ARM linux kernel启动流程 head.S（一）

1. kernel运行的史前时期和内存布局

在arm平台下，zImage.bin压缩镜像是由bootloader加载到物理内存，然后跳到zImage.bin里一段程序，它专门于将被压缩的kernel解压缩到KERNEL_RAM_PADDR开始的一段内存中，接着跳进真正的kernel去执行。该kernel的执行起点是stext函数，定义于arch/arm/kernel/head.S。

在分析stext函数前，先介绍此时内存的布局如下图所示 

 

在开发板tqs3c2440中，SDRAM连接到内存控制器的Bank6中，它的开始内存地址是0x30000000，大小为64M，即0x20000000。 ARM Linux kernel将SDRAM的开始地址定义为PHYS_OFFSET。经bootloader加载kernel并由自解压部分代码运行后，最终kernel被放置到KERNEL_RAM_PADDR（=PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET，即0x30008000）地址上的一段内存，经此放置后，kernel代码以后均不会被移动。

在进入kernel代码前，即bootloader和自解压缩阶段，ARM未开启MMU功能。因此kernel启动代码一个重要功能是设置好相应的页表，并开启MMU功能。为了支持MMU功能，kernel镜像中的所有符号，包括代码段和数据段的符号，在链接时都生成了它在开启MMU时，所在物理内存地址映射到的虚拟内存地址。

以arm kernel第一个符号（函数）stext为例，在编译链接，它生成的虚拟地址是0xc0008000，而放置它的物理地址为0x30008000（还记得这是PHYS_OFFSET+TEXT_OFFSET吗？）。实际上这个变换可以利用简单的公式进行表示：va = pa – PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET。Arm linux最终的kernel空间的页表，就是按照这个关系来建立。

之所以较早提及arm linux 的内存映射，原因是在进入kernel代码，里面所有符号地址值为清一色的0xCXXXXXXX地址，而此时ARM未开启MMU功能，故在执行stext函数第一条执行时，它的PC值就是stext所在的内存地址（即物理地址，0x30008000）。因此，下面有些代码，需要使用地址无关技术。

2. 一览stext函数

这里的启动流程指的是解压后kernel开始执行的一部分代码，这部分代码和ARM体系结构是紧密联系在一起的，所以最好是将ARM ARCHITECTURE REFERENCE MANUL仔细读读，尤其里面关于控制寄存器啊，MMU方面的内容～

stext函数定义在Arch/arm/kernel/head.S，它的功能是获取处理器类型和机器类型信息，并创建临时的页表，然后开启MMU功能，并跳进第一个C语言函数start_kernel。

stext函数的在前置条件是：MMU, D-cache, 关闭; r0 = 0, r1 = machine nr, r2 = atags prointer.

      前面说过解压以后，代码会跳到解压完成以后的vmlinux开始执行，具体从什么地方开始执行我们可以看看生成的vmlinux.lds(arch/arm/kernel/)这个文件：

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1. 1. OUTPUT_ARCH(arm)    
2. 2. ENTRY(stext)    
3. 3. jiffies = jiffies_64;    
4. 4. SECTIONS    
5. 5. {    
6. 6.  . = 0x80000000 + 0x00008000;    
7. 7.  .text.head : {     
8. 8.   _stext = .;    
9. 9.   _sinittext = .;    
10. 0.   *(.text.h    

很明显我们的vmlinx最开头的section是.text.head，这里我们不能看ENTRY的内容，以为这时候我们没有操作系统，根本不知道如何来解析这里的入口地址，我们只能来分析他的section(不过一般来说这里的ENTRY和我们从seciton分析的结果是一样的)，这里的.text.head section我们很容易就能在arch/arm/kernel/head.S里面找到，而且它里面的第一个符号就是我们的stext：

