arm-linux源码分析之解压内核映像
http://blog.youkuaiyun.com/BoySKung/archive/2008/12/05/3448083.aspx#
linux-2.6.20.6/arch/arm/boot/compressed/head.S
开头有一段宏定义，我们只看其中一段，分析一下gnu arm汇编的宏定义
#elif defined(CONFIG_ARCH_S3C2410)
.macro loadsp, rb
mov /rb, #0x50000000
add /rb, /rb, #0x4000 * CONFIG_S3C2410_LOWLEVEL_UART_PORT
.endm
#else
这里定义了一个宏，宏名是loadsp，rb是这个宏的参数。宏的参数在被引用时必须加”/”,如：
mov /rb, #0x50000000.
宏定义结束之后定义了一个段，
.section ".start", #alloc, #execinstr
这个段的段名是 .start，#alloc表示Section contains allocated data, #execinstr表示Section contains executable instructions.
/*
* sort out different calling conventions
*/
.align
start:
.type start,#function /*.type指定start这个符号是函数类型*/
.rept 8
mov r0, r0 //将此命令重复8次，相当于nop，这里为什么这样做还不清楚？？
.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, r2 @ save atags pointer
r1和r2中分别存放着由bootloader传递过来的architecture ID和指向标记列表的指针。这里将这两个参数先保存。
#ifndef __ARM_ARCH_2__
/*
* Booting from Angel - need to enter SVC mode and disable
* FIQs/IRQs (numeric definitions from angel arm.h source).
* We only do this if we were in user mode on entry.
*/
读取cpsr并判断是否处理器处于supervisor模式——从u-boot进入kernel，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
Angel 是 ARM 的调试协议,现在用的 MULTI-ICE 用的是 RDI 通讯协议, ANGLE 需要在板子上有 驻留程序,然后通过 串口就可以调试了
这里介绍一下半主机.
半主机是用于 ARM 目标的一种机制，可将来自应用程序代码的输入/输出请求
传送至运行调试器的主机。 例如，使用此机制可以启用 C 库中的函数，如
printf() 和 scanf()，来使用主机的屏幕和键盘，而不是在目标系统上配备屏幕和
键盘。
半主机是通过一组定义好的软件指令（如 swi）来实现的，这些指令通过程序控
制生成异常。 应用程序调用相应的半主机调用，然后调试代理处理该异常。 调
试代理提供与主机之间的必需通信。
mrs r2, cpsr @ get current mode
tst r2, #3 @ not user?
bne not_angel
下面两行实现了在主机和 ARM 目标之间启用调试 I/O 功能，
mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC
swi 0x123456 @ angel_SWI_ARM
0x17是angel_SWIreason_EnterSVC半主机操作，将处理器设置为超级用户模式，通过设置新 CPSR 中的两个中断掩码位来禁用所有中断。0x123456是arm指令集的半主机操作编号
not_angel: //不是通过angel调试进入内核
mrs r2, cpsr @ turn off interrupts to
orr r2, r2, #0xc0 @ prevent angel from running
msr cpsr_c, r2 //这里将cpsr中I、F位分别置“1”，关闭IRQ和FIQ
#else
teqp pc, #0x0c000003 @ turn off interrupts
常用 TEQP PC,#(新模式编号) 来改变模式
#endif
链接器会把一些处理器相关的代码链接到这个位置，也就是arch/arm/boot/compressed/head-xxx.S文件中的代码。在那个文件里会对I/D cache以及MMU进行一些操作
/*
* Note that some cache flushing and other stuff may
* be needed here - is there an Angel SWI call for this?
*/
/*
* some architecture specific code can be inserted
* by the linker here, but it should preserve r7, r8, and r9.
*/
.text
adr r0, LC0 //当前运行时LC0符号所在地址位置
ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}
subs r0, r0, r1 @ calculate the delta offset //这里获得当前运行地址与链接地址
@ if delta is zero, we are //的偏移量，存入r0中。
beq not_relocated @ running at the address we
@ were linked at.
