)用中均采用1級(jí)section模式的地址映射，一個(gè)section的大小為1M，也就是說從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)變是這樣的一個(gè)過程：
一個(gè)32位的地址，高12位決定了該地址在頁(yè)表中的index，這個(gè)index的內(nèi)容決定了該邏輯section對(duì)應(yīng)的物理section；低20位決定了該地址在section中的偏移（index）。例如：從0x0～0xFFFFFFFF的地址空間總共可以分成0x1000（4K）個(gè) section（每個(gè)section大小為1M），頁(yè)表中每項(xiàng)的大小為32個(gè)bit，因此頁(yè)表的大小為0x4000（16K）。
每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)的內(nèi)容如下:
bit: 31 20 19 12 11 10 9 8 5 4 3 2 1 0
content: Section對(duì)應(yīng)的物理地址 NULL AP 0 Domain 1 C B 1 0
最低兩位（10）是section分頁(yè)的標(biāo)識(shí)。
AP：Access Permission，區(qū)分只讀、讀寫、SVC＆其它模式。
Domain：每個(gè)section都屬于某個(gè)Domain，每個(gè)Domain的屬性由寄存器控制。一般都只要包含兩個(gè)Domain，一個(gè)可訪問地址空間； 另一個(gè)不可訪問地址空間。
C、B：這兩位決定了該section的cache＆write buffer屬性，這與該段的用途(RO or RW)有密切關(guān)系。不同的用途要做不同的設(shè)置。
C B 具體含義
0 0 無cache，無寫緩沖，任何對(duì)memory的讀寫都反映到總線上。對(duì) memory 的操作過程中CPU需要等待。
0 1 無cache，有寫緩沖，讀操作直接反映到總線上。寫操作CPU將數(shù)據(jù)寫入到寫緩沖后繼續(xù)運(yùn)行，由寫緩沖進(jìn)行寫回操作。
1 0 有cache，寫通模式，讀操作首先考慮cache hit；寫操作時(shí)直接將數(shù)據(jù)寫入寫緩沖，如果同時(shí)出現(xiàn)cache hit，那么也更新cache。
1 1 有cache，寫回模式，讀操作首先考慮cache hit；寫操作也首先考慮cache hit。
由于ARM中section表項(xiàng)的權(quán)限位和page表項(xiàng)的位置不同， 以下代碼根據(jù)struct map_desc 中的保護(hù)標(biāo)志，分別計(jì)算頁(yè)表項(xiàng)中的AP, Domain和CB標(biāo)志位。
/*******************************************************************************/
prot_pte = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY |
(md->prot_read ? L_PTE_USER : 0) |
(md->prot_write ? L_PTE_WRITE : 0) |
(md->cacheable ? L_PTE_CACHEABLE : 0) |
(md->bufferable ? L_PTE_BUFFERABLE : 0);
prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_DOMAIN(md->domain) |
(md->prot_read ? PMD_SECT_AP_READ : 0) |
(md->prot_write ? PMD_SECT_AP_WRITE : 0) |
(md->cacheable ? PMD_SECT_CACHEABLE : 0) |
(md->bufferable ? PMD_SECT_BUFFERABLE : 0);
/********************************************************************/
設(shè)置虛擬地址，偏移地址和內(nèi)存length
/********************************************************************/
virt = md->virtual;
off = md->physical - virt;
length = md->length;
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Send_linux 回復(fù)于：2007-03-06 15:45:16
/********************************************************************/
建立虛擬地址到物理地址的映射
/********************************************************************/
while ((virt & 0xfffff || (virt + off) & 0xfffff) && length >= PAGE_SIZE) {
alloc_init_page(virt, virt + off, md->domain, prot_pte);
virt += PAGE_SIZE;