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1. # .section ".text.head", "ax"    
2. #     
3. # ENTRY(stext)   
4. #     
5. #  /* 设置CPU运行模式为SVC，并关中断 */    
6. #     
7. #   msr  cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode    
8. #     
9. #                                      @ and irqs disabled    
10. #     
11. #   mrc p15, 0, r9, c0, c0        @ get processor id    
12. #     
13. #   bl    __lookup_processor_type         @ r5=procinfo r9=cupid    
14. #     
15. # /* r10指向cpu对应的proc_info记录 */    
16. #     
17. #    movs  r10, r5                         @ invalid processor (r5=0)?    
18. #     
19. #   beq __error_p                    @ yes, error 'p'    
20. #     
21. #   bl    __lookup_machine_type            @ r5=machinfo    
22. #     
23. # /* r8 指向开发板对应的arch_info记录 */    
24. #     
25. #    movs  r8, r5                           @ invalid machine (r5=0)?    
26. #     
27. #   beq __error_a                    @ yes, error 'a'    
28. #     
29. # /* __vet_atags函数涉及bootloader造知kernel物理内存的情况，我们暂时不分析它。 */    
30. #     
31. #   bl    __vet_atags    
32. #     
33. # /*  创建临时页表 */    
34. #     
35. #   bl    __create_page_tables    
36.     
37. #   /*   
38. #    
39. #    * The following calls CPU specific code in a position independent   
40. #    
41. #    * manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S for details.  r10 = base of   
42. #    
43. #    * xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type   
44. #    
45. #    * above.  On return, the CPU will be ready for the MMU to be   
46. #    
47. #    * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.   
48. #    
49. #    */    
50. #     
51. #  /* 这里的逻辑关系相当复杂，先是从proc_info结构中的中跳进__arm920_setup函数，   
52. #    
53. #   * 然后执__enable_mmu 函数。最后在__enable_mmu函数通过mov pc, r13来执行__switch_data，   
54. #    
55. #   * __switch_data函数在最后一条语句，鱼跃龙门，跳进第一个C语言函数start_kernel。   
56. #    */    
57. #     
58. #   ldr   r13, __switch_data             @ address to jump to after    
59. #     
60. #                                      @ mmu has been enabled    
61. #     
62. #   adr  lr, __enable_mmu        @ return (PIC) address    
63. #     
64. #   add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC    
65. #     
66. # ENDPROC(stext)  

 这里的ENTRY这个宏实际我们可以在include/linux/linkage.h里面找到，可以看到他实际上就是声明一个GLOBAL Symbol，后面的ENDPROC和END唯一的区别是前面的声明了一个函数，可以在c里面被调用。

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1.  1. #ifndef ENTRY    
2.  2. #define ENTRY(name) /    
3.  3.   .globl name; /    
4.  4.   ALIGN; /    
5.  5.   name:    
6.  6. #endif    
7.  7. #ifndef WEAK    
8.  8. #define WEAK(name)     /    
9.  9.     .weak name;    /    
10. 10.     name:    
11. 11. #endif    
12. 12. #ifndef END    
13. 13. #define END(name) /    
14. 14.   .size name, .-name    
15. 15. #endif    
16. 16. /* If symbol 'name' is treated as a subroutine (gets called, and returns)  
17. 17.  * then please use ENDPROC to mark 'name' as STT_FUNC for the benefit of  
18. 18.  * static analysis tools such as stack depth analyzer.  
19. 19.  */    
20. 20. #ifndef ENDPROC    
21. 21. #define ENDPROC(name) /    
22. 22.   .type name, @function; /    
23. 23.   END(name)    
24. 24. #endif    

找到了vmlinux的起始代码我们就来进行分析了，先总体概括一下这部分代码所完成的功能，head.S会首先检查proc和arch以及atag的有效性，然后会建立初始化页表，并进行CPU必要的处理以后打开MMU，并跳转到start_kernel这个symbol开始执行后面的C代码。这里有很多变量都是我们进行kernel移植时需要特别注意的，下面会一一讲到。

      在这里我们首先看看这段汇编开始跑的时候的寄存器信息，这里的寄存器内容实际上是同bootloader跳转到解压代码是一样的，就是r1=arch  r2=atag addr。下面我们就具体来看看这个head.S跑的过程：

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1. 1. msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode    
2. 2.                     @ and irqs disabled    
3. 3. mrc p15, 0, r9, c0, c0      @ get processor id    

 首先进入SVC模式并关闭所有中断，并从arm协处理器里面读到CPU ID，这里的CPU主要是指arm架构相关的CPU型号，比如ARM9，ARM11等等。

3 __lookup_processor_type 函数

然后跳转到__lookup_processor_type，这个函数定义在head-common.S里面，这里的bl指令会保存当前的pc在lr里面

 __lookup_processor_type 函数是一个非常讲究技巧的函数，如果你将它领会，也将领会kernel了一些魔法。

Kernel 代码将所有CPU信息的定义都放到.proc.info.init段中，因此可以认为.proc.info.init段就是一个数组，每个元素都定义了一个或一种CPU的信息。目前__lookup_processor_type使用该元素的前两个字段cpuid和mask来匹配当前CPUID，如果满足 CPUID & mask == cpuid，则找到当前cpu的定义并返回。 

下面是tqs3c2440开发板，CPU的定义信息，cpuid = 0x41009200，mask = 0xff00fff0。如果是码是运行在tqs3c2440开发板上，那么函数返回下面的定义：