上面这几行代码用于判断代码是否已经重定位到内存中，LC0这个符号在288行定义。
.type LC0, #object
LC0: .word LC0 @ r1 //这个要加载到r1中的LC0是链接时LC0的地址
.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
通过当前运行时LC0的地址与链接器所链接的地址进行比较判断。若相等则是运行在链接的地址上。
如果不是运行在链接的地址上，则下面的代码必须运行
/*
* We're running at a different address. We need to fix
* up various pointers:
* r5 - zImage base address
* r6 - GOT start
* ip - GOT end
*/
add r5, r5, r0 //修改内核映像基地址
add r6, r6, r0
add ip, ip, r0 //修改got表的起始和结束位置
#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM
/*若没有定义CONFIG_ZBOOT_ROM，此时运行的是完全位置无关代码
位置无关代码，也就是不能有绝对地址寻址。所以为了保持相对地址正确，
需要将bss段以及堆栈的地址都进行调整
* 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
add r3, r3, r0
add sp, sp, r0
/*
* Relocate all entries in the GOT table.
*/
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.
cmp r6, ip
blo 1b
#else //若定义了CONFIG_ZBOOT_ROM，只对got表中在bss段以外的符号进行重定位
//为什么要这样做呢？？我也不清楚
/*
* Relocate entries in the GOT table. We only relocate
* the entries that are outside the (relocated) BSS region.
*/
1: ldr r1, [r6, #0] @ relocate entries in the GOT
cmp r1, r2 @ entry < bss_start ||
cmphs r3, r1 @ _end < entry
addlo r1, r1, r0 @ table. This fixes up the
str r1, [r6], #4 @ C references.
cmp r6, ip
blo 1b
#endif
如果运行当前运行地址和链接地址相等，则不需进行重定位。直接清除bss段
not_relocated: mov r0, #0
1: str r0, [r2], #4 @ clear bss
str r0, [r2], #4
str r0, [r2], #4
str r0, [r2], #4
cmp r2, r3
blo 1b
之后跳转到cache_on处
/*
* The C runtime environment should now be setup
* sufficiently. Turn the cache on, set up some
* pointers, and start decompressing.
*/
bl cache_on
cache_on在327行定义
.align 5
cache_on: mov r3, #8 @ cache_on function
b call_cache_fn
把r3的值设为8有什么用呢？下面会看到。这里又跳转到call_cache_fn。这个函数的定义在512行
call_cache_fn: adr r12, proc_types //把proc_types的地址加载到r12中
#ifdef CONFIG_CPU_CP15
mrc p15, 0, r6, c0, c0 @ get processor ID
#else
ldr r6, =CONFIG_PROCESSOR_ID
#endif
1: ldr r1, [r12, #0] @ get value
ldr r2, [r12, #4] @ get mask
eor r1, r1, r6 @ (real ^ match)
tst r1, r2 @ & mask
addeq pc, r12, r3 @ call cache function
add r12, r12, #4*5
b 1b
这一段代码首先获得当前处理器id，然后查proc_types表，也就是处理器类型表与获得的处理器id进行比较，当找到相应的处理器后，就加载对应的cache处理函数。
addeq pc, r12, r3 @ call cache function
这里用到了上面说的r3，他的值是8，也就是一个偏移量，r12中存储的是某个处理器相关处理模块的基地址。
proc_type的定义如下，在541行
.type proc_types,#object
proc_types:
.word 0x41560600 @ ARM6/610
.word 0xffffffe0
b __arm6_mmu_cache_off @ works, but slow
b __arm6_mmu_cache_off
mov pc, lr
@ b __arm6_mmu_cache_on @ untested
@ b __arm6_mmu_cache_off
@ b __armv3_mmu_cache_flush
.word 0x00000000 @ old ARM ID
.word 0x0000f000
mov pc, lr
mov pc, lr
mov pc, lr
.word 0x41007000 @ ARM7/710
.word 0xfff8fe00
b __arm7_mmu_cache_off
b __arm7_mmu_cache_off
mov pc, lr
.word 0x41807200 @ ARM720T (writethrough)
.word 0xffffff00
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
mov pc, lr
.word 0x41007400 @ ARM74x
.word 0xff00ff00
b __armv3_mpu_cache_on
b __armv3_mpu_cache_off
b __armv3_mpu_cache_flush
.word 0x41009400 @ ARM94x
.word 0xff00ff00
b __armv4_mpu_cache_on
b __armv4_mpu_cache_off
b __armv4_mpu_cache_flush
.word 0x00007000 @ ARM7 IDs
.word 0x0000f000
mov pc, lr
mov pc, lr
mov pc, lr
@ Everything from here on will be the new ID system.
