ARM Linux源码分析之内核和异常的初始化过程
2015-03-22 13:45
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中断系统的初始化时由start_kernel调用setup_arch进行平台体系(处理器芯片)相关的初始化，然后复制中断向量表到内存中并对irq进行初始化:
代码[2]：复制中断向量表到内存地址CONFIG_VECTORS_BASE
代码[3]: init_IRQ对irq进行初始化时，又调用了init_arch_irq对于具体平台体系的中断进行初始化。而init_arch_irq是在start_kernel里调用setup_arch函数设定的
stats per cpu），指向定义的二维数组中的对应的行。alloc_desc_masks(&desc[i], 0, true)和init_desc_masks(&desc[i])函数在非SMP平台上为空函数。arch_early_irq_init()在主要用于x86平台和PPC平台，其他平台上为空函数。
register)中V位(bit[13])的控制，如果V=1，则异常向量表的地址为0x00000000~0x0000001C；如果V=0，则为:0xffff0000~0xffff001C。（详情请参考ARM Architecture Reference Manual)
由上面可得到cr_alignment为零，异常向量则在高端地址，CPU高端寻址。
那么是如何将cr_alignment配置为零的呢？
当在arm920_setup设置完协处理器和返回寄存器r0之后，跳回到linux/arch/arm/kernel/head.S文件中的第９９行，在lr寄存器中放置__switch_data中的数据__mmap_switched，第３２７行程序会跳转到__mmap_switched处。在__turn_mmu_on:后，第１９３，１９４行，把r0寄存器中的值写回到cp15的control register(c1)中,再读出来放在r0中。
接下来再来看一下跳转到__mmap_switched处的代码：
41~43行的结果是：r6=__bss_start，r7=__end,...,r7=cr_alignment,..,这里r7保存的是cr_alignment变量的地址。
到了60行，由于之前r0保存的是cp15的control register(c1)的值，这里把r0的值写入r7指向的地址，即cr_alignment=r0．到此为止，我们就看清楚了cr_alignment的赋值过程。
让我们回到trap_init()函数，经过上面的分析，我们知道vectors_base返回0xffff0000。函数__trap_init由汇编代码编写，在arch/arm/kernel/entry-arm.S：
/* init/main.c */
asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
……
[1]setup_arch(&command_line);
……
[2]trap_init();
……
[3]init_IRQ();
……
} 代码[1]：进入setup_arch()函数中并调用了early_irq_init()函数代码[2]：复制中断向量表到内存地址CONFIG_VECTORS_BASE
代码[3]: init_IRQ对irq进行初始化时，又调用了init_arch_irq对于具体平台体系的中断进行初始化。而init_arch_irq是在start_kernel里调用setup_arch函数设定的
1.分析setch_arch()函数中调用的early_irq_init()函数：
void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{#ifdef CONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER
handle_arch_irq = mdesc->handle_irq;
#endif
......
early_trap_init();
if (mdesc->init_early)
mdesc->init_early();
}
---------------------------------------------------分割线
int __init early_irq_init(void)
{
struct irq_desc *desc;
int count;
int i;
init_irq_default_affinity();
printk(KERN_INFO "NR_IRQS:%d\n", NR_IRQS);
desc = irq_desc;
count = ARRAY_SIZE(irq_desc);
for (i = 0; i < count; i++) {
desc[i].irq = i;
alloc_desc_masks(&desc[i], 0, true);
init_desc_masks(&desc[i]);
desc[i].kstat_irqs = kstat_irqs_all[i];
}
return arch_early_irq_init();
} 该函数主要工作即为初始化用于管理中断的irq_desc[NR_IRQS]数组的每个元素，它主要设置数组中每一个成员的中断号，使得数组中每一个元素的kstat_irqs字段（irqstats per cpu），指向定义的二维数组中的对应的行。alloc_desc_masks(&desc[i], 0, true)和init_desc_masks(&desc[i])函数在非SMP平台上为空函数。arch_early_irq_init()在主要用于x86平台和PPC平台，其他平台上为空函数。
2. trap_init()拷贝中断向量表到高地址，并让cpu发生中断时在高端寻址
调用trap_init()前，先列出相关的中断向量表：/*_ arch/arm/kernel/entry-armv.S */中断向量表
_vectors_start:
swi SYS_ERROR0
b vector_und + stubs_offset
ldr pc, .LCvswi + stubs_offset
b vector_pabt + stubs_offset
b vector_dabt + stubs_offset
b vector_addrexcptn + stubs_offset
b vector_irq + stubs_offset
b vector_fiq + stubs_offset
.globl __vectors_end
__vectors_end:2.1进行中断向量表的拷贝：
/* linux/arch/arm/kernel/traps.c */
void __init trap_init(void)
{
unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
extern char __stubs_start[], __stubs_end[];
extern char __vectors_start[], __vectors_end[];
extern char __kuser_helper_start[], __kuser_helper_end[];
int kuser_sz = __kuser_helper_end - __kuser_helper_start;
/*
* Copy the vectors, stubs and kuser helpers (in entry-armv.S)
* into the vector page, mapped at 0xffff0000, and ensure these
* are visible to the instruction stream.
*/
memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);
memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);
memcpy((void *)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz);
/*
* Copy signal return handlers into the vector page, and
* set sigreturn to be a pointer to these.