最后__lookup_processor_type会从这个函数返回，我们具体看看这个函数：    

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1. # __lookup_processor_type:    
2. #       /* adr 是相对寻址，它的寻计算结果是将当前PC值加上3f符号与PC的偏移量，   
3. #        * 而PC是物理地址，因此r3的结果也是3f符号的物理地址 */    
4. #     
5. #        adr  r3, 3f    
6. #     
7. #       /* r5值为__proc_info_bein, r6值为__proc_ino_end，而r7值为.，   
8. #        * 也即3f符号的链接地址。请注意，在链接期间，__proc_info_begin和   
9. #        * __proc_info_end以及.均是链接地址，也即虚执地址。   
10. #        */    
11. #     
12. #        ldmda     r3, {r5 - r7}    
13. #     
14. #      /* r3为3f的物理地址，而r7为3f的虚拟地址。结果是r3为虚拟地址与物理地址的差值，即PHYS_OFFSET - PAGE_OFFSET。*/    
15. #     
16. #        sub  r3, r3, r7                     @ get offset between virt&phys    
17. #     
18. #      /* r5为__proc_info_begin的物理地址, 即r5指针__proc_info数组的首地址 */    
19. #     
20. #        add r5, r5, r3                     @ convert virt addresses to    
21. #     
22. #      /* r6为__proc_info_end的物理地址 */    
23. #     
24. #        add r6, r6, r3                     @ physical address space    
25. #     
26. #      /* 读取r5指向的__proc_info数组元素的CPUID和mask值 */    
27. #     
28. # 1:    ldmia      r5, {r3, r4}                  @ value, mask    
29. #     
30. #      /* 将当前CPUID和mask相与，并与数组元素中的CPUID比较是否相同   
31. #       * 若相同，则找到当前CPU的__proc_info定义，r5指向访元素并返回。   
32. #       */    
33. #     
34. #        and  r4, r4, r9                     @ mask wanted bits    
35. #     
36. #        teq  r3, r4    
37. #     
38. #        beq 2f    
39. #     
40. #      /* r5指向下一个__proc_info元素 */    
41. #     
42. #        add r5, r5, #PROC_INFO_SZ        @ sizeof(proc_info_list)    
43. #     
44. #      /* 是否遍历完所有__proc_info元素 */    
45. #     
46. #        cmp r5, r6    
47. #     
48. #        blo  1b    
49. #     
50. #      /* 找不到则返回NULL */    
51. #     
52. #        mov r5, #0                          @ unknown processor    
53. #     
54. # 2:    mov pc, lr    
55. #     
56. # ENDPROC(__lookup_processor_type)    
57. #     
58. #        .long       __proc_info_begin    
59. #        .long       __proc_info_end    
60. # 3:    .long       .    
61. #        .long       __arch_info_begin    
62. #        .long       __arch_info_end  

他这里的执行过程其实比较简单就是在__proc_info_begin和__proc_info_end这个段里面里面去读取我们注册在里面的proc_info_list这个结构体，这个结构体的定义在arch/arm/include/asm/procinfo.h，具体实现根据你使用的cpu的架构在arch/arm/mm/里面找到具体的实现，这里我们使用的ARM11是proc-v6.S，我们可以看看这个结构体：

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1.  1. .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr    
2.  2. /*   
3.  3.  * Match any ARMv6 processor core.  
4.  4.  */    
5.  5. .type   __v6_proc_info, #object    
6.  6. _proc_info:    
7.  7. .long   0x0007b000    
8.  8. .long   0x0007f000    
9.  9. .long   PMD_TYPE_SECT | /    
10. 10.     PMD_SECT_BUFFERABLE | /            
11. 11.     PMD_SECT_CACHEABLE | /    
12. 12.     PMD_SECT_AP_WRITE | /    
13. 13.     PMD_SECT_AP_READ    
14. 14. .long   PMD_TYPE_SECT | /    
15. 15.     PMD_SECT_XN | /    
16. 16.     PMD_SECT_AP_WRITE | /    
17. 17.     PMD_SECT_AP_READ    
18. 18. b   __v6_setup    
19. 19. .long   cpu_arch_name    
20. 20. .long   cpu_elf_name    
21. 21. .long   HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_EDSP|HWCAP_JAVA    
22. 22. .long   cpu_v6_name    
23. 23. .long   v6_processor_functions     
24. 24. .long   v6wbi_tlb_fns    
25. 25. .long   v6_user_fns    
26. 26. .long   v6_cache_fns    
27. 27. .size   __v6_proc_info, . - __v6_proc_info    