.word 0x4401a100 @ sa110 / sa1100
.word 0xffffffe0
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x6901b110 @ sa1110
.word 0xfffffff0
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
@ These match on the architecture ID
.word 0x00020000 @ ARMv4T //这个就是我们要找的arm920t的处理器相关数
.word 0x000f0000 //据，偏移8后刚好是b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_on //指令的地址
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x00050000 @ ARMv5TE
.word 0x000f0000
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x00060000 @ ARMv5TEJ
.word 0x000f0000
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x0007b000 @ ARMv6
.word 0x0007f000
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv6_mmu_cache_flush
.word 0 @ unrecognised type
.word 0
mov pc, lr
mov pc, lr
mov pc, lr
.size proc_types, . - proc_types
当找到我和我们处理器后，就调用相应的处理函数，我根据我们的arm920t处理器，这里应该调用__armv4_mmu_cache_on,这句调用指令在605行
.word 0x00020000 @ ARMv4T
.word 0x000f0000
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
__armv4_mmu_cache_on的在424行定义，
__armv4_mmu_cache_on:
mov r12, lr
bl __setup_mmu
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush I,D TLBs
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control reg
orr r0, r0, #0x5000 @ I-cache enable, RR cache replacement
orr r0, r0, #0x0030
bl __common_mmu_cache_on
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush I,D TLBs
mov pc, r12 //返回到cache_on
这
里首跳转到__setup_mmu，然后清空write
buffer、I/Dcache、TLB.接着打开i-cache，设置为Round-robin
replacement。调用__common_mmu_cache_on,打开mmu和d-cache.把页表基地址和域访问控制写入协处理器寄存器
c2、c3. __common_mmu_cache_on函数数定义在450行。
__common_mmu_cache_on:
#ifndef DEBUG
orr r0, r0, #0x000d @ Write buffer, mmu
#endif
mov r1, #-1 //-1的补码是ffff ffff,
mcr p15, 0, r3, c2, c0, 0 @ load page table pointer
mcr p15, 0, r1, c3, c0, 0 @ load domain access control //将domain access control寄存
b 1f //全部置’1’
.align 5 @ cache line aligned
1: mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ load control register
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ and read it back to
sub pc, lr, r0, lsr #32 @ properly flush pipeline
重占来看一下__setup_mmu这个函数，定义在386行
__setup_mmu: sub r3, r4, #16384 @ Page directory size
bic r3, r3, #0xff @ Align the pointer
bic r3, r3, #0x3f00
这里r4中存放着内核执行地址，将16K的一级页表放在这个内核执行地址下面的16K空间里，上面通过 sub r3, r4, #16384 获得16K空间后，又将页表的起始地址进行16K对齐放在r3中。即ttb的低14位清零。
/*
* Initialise the page tables, turning on the cacheable and bufferable
* bits for the RAM area only.
*/
//初始化页表，并在RAM空间里打开cacheable 和bufferable位
mov r0, r3
mov r9, r0, lsr #18
mov r9, r9, lsl #18 @ start of RAM
add r10, r9, #0x10000000 @ a reasonable RAM size
上
面这几行把一级页表的起始地址保存在r0中，并通过r0获得一个ram起始地址（256K对齐），并从这个起始地址开始的256M
ram空间对应的描述符的C和B位均置”1” (参考arm920t datasheet 3.3.3, table 3-2 level one
descryiptor bits), r9和r10中存放了这段内存的起始地址和结束地址
mov r1, #0x12 //一级描述符的bit[1:0]为10，表示这是一个section描述符。bit[4]
//为1（参考arm9205 datasheet 3.3.3 table 3-2 level one
//descryiptor bits）此时bit[8:5]均为0，选择了D0域。
orr r1, r1, #3 << 10 //一级描述符的access permission bits bit[11:10]为11. 即
//all access types permitted in both modes
// (参考arm920t datasheet 3.3.3, table 3-2 level
//one descryiptor bits, 3.6, table 3-11 interpreting access
// permission(AP) bit)
add r2, r3, #16384 //一级描述符表的结束地址存放在r2中。
1: cmp r1, r9 @ if virt > start of RAM
orrhs r1, r1, #0x0c @ set cacheable, bufferable
cmp r1, r10 @ if virt > end of RAM
bichs r1, r1, #0x0c @ clear cacheable, bufferable
str r1, [r0], #4 @ 1:1 mapping
add r1, r1, #1048576
teq r0, r2
bne 1b
上
面这段就是对一级描述符表（页表）的初始化，首先比较这个描述符所描述的地址是否在那个256M的空间中，如果在则这个描述符对应的内存区域是
cacheable ,bufferable。如果不在则noncacheable,
nonbufferable.然后将描述符写入一个一级描述符表的入口，并将一级描述符表入口地址加4，而指向下一个1M
section的基地址。如果页表入口未初始化完，则继续初始化。
一级描述符表的高12位是每个setcion的基地址，可以描述4096个section。一级页表大小为16K，每个页表项，即描述符占4字节，刚好可以容纳4096个描述符，所以这里就映射了4096*1M = 4G的空间。
/*
* If ever we are running from Flash, then we surely want the cache
* to be enabled also for our execution instance... We map 2MB of it
* so there is no map overlap problem for up to 1 MB compressed kernel.