length -= PAGE_SIZE;
}
while (length >= PGDIR_SIZE) {
alloc_init_section(virt, virt + off, prot_sect);
virt += PGDIR_SIZE;
length -= PGDIR_SIZE;
}
while (length >= PAGE_SIZE) {
alloc_init_page(virt, virt + off, md->domain, prot_pte);
virt += PAGE_SIZE;
length -= PAGE_SIZE;
}
/*************************************************************************/
create_mapping的作用是設(shè)置虛地址virt 到物理地址virt + off_set的映射頁(yè)目錄和頁(yè)表。
/*************************************************************************/
/* 映射中斷向量表區(qū)域 */
init_maps->physical = virt_to_phys(init_maps);
init_maps->virtual = vectors_base();
init_maps->length = PAGE_SIZE;
init_maps->domain = DOMAIN_USER;
init_maps->prot_read = 0;
init_maps->prot_write = 0;
init_maps->cacheable = 1;
init_maps->bufferable = 0;
create_mapping(init_maps);
中斷向量表的虛地址init_maps，是用alloc_bootmem_low_pages分配的，通常是在PAGE_OFF+0x8000前面的某一頁(yè)，vectors_base()是個(gè)宏，ARM規(guī)定中斷向量表的地址只能是0或0xFFFF0000，所以上述代碼映射一頁(yè)到0或0xFFFF0000，中斷處理程序中的部分代碼也被拷貝到這一頁(yè)中。
5.3 parse_options()
分析由內(nèi)核引導(dǎo)程序發(fā)送給內(nèi)核的啟動(dòng)選項(xiàng)，在初始化過程中按照某些選項(xiàng)運(yùn)行，并將剩余部分傳送給init進(jìn)程。這些選項(xiàng)可能已經(jīng)存儲(chǔ)在配置文件中，也可能是由用戶在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)敲入的。但內(nèi)核并不關(guān)心這些，這些細(xì)節(jié)都是內(nèi)核引導(dǎo)程序關(guān)注的內(nèi)容，嵌入式系統(tǒng)更是如此。
5.4 trap_init()
這個(gè)函數(shù)用來做體系相關(guān)的中斷處理的初始化，在該函數(shù)中調(diào)用__trap_init((void*)vectors_base())函數(shù)將exceptionvector設(shè)置到vectors_base開始的地址上。__trap_init函數(shù)位于entry-armv.S文件中，對(duì)于ARM處理器，共有復(fù)位、未定義指令、SWI、預(yù)取終止、數(shù)據(jù)終止、IRQ和FIQ幾種方式。SWI主要用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，而產(chǎn)生了IRQ之后，通過exceptionvector進(jìn)入中斷處理過程，執(zhí)行do_IRQ函數(shù)。
armnommu的trap_init（）函數(shù)在arch/armnommu/kernel/traps.c文件中。vectors_base是寫中斷向量的開始地址，在include/asm-armnommu/proc-armv/system.h文件中設(shè)置，地址為0或0XFFFF0000。
ENTRY(__trap_init)
stmfd sp!, {r4 - r6, lr}
mrs r1, cpsr @ code from 2.0.38
bic r1, r1, #MODE_MASK @ clear mode bits /* 設(shè)置svc模式，disable IRQ,FIQ */
orr r1, r1, #I_BIT|F_BIT|MODE_SVC @ set SVC mode, disable IRQ,FIQ
msr cpsr, r1
adr r1, .LCvectors @ set up the vectors
ldmia r1, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, lr}
stmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, lr} /* 拷貝異常向量 */
add r2, r0, #0x200
adr r0, __stubs_start @ copy stubs to 0x200
adr r1, __stubs_end
1: ldr r3, [r0], #4
str r3, [r2], #4
cmp r0, r1
blt 1b
LOADREGS(fd, sp!, {r4 - r6, pc})
__stubs_start到__stubs_end的地址中包含了異常處理的代碼，因此拷貝到vectors_base+0x200的位置上。
5.5 init_IRQ()