对着.h我们就知道各个成员变量的含义了，他这里lookup的过程实际上是先求出这个proc_info_list的实际物理地址，并将其内容读出，然后将其中的mask也就是我们这里的0x007f000与寄存器与之后与0x007b00进行比较，如果一样的话呢就校验成功了，如果不一样呢就会读下一个proc_info的信息，因为proc一般都是只有一个的，所以这里一般不会循环，如果检测正确寄存器就会将正确的proc_info_list的物理地址赋给寄存器，如果检测不到就会将寄存器值赋0，然后通过LR返回

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1. 1. bl  __lookup_machine_type       @ r5=machinfo    
2. 2. movs    r8, r5              @ invalid machine (r5=0)?          
3. 3. beq __error_a           @ yes, error 'a'    

检测完proc_info_list以后就开始检测machine_type了，这个函数的实现也在head－common.S里面，__lookup_machine_type 和__lookup_processor_type像对孪生兄弟，它们的行为都是很类似的：__lookup_machine_type根据r1寄存器的机器编号到.arch.info.init段的数组中依次查找机器编号与r1相同的记录。它使了与它孪生兄弟同样的手法进行虚拟地址到物理地址的转换计算。

我们看看它具体的实现：

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1.  1. __lookup_machine_type:    
2.  2.     adr r3, 3b    
3.  3.     ldmia   r3, {r4, r5, r6}    
4.  4.     sub r3, r3, r4          @ get offset between virt&phys     
5.  5.     add r5, r5, r3          @ convert virt addresses to        
6.  6.     add r6, r6, r3          @ physical address space           
7.  7. 1:  ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE]    @ get machine type    
8.  8.     teq r3, r1              @ matches loader number?           
9.  9.     beq 2f              @ found        
10. 10.     add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC    @ next machine_desc    
11. 11.     cmp r5, r6    
12. 12.     blo 1b    
13. 13.     mov r5, #0              @ unknown machine    
14. 14. 2:  mov pc, lr    
15. 15. ENDPROC(__lookup_machine_type)    

这里的过程基本上是同proc的检查是一样的，这里主要检查芯片的类型，比如我们现在的芯片是MSM7X27FFA，这也是一个结构体，它的头文件在arch/arm/include/asm/arch/arch.h里面(machine_desc)，它具体的实现根据你对芯片类型的选择而不同，这里我们使用的是高通的7x27,具体实现在arch/arm/mach-msm/board-msm7x27.c里面，这些结构体最后都会注册到_arch_info_begin和_arch_info_end段里面，具体的大家可以看看vmlinux.lds或者system.map，这里的lookup会根据bootloader传过来的nr来在__arch_info里面的相匹配的类型，没有的话就寻找下一个machin_desk结构体，直到找到相应的结构体，并会将结构体的地址赋值给寄存器，如果没有的话就会赋值为0的。一般来说这里的machine_type会有好几个，因为不同的芯片类型可能使用的都是同一个cpu架构。

       对processor和machine的检查完以后就会检查atags parameter的有效性，关于这个atag具体的定义我们可以在./include/asm/setup.h里面看到，它实际是一个结构体和一个联合体构成的结合体，里面的size都是以字来计算的。这里的atags param是bootloader创建的，里面包含了ramdisk以及其他memory分配的一些信息，存储在boot.img头部结构体定义的地址中，具体的大家可以看咱以后对bootloader的分析～

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1.  1. __vet_atags:    
2.  2.     tst r2, #0x3            @ aligned?     
3.  3.     bne 1f    
4.  4.     ldr r5, [r2, #0]            @ is first tag ATAG_CORE?          
5.  5.     cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE    
6.  6.     cmpne   r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY    
7.  7.     bne 1f    
8.  8.     ldr r5, [r2, #4]    
9.  9.     ldr r6, =ATAG_CORE    
10. 10.     cmp r5, r6    
11. 11.     bne 1f    
12. 12.     mov pc, lr              @ atag pointer is ok               
13. 13. 1:  mov r2, #0    
14. 14.     mov pc, lr    
15. 15. ENDPROC(__vet_atags)    

这里对atag的检查主要检查其是不是以ATAG_CORE开头，size对不对，基本没什么好分析的，代码也比较好看～ 下面我们来看后面一个重头戏，就是创建初始化页表，说实话这段内容我没弄清楚，它需要对ARM VIRT MMU具有相当的理解，这里我没有太多的时间去分析spec，只是粗略了翻了ARM V7的manu，知道这里建立的页表是arm的secition页表，完成内存开始1m内存的映射，这个页表建立在kernel和atag paramert之间，一般是4000-8000之间～具体的代码和过程我这里就不贴了，大家可以看看参考的链接，看看其他大虾的分析，我还没怎么看明白，等以后仔细研究ARM MMU的时候再回头来仔细研究了，不过代码虽然不分析，这里有几个重要的地址需要特别分析下～