* If the execution is in RAM then we would only be duplicating the above.
*/
mov r1, #0x1e
orr r1, r1, #3 << 10 //这两行将描述的bit[11:10] bit[4:1]置位，(参考arm920t
// datasheet 3.3.3, table 3-2 level one descryiptor bits)
mov r2, pc, lsr #20
orr r1, r1, r2, lsl #20 //将当前地址进1M对齐，并与r1中的内容结合形成一个
//描述当前指令所在section的描述符。
add r0, r3, r2, lsl #2 //r3为刚才建立的一级描述符表的起始地址。通过将当前地
//址(pc)的高12位左移两位(形成14位索引)与r3中的地址
// (低14位为0)相加形成一个4字节对齐的地址，这个
//地址也在16K的一级描述符表内。当前地址对应的
//描述符在一级页表中的位置
str r1, [r0], #4
add r1, r1, #1048576
str r1, [r0] //这里将上面形成的描述符及其连续的下一个section描述
//写入上面4字节对齐地址处（一级页表中索引为r2左移
//2位）
mov pc, lr //返回，调用此函数时，调用指令的下一语句mov r0, #0的地
//址保存在lr中
这里进行的是1:1的映射，物理地址和虚拟地址是一样。
__common_mmu_cache_on:执行完后返回到bl cache_on下一条指令处226行，
mov r1, sp @ malloc space above stack
add r2, sp, #0x10000 @ 64k max
/*
* Check to see if we will overwrite ourselves.
* r4 = final kernel address
* r5 = start of this image
* r2 = end of malloc space (and therefore this image)
* We basically want:
* r4 >= r2 -> OK
* r4 + image length <= r5 -> OK
*/
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
这
段代码首先在堆栈上确定了64K的malloc空间，空间的起始地址和结束地址分别存放在r1、r2中。然后判断最终内核地址，也就是解压后内核的起始地
址，是否大于malloc空间的结束地址，如果大于就跳到wont_overwrite执行，wont_overwrite函数后面会讲到。否则，检查最
终内核地址加解压后内核大小，也就是解压后内核的结束地址，是否小于现在未解压内核映像的起始地址。小于也会跳到wont_owerwrite执行。如两
这两个条件都不满足，则继续往下执行。
mov r5, r2 @ decompress after malloc space
mov r0, r5
mov r3, r7
bl decompress_kernel
这
里将解压后内核的起始地址设为malloc空间的结束地址。然后后把处理器id（开始时保存在r7中）保存到r3中，调用
decompress_kernel开始解压内核。这个函数的四个参数分别存放在r0-r3中，它在arch/arm/boot/compressed
/misc.c中定义。
add r0, r0, #127
bic r0, r0, #127 @ align the kernel length
/*
* r0 = decompressed kernel length
* r1-r3 = unused
* r4 = kernel execution address
* r5 = decompressed kernel start
* r6 = processor ID
* r7 = architecture ID
* r8 = atags pointer
* r9-r14 = corrupted
*/
add r1, r5, r0 @ end of decompressed kernel
adr r2, reloc_start
ldr r3, LC1
add r3, r2, r3
1: ldmia r2!, {r9 - r14} @ copy relocation code
stmia r1!, {r9 - r14}
ldmia r2!, {r9 - r14}
stmia r1!, {r9 - r14}
cmp r2, r3
blo 1b
这里首先计算出解压后内核的大小，然后对它的进行重定位
bl cache_clean_flush
add pc, r5, r0 @ call relocation code
重定位结束后跳到解压后内核的起始处开始执行，在运行解压后内核之前，先调用了
cache_clean_flush这个函数。这个函数的定义在第700行
cache_clean_flush:
mov r3, #16
b call_cache_fn
其实这里又调用了call_cache_fn这个函数，注意，这里r3的值为16，call_cache_fn这个函数在前面有讲解，下面看看当r3为16时会调用到哪个函数,回到proc_types这个对像的定义，最终找到处理器相关的处理代码在603行开始
.word 0x00020000 @ ARMv4T
.word 0x000f0000
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
当偏移量为16时，会跳到b __armv4_mmu_cache_flush这条指令，调用__armv4_mmu_cache_flush这个函数，它的定义在730行
__armv4_mmu_cache_flush:
mov r2, #64*1024 @ default: 32K dcache size (*2)
mov r11, #32 @ default: 32 byte line size
mrc p15, 0, r3, c0, c0, 1 @ read cache type
teq r3, r6 @ cache ID register present?