void __init init_IRQ(void)
{
extern void init_dma(void);
int irq;
for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++) {
irq_desc[irq].probe_ok = 0;
irq_desc[irq].valid = 0;
irq_desc[irq].noautoenable = 0;
irq_desc[irq].mask_ack = dummy_mask_unmask_irq;
irq_desc[irq].mask = dummy_mask_unmask_irq;
irq_desc[irq].unmask = dummy_mask_unmask_irq;
}
CSR_WRITE(AIC_MDCR, 0x7FFFE); /* disable all interrupts */
CSR_WRITE(CAHCNF,0x0);/*Close Cache*/
CSR_WRITE(CAHCON,0x87);/*Flush Cache*/
while(CSR_READ(CAHCON)!=0);
CSR_WRITE(CAHCNF,0x7);/*Open Cache*/
init_arch_irq();
init_dma();
}
這個(gè)函數(shù)用來做體系相關(guān)的irq處理的初始化，irq_desc數(shù)組是用來描述IRQ的請(qǐng)求隊(duì)列，每一個(gè)中斷號(hào)分配一個(gè)irq_desc結(jié)構(gòu)，組成了一個(gè)數(shù)組。NR_IRQS代表中斷數(shù)目，這里只是對(duì)中斷結(jié)構(gòu)irq_desc進(jìn)行了初始化。在默認(rèn)的初始化完成后調(diào)用初始化函數(shù)init_arch_irq，先執(zhí)行arch/armnommu/kernel/irq-arch.c文件中的函數(shù)genarch_init_irq()，然后就執(zhí)行include/asm-armnommu/arch-xxxx/irq.h中的inline函數(shù)irq_init_irq，在這里對(duì)irq_desc進(jìn)行了實(shí)質(zhì)的初始化。其中mask用阻塞中斷；unmask用來取消阻塞；mask_ack的作用是阻塞中斷，同時(shí)還回應(yīng)ack給硬件表示這個(gè)中斷已經(jīng)被處理了，否則硬件將再次發(fā)生同一個(gè)中斷。這里，不是所有硬件需要這個(gè)ack回應(yīng)，所以很多時(shí)候mask_ack與mask用的是同一個(gè)函數(shù)。
接下來執(zhí)行init_dma（）函數(shù)，如果不支持DMA，可以設(shè)置include/asm-armnommu/arch-xxxx/dma.h中的MAX_DMA_CHANNELS為0，這樣在arch/armnommu/kernel/dma.c文件中會(huì)根據(jù)這個(gè)定義使用不同的函數(shù)。
5.6 sched_init()
初始化系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)程，主要對(duì)定時(shí)器機(jī)制和時(shí)鐘中斷的BottomHalf的初始化函數(shù)進(jìn)行設(shè)置。與時(shí)間相關(guān)的初始化過程主要有兩步：（1）調(diào)用init_timervecs()函數(shù)初始化內(nèi)核定時(shí)器機(jī)制；（2）調(diào)用init_bh()函數(shù)將BH向量TIMER_BH、TQUEUE_BH和IMMEDIATE_BH所對(duì)應(yīng)的BH函數(shù)分別設(shè)置成timer_bh()、tqueue_bh()和immediate_bh()函數(shù)
5.7 softirq_init()
內(nèi)核的軟中斷機(jī)制初始化函數(shù)。調(diào)用tasklet_init初始化tasklet_struct結(jié)構(gòu)，軟中斷的個(gè)數(shù)為32個(gè)。用于bh的tasklet_struct結(jié)構(gòu)調(diào)用tasklet_init()以后，它們的函數(shù)指針func全都指向bh_action()。bh_action就是tasklet實(shí)現(xiàn)bh機(jī)制的代碼，但此時(shí)具體的bh函數(shù)還沒有指定。
HI_SOFTIRQ用于實(shí)現(xiàn)bottom half，TASKLET_SOFTIRQ用于公共的tasklet。
open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action, NULL); /* 初始化公共的tasklet_struct要用到的軟中斷 */
open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action, NULL); /* 初始化tasklet_struct實(shí)現(xiàn)的bottom half調(diào)用 */
這里順便講一下軟中斷的執(zhí)行函數(shù)do_softirq()。