      这几个地址都定义在arch/arm/include/asm/memory.h，我们来稍微分析下这个头文件，首先它包含了arch/memory.h，我们来看看arch/arm/mach-msm/include/mach/memory.h，在这个里面定义了#define PHYS_OFFSET     UL(0x00200000) 这个实际上是memory的物理内存初始地址，这个地址和我们以前在boardconfig.h里面定义的是一致的。然后我们再看asm/memory.h，他里面定义了我们的memory虚拟地址的首地址#define PAGE_OFFSET     UL(CONFIG_PAGE_OFFSET)。      

      另外我们在head.S里面看到kernel的物理或者虚拟地址的定义都有一个偏移，这个偏移又是从哪来的呢，实际我们可以从arch/arm/Makefile里面找到：textofs-y   := 0x00008000     TEXT_OFFSET := $(textofs-y) 这样我们再看kernel启动时候的物理地址和链接地址，实际上它和我们前面在boardconfig.h和Makefile.boot里面定义的都是一致的～

      建立初始化页表以后，会首先将__switch_data这个symbol的链接地址放在sp里面，然后获得__enable_mmu的物理地址，然后会跳到__proc_info_list里面的INITFUNC执行，这个偏移是定义在arch/arm/kernel/asm-offset.c里面，实际上就是取得__proc_info_list里面的__cpu_flush这个函数执行。

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1. 1. ldr r13, __switch_data      @ address to jump to after         
2. 2.                     @ mmu has been enabled             
3. 3. adr lr, __enable_mmu        @ return (PIC) address    
4. 4. add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC    

这个__cpu_flush在这里就是我们proc-v6.S里面的__v6_setup函数了，具体它的实现我就不分析了，都是对arm控制寄存器的操作，这里转一下它对这部分操作的注释，看完之后就基本知道它完成的功能了。

 /*

 *  __v6_setup

 *

 *  Initialise TLB, Caches, and MMU state ready to switch the MMU

 *  on.  Return in r0 the new CP15 C1 control register setting.

 *

 *  We automatically detect if we have a Harvard cache, and use the

 *  Harvard cache control instructions insead of the unified cache

 *  control instructions.

 *

 *  This should be able to cover all ARMv6 cores.

 *

 *  It is assumed that:       

 *  - cache type register is implemented

 */    

        完成这部分关于CPU的操作以后，下面就是打开MMU了，这部分内容也没什么好说的，也是对arm控制寄存器的操作，打开MMU以后我们就可以使用虚拟地址了，而不需要我们自己来进行地址的重定位，ARM硬件会完成这部分的工作。打开MMU以后，会将SP的值赋给PC，这样代码就会跳到__switch_data来运行，这个__switch_data是一个定义在head-common.S里面的结构体，我们实际上是跳到它地一个函数指针__mmap_switched处执行的。

        这个switch的执行过程我们只是简单看一下，前面的copy data_loc段以及清空.bss段就不用说了，它后面会将proc的信息和machine的信息保存在__switch_data这个结构体里面，而这个结构体将来会在start_kernel的setup_arch里面被使用到。这个在后面的对start_kernel的详细分析中会讲到。另外这个switch还涉及到控制寄存器的一些操作，这里我不没仔细研究spec，不懂也就不说了～

4. 为kernel建立临时页表create_table_pages

前面提及到，kernel里面的所有符号在链接时，都使用了虚拟地址值。在完成基本的初始化后，kernel代码将跳到第一个c语言函数 start_kernl来执行，在哪个时候，这些虚拟地址必须能够对它所存放在真正内存位置，否则运行将为出错。为此，CPU必须开启MMU，但在开启 MMU前，必须为虚拟地址到物理地址的映射建立相应的面表。在开启MMU后，kernel指并不马上将PC值指向start_kernl，而是要做一些C 语言运行期的设置，如堆栈，重定义等工作后才跳到start_kernel去执行。在此过程中，PC值还是物理地址，因此还需要为这段内存空间建立va = pa的内存映射关系。当然，本函数建立的所有页表都会在将来paging_init销毁再重建，这是临时过度性的映射关系和页表。

 

在介绍__create_table_pages前，先认识一个macro pgtbl，它将KERNL_RAM_PADDR – 0x4000的值赋给rd寄存器，从下面的使用中可以看它，该值是页表在物理内存的基础，也即页表放在kernel开始地址下的16K的地方。