beq no_cache_id
mov r1, r3, lsr #18
and r1, r1, #7 //获得Dsize中的size
mov r2, #1024
mov r2, r2, lsl r1 @ base dcache size *2//获得dcache字节大小
tst r3, #1 << 14 @ test M bit
addne r2, r2, r2, lsr #1 @ +1/2 size if M == 1
mov r3, r3, lsr #12
and r3, r3, #3 //上两句获得Dsize中 cache line的长度len
mov r11, #8
mov r11, r11, lsl r3 @ cache line size in bytes //cache line的字节长度
no_cache_id:
bic r1, pc, #63 @ align to longest cache line
add r2, r1, r2
1: ldr r3, [r1], r11 @ s/w flush D cache 这个是指什么呢？？
teq r1, r2
bne 1b
上面这几句做了什么呢？为什么要这么做呢？
mcr p15, 0, r1, c7, c5, 0 @ flush I cache
mcr p15, 0, r1, c7, c6, 0 @ flush D cache
mcr p15, 0, r1, c7, c10, 4 @ drain WB
mov pc, lr
这里主要还是刷新I/Dcache和写缓冲。
下面看看前面提到的wont_overwrite函数。这个函数在282行定义
wont_overwrite: mov r0, r4
mov r3, r7
bl decompress_kernel
b call_kernel
同样，这里先设置好decompress_kernel的参数，然后调用decompress_kernel解压内核映像。然后调用call_kernel函数。此函数在491行定义
call_kernel: bl cache_clean_flush
bl cache_off
mov r0, #0 @ must be zero
mov r1, r7 @ restore architecture number
mov r2, r8 @ restore atags pointer
mov pc, r4 @ call kernel
这里也是先调用cache_clean_flush刷新i/d-cache，然后调用cashe_off函数。最后设置好参数，跳到解压后的内核执行。
cashe_off函数在644行定义
cache_off: mov r3, #12 @ cache_off function
b call_cache_fn
同样又是调用call_cache_fn函数，注意，这里r3的值是12，也就是偏移量是12，最终通过call_cache_fn找到603行的一段代码
.word 0x00020000 @ ARMv4T
.word 0x000f0000
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv4_mmu_cache_flush
因这里的偏移量是12，所以将执行b __armv4_mmu_cache_off指令，调用__armv4_mmu_cache_off函数，这个函数在665行定义。
__armv4_mmu_cache_off:
mrc p15, 0, r0, c1, c0
bic r0, r0, #0x000d
mcr p15, 0, r0, c1, c0 @ turn MMU and cache off
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7 @ invalidate whole cache v4
mcr p15, 0, r0, c8, c7 @ invalidate whole TLB v4
mov pc, lr
这里首先读控制寄存器，然后关闭icache和mmu，接着使全部cache和tlb无效。
现在总结一下在进入解压后的内核入口前都做了些什么（解压后的kernel入口在arch/arm/kernel/head.S中）：
首
先保存从uboot中传入的参数，然后会执行一段处理器相关的代码位于arch/arm/boot/compressed/head-xxx.S中，这段
代码我们这里没有分析，在移植内核时会对这段代码作出分析。接着会判断一下要不要重定位，我们这里是不需要重定位，所以开始对bss段清零。之后初始化页
表，进行1:1映射。因为打开cache前必须打开mmu，所以这里先对页表进行初始化，然后打开mmu和cache。这些都准备好后，判断一下解压内核
是否会覆盖未解压的内核映像。如果会，则进行一些调整，然后开始解压内核；如果不会，则直接解压。最后是刷新cache，关闭mmu和dcache,使
cache和tlb内容无效，跳到解压后的内核入口执行arm相关的内核代码。
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