軟中斷服務(wù)不允許在一個(gè)硬中斷服務(wù)程序內(nèi)部執(zhí)行，也不允許在一個(gè)軟中斷服務(wù)程序內(nèi)部執(zhí)行，所以通過in_interrupt()加以檢查。h->action 就是串行化執(zhí)行軟中斷，當(dāng)bh 的tasklet_struct鏈入的時(shí)候，就能在這里執(zhí)行，在bh里重新鎖定了所有CPU，導(dǎo)致一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)CPU可以執(zhí)行bh函數(shù)，但是do_softirq()是可以在多CPU上同時(shí)執(zhí)行的。而每個(gè)tasklet_struct在一個(gè)時(shí)間上是不會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)CPU上的。另外，只有當(dāng)Linux初始化完成開啟中斷后，中斷系統(tǒng)才可以開始工作。
5.8 time_init()
這個(gè)函數(shù)用來做體系相關(guān)的timer的初始化，armnommu的在arch/armnommu/kernel/time.c。這里調(diào)用了在include/asm-armnommu/arch-xxxx/time.h中的inline函數(shù)setup_timer，setup_timer（）函數(shù)的設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，主要是根據(jù)硬件設(shè)計(jì)情況設(shè)置時(shí)鐘中斷號(hào)和時(shí)鐘頻率等。
void __inline__ setup_timer (void)
{
/*----- disable timer -----*/
CSR_WRITE(TCR0, xxx);
CSR_WRITE (AIC_SCR7, xxx); /* setting priority level to high */
/* timer 0: 100 ticks/sec */
CSR_WRITE(TICR0, xxx);
timer_irq.handler = xxxxxx_timer_interrupt;
setup_arm_irq(IRQ_TIMER, &timer_irq); /* IRQ_TIMER is the interrupt number */
INT_ENABLE(IRQ_TIMER);
/* Clear interrupt flag */
CSR_WRITE(TISR, xxx);
/* enable timer */
CSR_WRITE(TCR0, xxx);
}
5.9 console_init()
控制臺(tái)初始化。控制臺(tái)也是一種驅(qū)動(dòng)程序，由于其特殊性，提前到該處完成初始化，主要是為了提前看到輸出信息，據(jù)此判斷內(nèi)核運(yùn)行情況。很多嵌入式Linux操作系統(tǒng)由于沒有在/dev目錄下正確配置console設(shè)備，造成啟動(dòng)時(shí)發(fā)生諸如unable to open an initialconsole的錯(cuò)誤。
/*******************************************************************************/
init_modules()函數(shù)到smp_init()函數(shù)之間的代碼一般不需要作修改，
如果平臺(tái)具有特殊性，也只需對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行必要修改。
這里簡(jiǎn)單注明了一下各個(gè)函數(shù)的功能，以便了解。
/*******************************************************************************/
5.10 init_modules()
模塊初始化。如果編譯內(nèi)核時(shí)使能該選項(xiàng)，則內(nèi)核支持模塊化加載/卸載功能
5.11 kmem_cache_init()
內(nèi)核Cache初始化。
5.12 sti()
使能中斷，這里開始，中斷系統(tǒng)開始正常工作。
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Send_linux 回復(fù)于：2007-03-06 15:46:04
5.13 calibrate_delay()
近似計(jì)算BogoMIPS數(shù)字的內(nèi)核函數(shù)。作為第一次估算，calibrate_delay計(jì)算出在每一秒內(nèi)執(zhí)行多少次__delay循環(huán)，也就是每個(gè)定時(shí)器滴答（timer tick）―百分之一秒內(nèi)延時(shí)循環(huán)可以執(zhí)行多少次。這種計(jì)算只是一種估算，結(jié)果并不能精確到納秒，但這個(gè)數(shù)字供內(nèi)核使用已經(jīng)足夠精確了。
BogoMIPS的數(shù)字由內(nèi)核計(jì)算并在系統(tǒng)初始化的時(shí)候打印。它近似的給出了每秒鐘CPU可以執(zhí)行一個(gè)短延遲循環(huán)的次數(shù)。在內(nèi)核中，這個(gè)結(jié)果主要用于需要等待非常短周期的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序――例如，等待幾微秒并查看設(shè)備的某些信息是否已經(jīng)可用。