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1. # __create_page_tables:    
2. #   /* r4 = KERNEL_RAM_PADDR – 0x4000 = 0x30004000   
3. #    * 后面的C代码中的swapper_pg_dir变量，它的值也指向0x30004000   
4. #    * 内存地址，不过它的值是虚拟内存地址，即0xc0004000   
5. #    */    
6. #        pgtbl       r4                         @ page table address    
7. #     
8. #    /* 将从r4到KERNEL_RAP_PADDR的16K页表空间清空。 */    
9. #     
10. #        mov r0, r4    
11. #        mov r3, #0    
12. #        add r6, r0, #0x4000    
13. #     
14. # 1:     str   r3, [r0], #4    
15. #        str   r3, [r0], #4    
16. #        str   r3, [r0], #4    
17. #        str   r3, [r0], #4    
18. #        teq  r0, r6    
19. #        bne  1b    
20. #     
21. #      
22. #      /* 还记得r10指向开发板相应的proc_info元素吗？这里它将的mm_mmuflags值读到r7中。   
23. #       * PROCINFO_MM_MMUFLAGS值为8，可对应上面列出来的__arm920_proc_info结构或你相应开发板结构的值来查看该mmu_flags值。   
24. #       * 这里的flags就是用于设置目录项的flags。查看该mmu_flags的定义，发现它是要求一级页表是section。   
25. #       */    
26. #     
27. #        ldr   r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags    
28. #     
29. #        /*   
30. #         * Create identity mapping for first MB of kernel to   
31. #         * cater for the MMU enable.  This identity mapping   
32. #         * will be removed by paging_init().  We use our current program   
33. #         * counter to determine corresponding section base address.   
34. #         */    
35. #     
36. #        /* r3 = ((pc >> 20) << 20) | r7， 即取PC以1M向下对齐的地址。R6 = pc >> 20也即r6 = 0x300(pgd_idx)，   
37. #         * 即PC对所有1M内存空间，在页表中的下标。                                       
38. #         * R7值表明该目录项是section，即它映射的大小是1M。故刚好一个目录项就可以映射kernel上的1M空间。   
39. #         * 这个暂时的va = pa映射只建立1M大小内存的，而不需要建立整个kernel镜像范围的映射。   
40. #         * 因为这个va = pa的映射只有当前汇编语言才使用，一量跳进start_kernl后，这将不会用到了。而汇编代码在链接时，   
41. #         * 已将它安排到代码段的最前面了。   
42. #     
43. #         mov r6, pc, lsr #20                     @ start of kernel section   
44. #         orr   r3, r7, r6, lsl #20         @ flags + kernel base   
45. #    
46. #        /* 将目录内空写到页表相应位置，即((uint32_t *)r4)[pgd_idx] = r3 */    
47. #      
48. #        str   r3, [r4, r6, lsl #2]         @ identity mapping    
49. #     
50. #      
51. #        /* 上面代码段为[pc &(~0xfffff), (pc + 0xfffff) &(~0xfffff)]的物理内存空间建立了va = pa的映射关系。*/    
52. #     
53. #        /* 下面为kernel镜像所占有空间，即KERNL_START到KERNEL_END建立内存映射，   
54. #         * 映射关系为：va = pa – PHYS + PAGR_OFFSET。注意，这里的KENEL_START是kernel空间开始的虚拟地址。   
55. #         * 这里的目录表项同样是section，即一个项映射1M的内存。   
56. #         */    
57. #     
58. #     
59. #        /* KERNEL_START = PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET，   
60. #         * r0 = ((uint32_t *)(r4))[ (KERNEL_START & 0xff000000) >> 20]，   
61. #         * 即r0指向KERNEL_START& 0xff000000(即kernel以16M向下对齐的)虚拟地址，所在项表目录中的位置。   
62. #    
63. #        add r0, r4,  #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18   
64. #    
65. #       /* r0 = ((uint32_t *)r0)[(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 20]   
66. #        * 执行前r0指向kernel以16M向下对齐的虚执地址，而这里再加上KERNEL_START未以16M向对齐部分的偏移量。   
67. #        * 将原来r3的值写到页表目录中。R3的值就是之前已建立好va=pa映射的那个PA值。   
68. #        */    
69. #     
70. #        str   r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]!    
71. #     
72. #       /* r6为kernel镜像的尾部虚拟地址。*/    
73. #     
74. #        ldr   r6, =(KERNEL_END - 1)    
75. #     
76. #       /* 指向下一个即将要填写的目录项 */    
77. #     
78. #        add r0, r0, #4    
79. #     
80. #       /* r6指向KERNEL_END- 1虚拟地址所在的目录表项的位置 */    
81. #     
82. #       add r6, r4, r6, lsr #18    
83. # 1:    cmp       r0, r6    
84. #     
85. #       /* 每填一个目录项，后一个比前一个所指向的物理地址大1M。*/    
86. #       add r3, r3, #1 << 20    
87. #       strls r3, [r0], #4    
88. #       bls   1b    
89. #     
90. #  #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL    
91. #        /* 忽略，不分析这种情况 */    
92. # #endif    
93. #     
94. #     /* 通常kernel的启动参数由bootloader放到了物理内存的第1个M上，所以需要为RAM上的第1个M建立映射。   
95. #      * 上面已为PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET建立了映射，如果TEXT_OFFSET小于0x00100000的话，   
96. #      * 上面代码应该也为SDRAM的第一个M建立了映射，但如果大于0x0010000则不会。   
97. #      * 所以这里无论如何均为SDRAM的第一个M建立映射（不知分析对否，还请指正）。   
98. #      */    
99. #        add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18    
100. #        orr   r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)    
101. #        .if    (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)    
102. #        orr   r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000)    
103. #        .endif    
104. #        str   r6, [r0]    
105. #     
106. # #ifdef CONFIG_DEBUG_LL    
107. #        /*略去 */    
108. # #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)    
109. #        /* 略去 */    
110. # #endif    
111. #     
112. # #ifdef CONFIG_ARCH_RPC    
113. #  /* 略去 */    
114. # #endif    
115. #     
116. # #endif    
117. #     
118. #        mov pc, lr    
119. # ENDPROC(__create_page_tables)   