計(jì)算一個(gè)定時(shí)器滴答內(nèi)可以執(zhí)行多少次循環(huán)需要在滴答開始時(shí)就開始計(jì)數(shù)，或者應(yīng)該盡可能與它接近。全局變量jiffies中存儲(chǔ)了從內(nèi)核開始保持跟蹤時(shí)間開始到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過的定時(shí)器滴答數(shù)， jiffies保持異步更新，在一個(gè)中斷內(nèi)——每秒一百次，內(nèi)核暫時(shí)掛起正在處理的內(nèi)容，更新變量，然后繼續(xù)剛才的工作。
5.14 mem_init()
內(nèi)存初始化。本函數(shù)通過內(nèi)存碎片的重組等方法標(biāo)記當(dāng)前剩余內(nèi)存, 設(shè)置內(nèi)存上下界和頁(yè)表項(xiàng)初始值。
5.15 kmem_cache_sizes_init()
內(nèi)核內(nèi)存管理器的初始化，也就是初始化cache和SLAB分配機(jī)制。
5.16 pgtable_cache_init()
頁(yè)表cache初始化。
5.17 fork_init()
這里根據(jù)硬件的內(nèi)存情況，如果計(jì)算出的max_threads數(shù)量太大，可以自行定義。
5.18 proc_caches_init();
為proc文件系統(tǒng)創(chuàng)建高速緩沖
5.19 vfs_caches_init(num_physpages);
為VFS創(chuàng)建SLAB高速緩沖
5.20 buffer_init(num_physpages);
初始化buffer
5.21 page_cache_init(num_physpages);
頁(yè)緩沖初始化
5.22 signals_init();
創(chuàng)建信號(hào)隊(duì)列高速緩沖
5.23 proc_root_init();
在內(nèi)存中創(chuàng)建包括根結(jié)點(diǎn)在內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)
5.24 check_bugs();
檢查與處理器相關(guān)的bug
5.25 smp_init();
5.26 rest_init(); 此函數(shù)調(diào)用kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL)函數(shù)。
5.26.1 kernel_thread()函數(shù)分析
這里調(diào)用了arch/armnommu/kernel/process.c中的函數(shù)kernel_thread，kernel_thread函數(shù)中通過 __syscall(clone) 創(chuàng)建新線程。__syscall(clone)函數(shù)參見armnommu/kernel目錄下的entry-common.S文件。
5.26.2 init()完成下列功能：
Init()函數(shù)通過kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL)的回調(diào)函數(shù)執(zhí)行，完成下列功能。
do_basic_setup()
在該函數(shù)里，sock_init()函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的初始化，占用相當(dāng)多的內(nèi)存，如果所開發(fā)系統(tǒng)不支持網(wǎng)絡(luò)功能，可以把該函數(shù)的執(zhí)行注釋掉。
do_initcalls()實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的初始化, 這里需要與vmlinux.lds聯(lián)系起來看才能明白其中奧妙。?
static void __init do_initcalls(void)
{
initcall_t *call;
call = &__initcall_start;
do {
(*call)();
call++;
} while (call < &__initcall_end);
/* Make sure there is no pending stuff from the initcall sequence */
flush_scheduled_tasks();
}
查看 /arch/i386/vmlinux.lds，其中有一段代碼
__initcall_start = .;
.initcall.init : { *(.initcall.init) }
__initcall_end = .;
其含義是__initcall_start指向代碼節(jié).initcall.init的節(jié)首，而__initcall_end指向.initcall.init的節(jié)尾。
do_initcalls所作的是系統(tǒng)中有關(guān)驅(qū)動(dòng)部分的初始化工作，那么這些函數(shù)指針數(shù)據(jù)是怎樣放到了.initcall.init節(jié)呢？在include/linux/init.h文件中有如下3個(gè)定義：
1. #define __init_call __attribute__ ((unused,__section__ (".initcall.init")))
__attribute__的含義就是構(gòu)建一個(gè)在.initcall.init節(jié)的指向初始函數(shù)的指針。
2. #define __initcall(fn) static initcall_t __initcall_##fn __init_call = fn
##意思就是在可變參數(shù)使用宏定義的時(shí)候構(gòu)建一個(gè)變量名稱為所指向的函數(shù)的名稱，并且在前面加上__initcall_
3. #define module_init(x) __initcall(x);
很多驅(qū)動(dòng)中都有類似module_init(usb_init)的代碼，通過該宏定義逐層解釋存放到.initcall.int節(jié)中。
blkmem相關(guān)的修改(do_initcalls()初始化驅(qū)動(dòng)時(shí)執(zhí)行此代碼)
在blkmem_init()函數(shù)中，調(diào)用了blk_init_queue()函數(shù)，blk_init_queue()函數(shù)調(diào)用了 blk_init_free_list()函數(shù)，blk_init_free_list()函數(shù)又調(diào)用了blk_grow_request_list() 函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)中會(huì)kmem_cache_alloc出nr_requests個(gè)request結(jié)構(gòu)體。
這里如果nr_requests的值太大，則將占用過多的內(nèi)存，將造成硬件內(nèi)存不夠，因此可以根據(jù)實(shí)際情況將其替換成了較小的值，比如32、16等。
free_initmem
這個(gè)函數(shù)在arch/armnommu/mm/init.c文件中，其作用就是對(duì)init節(jié)的釋放，也可以通過修改代碼指定為不釋放。
5.26.3 init執(zhí)行過程
在內(nèi)核引導(dǎo)結(jié)束并啟動(dòng)init之后，系統(tǒng)就轉(zhuǎn)入用戶態(tài)的運(yùn)行，在這之后創(chuàng)建的一切進(jìn)程，都是在用戶態(tài)進(jìn)行。這里先要清楚一個(gè)概念：就是init進(jìn)程雖然是從內(nèi)核開始的，即在前面所講的init/main.c中的init()函數(shù)在啟動(dòng)后就已經(jīng)是一個(gè)核心線程，但在轉(zhuǎn)到執(zhí)行init程序（如 /sbin/init）之后，內(nèi)核中的init()就變成了/sbin/init程序，狀態(tài)也轉(zhuǎn)變成了用戶態(tài)，也就是說核心線程變成了一個(gè)普通的進(jìn)程。這樣一來，內(nèi)核中的init函數(shù)實(shí)際上只是用戶態(tài)init進(jìn)程的入口，它在執(zhí)行execve("/sbin/init",argv_init, envp_init)時(shí)改變成為一個(gè)普通的用戶進(jìn)程。這也就是exec函數(shù)的乾坤大挪移法，在exec函數(shù)調(diào)用其他程序時(shí)，當(dāng)前進(jìn)程被其他進(jìn)程“靈魂附體”。
除此之外，它們的代碼來源也有差別，內(nèi)核中的init()函數(shù)的源代碼在/init/main.c中，是內(nèi)核的一部分。而/sbin/init程序的源代碼是應(yīng)用程序。
init程序啟動(dòng)之后，要完成以下任務(wù)：檢查文件系統(tǒng)，啟動(dòng)各種后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程，最后為每個(gè)終端和虛擬控制臺(tái)啟動(dòng)一個(gè)getty進(jìn)程供用戶登錄。由于所有其它用戶進(jìn)程都是由init派生的，因此它又是其它一切用戶進(jìn)程的父進(jìn)程。
init進(jìn)程啟動(dòng)后，按照/etc/inittab的內(nèi)容進(jìn)程系統(tǒng)設(shè)置。很多嵌入式系統(tǒng)用的是BusyBox的init，它與一般所使用的init不一樣，會(huì)先執(zhí)行/etc/init.d/rcS而非/etc/rc.d/rc.sysinit。
小結(jié)：
本想多整理一些相關(guān)資料，無奈又要開始新項(xiàng)目的奔波，start_kernel()函數(shù)也剛好差不多講完了，分析的不是很深入，希望對(duì)嵌入式Linux移植的網(wǎng)友們有一些幫助。最后列舉下面幾處未整理的知識(shí)點(diǎn)，有興趣的網(wǎng)友可作進(jìn)一步探討。
text.init和data.init說明
__init標(biāo)示符在gcc編譯器中指定將該函數(shù)置于內(nèi)核的特定區(qū)域。在內(nèi)核完成自身初始化之后，就試圖釋放這個(gè)特定區(qū)域。實(shí)際上，內(nèi)核中存在兩個(gè)這樣的區(qū)域，.text.init和.data.init――第一個(gè)是代碼初始化使用的，另外一個(gè)是數(shù)據(jù)初始化使用的。另外也可以看到 __initfunc和__initdata標(biāo)志，前者和__init類似，標(biāo)志初始化專用代碼，后者則標(biāo)志初始化專用數(shù)據(jù)。
System.map內(nèi)核符號(hào)表
irq的處理過程
Linux內(nèi)核調(diào)度過程
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