5. 开启MMU

看完页表的建立，想必开启MMU的代码也是小菜一碟吧。此函数的主要功能是将页表的基址加到cp15中的面表指针寄存器，同时设置域访问(domain access)寄存器。

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1.  1. /*  
2.  2.  * Setup common bits before finally enabling the MMU.  Essentially  
3.  3.  * this is just loading the page table pointer and domain access  
4.  4.  * registers.  
5.  5.  */    
6.  6. __enable_mmu:    
7.  7.  /* 这里设置是否为非对齐内存访问产生异常 */    
8.  8. #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP    
9.  9.        orr   r0, r0, #CR_A    
10. 10. #else    
11. 11.        bic   r0, r0, #CR_A    
12. 12. #endif    
13. 13.  /* 是否禁用数据缓存功能*/    
14. 14. #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE    
15. 15.        bic   r0, r0, #CR_C    
16. 16. #endif    
17. 17.  /* 是否禁用CPU_BPREDICT ?，不是很清楚此选项 */    
18. 18. #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE    
19. 19.        bic   r0, r0, #CR_Z    
20. 20. #endif    
21. 21.  /* 是否禁用指令缓存功能 */    
22. 22. #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE    
23. 23.        bic   r0, r0, #CR_I    
24. 24. #endif    
25. 25.     
26. 26.       /* 设置域访问寄存器的值。这里设置每个domain的属性是否上面建立的页表中，  
27. 27.        * 每个目录项的damon值一起进行访问控制检查。具体情况请参考ARM处理器手册。  
28. 28.        */    
29. 29.     
30. 30.        mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \    
31. 31.                     domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \    
32. 32.                     domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \    
33. 33.                     domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))    
34. 34.        mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0           @ load domain access register    
35. 35.        mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0           @ load page table pointer    
36. 36.        b     __turn_mmu_on    
37. 37. ENDPROC(__enable_mmu)    
38. 38.     
39. 39. /*  
40. 40.  * Enable the MMU.  This completely changes the structure of the visible  
41. 41.  * memory space.  You will not be able to trace execution through this.  
42. 42.  * If you have an enquiry about this, *please* check the linux-arm-kernel  
43. 43.  * mailing list archives BEFORE sending another post to the list.  
44. 44.  *  
45. 45.  *  r0  = cp#15 control register  
46. 46.  *  r13 = *virtual* address to jump to upon completion  
47. 47.  *  
48. 48.  * other registers depend on the function called upon completion  
49. 49.  */    
50. 50.     
51. 51.        .align      5    
52. 52. __turn_mmu_on:    
53. 53.        mov r0, r0    
54. 54.     
55. 55.       /* 将r0的值写到控制寄存器中。这里，终于开启MMU功能了。  
56. 56.        * 查阅手册说控制寄存器的0位置1表示开启MMU，但这里r0的第0是多少呢（还请大家指正）  
57. 57.        */    
58. 58.     
59. 59.        mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0           @ write control reg    
60. 60.        mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0           @ read id reg    
61. 61.     
62. 62.      /* 这里的两个mov似乎是否流水线有关的，开启MMU语句后面几条是不能进行内存寻址的。但仍未搞明白具体东西的。*/    
63. 63.        mov r3, r3    
64. 64.        mov r3, r3    
65. 65.     
66. 66.      /* 转跳到r13的函数中去，r13为__mmap_switched函数的虚拟地址，  
67. 67.       * 从stext函数的未尾可以找到它的赋值。故从此开始pc的值就真正在内存的虚拟地址空间了。  
68. 68.       */    
69. 69.     
70. 70.        mov pc, r13    
71. 71. ENDPROC(__turn_mmu_on)    

6.__mmap_switched函数

__mmap_switched函数专用来设置C语言的执行环境，比如重定位工作，堆栈，以及BSS段的清零。 

__switch_data变量先定义了一系里面处量的数据，如重定位和数据段的地址，BSS段的地址，pocessor_id和__mach_arch_type变量的地址等。

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1. #       .type       __switch_data, %object    
2. # __switch_data:    
3. #        .long       __mmap_switched    
4. #        .long       __data_loc                  @ r4    
5. #        .long       _data                           @ r5    
6. #        .long       __bss_start                  @ r6    
7. #        .long       _end                            @ r7    
8. #        .long       processor_id               @ r4    
9. #        .long       __machine_arch_type         @ r5    
10. #        .long       __atags_pointer                  @ r6    
11. #        .long       cr_alignment                @ r7    
12. #        .long       init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp    
13. #      
14. # /*   
15. #  * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,   
16. #  * and uses absolute addresses; this is not position independent.   
17. #  *   
18. #  *  r0  = cp#15 control register   
19. #  *  r1  = machine ID   
20. #  *  r2  = atags pointer   
21. #  *  r9  = processor ID   
22. #  */    
23. # __mmap_switched:    
24. #        adr  r3, __switch_data + 4    
25. #        /* r4 = __data_loc, r5 = _data, r6 = _bss_start, r7 = _end */    
26. #        ldmia      r3!, {r4, r5, r6, r7}    
27. #     
28. #       /* 下面这段代码类似于这段C代码, 即将整个数据段从__data_loc拷贝到_data段。   
29. #        * if (__data_loc  == _data || _data != _bass_start)   
30. #        *    memcpy(_data, __data_loc, _bss_start - _data);   
31. #        */    
32. #     
33. #        cmp      r4, r5                           @ Copy data segment if needed    
34. # 1:     cmpne    r5, r6    
35. #        ldrne       fp, [r4], #4    
36. #        strne       fp, [r5], #4    
37. #        bne  1b    
38. #     
39. #        /* 将BSS段，也即从_bss_start到_end的内存清零。 */    
40. #     
41. #        mov fp, #0                          @ Clear BSS (and zero fp)    
42. # 1:     cmp     r6, r7    
43. #        strcc       fp, [r6],#4    
44. #        bcc  1b    
45. #     
46. #    /* r4 = processor_id,   
47. #     * r5 = __machine_arch_type   
48. #     * r6 = __atags_pointer   
49. #     * r7 = cr_alignment   
50. #     * sp = init_thread_union + THREAD_START_SP   
51. #     * 为什么将栈顶指针设置为init_thread_union + THREAD_START_SP   
52. #     * init_head_union 变量是一个大小为THREAD_SIZE的union，它在编译时，放到数据段的前面。   
53. #     * 初步估计这块空间是内核堆栈。故在跳入C语言代码时，它SP的值设置为init_thread_union + THREAD_START_SP。   
54. #     * 注意THREAD_START_SP定义为THREAD_SIZE – 8，中间为什么留出8个字节呢？是与ARM的堆栈操作有关吗？ 还有用专向start_kernel函数传递参数？   
55. #     */    
56. #      
57. #        ldmia      r3, {r4, r5, r6, r7, sp}    
58. #        str   r9, [r4]                 @ Save processor ID    
59. #        str   r1, [r5]                 @ Save machine type    
60. #        str   r2, [r6]                 @ Save atags pointer    
61. #        bic   r4, r0, #CR_A                    @ Clear 'A' bit    
62. #     
63. #     /* cr_alignment变量的后面接着放置cr_no_alignment,    
64. #      * r0为打开alignment检测时，控制寄存器的值，而r4为关闭时的值,   
65. #      * 这里分将将打开和关闭alignment检查的控制寄存器的值写到   
66. #      * cr_alignment和cr_no_alignement变量中。   
67. #      */    
68. #     
69. #        stmia      r7, {r0, r4}                  @ Save control register values    
70. #     
71. #      /* 跳到start_kernel函数，此函数代码用纯C来实现，它会调用各个平台的相关初始化函数，   
72. #       * 来实现不同平台的初始化工作。至此，arm linux的启动工作完成。   
73. #       */    
74. #     
75. #        b     start_kernel    
76. # ENDPROC(__mmap_switched)    

        好啦，switch操作完成以后就会b start_kernel了～ 这样就进入了c代码的运行了，下一篇文章仔细研究这个start_kernel的函数～～

原文链接：http://blog.youkuaiyun.com/Tommy_wxie/article/details/7238748