*/
memcpy((void *)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
sizeof(sigreturn_codes));
flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);2.2如何保证cpu在中断的时候高端寻址
CONFIG_VECTORS_BASE是一个宏，用来获取ARM异常向量的地址；该宏在/arch/arm/configs/s3c2410_defconfig中定义：<span style="white-space:pre"> </span>CONFIG_VECTORS_BASE=0xffff0000另外在include/arch/asm-arm/system.h也有相关代码保证CPU在高端寻址。
/* include/arch/asm-arm/system.h*/
#define CPU_ARCH_ARMv5 4
#define CR_V (1 << 13) /* Vectors relocated to 0xffff0000 */
extern unsigned long cr_no_alignment; /* defined in entry-armv.S */
extern unsigned long cr_alignment; /* defined in entry-armv.S */
#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 4
#define vectors_high() (cr_alignment & CR_V)
#else
#define vectors_high() (0)
#endif
-------------------------------------------------------------------分割线/*arch/arm/kernel/entry-armv.S—找到cr_alignment的定义*/
.globl cr_alignment
.globl cr_no_alignment
cr_alignment:
.space 4
cr_no_alignment:
.space 4 对于ARMv4以下的版本，这个地址固定为0；ARMv4及其以上的版本，ARM异常向量表的地址受协处理器CP15的c1寄存器(controlregister)中V位(bit[13])的控制，如果V=1，则异常向量表的地址为0x00000000~0x0000001C；如果V=0，则为:0xffff0000~0xffff001C。（详情请参考ARM Architecture Reference Manual)
由上面可得到cr_alignment为零，异常向量则在高端地址，CPU高端寻址。
那么是如何将cr_alignment配置为零的呢？
/*linux/arch/arm/kernel/head.S—当内核启动时，进入head.S文件*/
ENTRY(stext)
msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
@ and irqs disabled
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
beq __error_p @ yes, error 'p'
bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo
movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?
beq __error_a @ yes, error 'a'
bl __vet_atags
bl __create_page_tables //创建arm启动临时使用的前4M页表
ldr r13, __switch_data @ address to jump to after //９９行
@ mmu has been enabled
adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address
add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC //１０２行
…… …… …… …… …… …… ……
__turn_mmu_on:
mov r0, r0 //填充armv4中的三级流水线:mov r0，r0 对//应一个nop，所以对应2个nop和一个mov pc,lr刚好三个"无用"操作
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg //１９３行
mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg
…… …… …… …… …… …… ……
mov pc, lr //３２７行
在s3c2410平台中，它将跳转到arch/arm/mm/proc-arm920.S中执行__arm920 _setup函数。即第１０２行“add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC”： 执行b _arm920_setup
linux/arch/arm/mm/proc-arm920.S: MMU functions for ARM920
.section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr
.type __arm920_proc_info,#object
__arm920_proc_info:
.long 0x41009200
.long 0xff00fff0
.long PMD_TYPE_SECT | \
PMD_SECT_BUFFERABLE | \
PMD_SECT_CACHEABLE | \
PMD_BIT4 | \
PMD_SECT_AP_WRITE | \
PMD_SECT_AP_READ
.long PMD_TYPE_SECT | \
PMD_BIT4 | \
PMD_SECT_AP_WRITE | \
PMD_SECT_AP_READ
b __arm920_setup
// add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC”：将执行b _arm920_setup
.long cpu_arch_name
.long cpu_elf_name
.long HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB
.long cpu_arm920_name
.long arm920_processor_functions
…… …… …… …… …… …… ……
.size __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info
…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
.type __arm920_setup, #function
__arm920_setup:
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7 @ invalidate I,D caches on v4
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer on v4
#ifdef CONFIG_MMU
mcr p15, 0, r0, c8, c7 @ invalidate I,D TLBs on v4
#endif
adr r5, arm920_crval
ldmia r5, {r5, r6}
mrc p15, 0, r0, c1, c0 @ get control register v4
bic r0, r0, r5
orr r0, r0, r6
mov pc, lr
.size __arm920_setup, . - __arm920_setup 当在arm920_setup设置完协处理器和返回寄存器r0之后，跳回到linux/arch/arm/kernel/head.S文件中的第９９行，在lr寄存器中放置__switch_data中的数据__mmap_switched，第３２７行程序会跳转到__mmap_switched处。在__turn_mmu_on:后，第１９３，１９４行，把r0寄存器中的值写回到cp15的control register(c1)中,再读出来放在r0中。
接下来再来看一下跳转到__mmap_switched处的代码：
/* linux/arch/arm/kernel/head-common.S */
.type __switch_data, %object
__switch_data:
.long __mmap_switched
.long __data_loc @ r4
.long __data_start @ r5
.long __bss_start @ r6
.long _end @ r7
.long processor_id @ r4
.long __machine_arch_type @ r5
.long __atags_pointer @ r6
.long cr_alignment @ r7
.long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp
/*
* The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,
* and uses absolute addresses; this is not position independent.
*
* r0 = cp#15 control register
* r1 = machine ID
* r2 = atags pointer
* r9 = processor ID
*/
.type __mmap_switched, %function
__mmap_switched: //40行
adr r3, __switch_data + 4 //41行
ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7} //43行
cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
1: cmpne r5, r6
ldrne fp, [r4], #4
strne fp, [r5], #4
bne 1b
mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)
1: cmp r6, r7
strcc fp, [r6],#4
bcc 1b //53行
ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp} // sp ～ (init_task_union)+8192
str r9, [r4] @ Save processor ID
str r1, [r5] @ Save machine type
str r2, [r6] @ Save atags pointer
bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit
stmia r7, {r0, r4} @ Save control register values //60行
b start_kernel // 进入内核C程序41~43行的结果是：r6=__bss_start，r7=__end,...,r7=cr_alignment,..,这里r7保存的是cr_alignment变量的地址。
到了60行，由于之前r0保存的是cp15的control register(c1)的值，这里把r0的值写入r7指向的地址，即cr_alignment=r0．到此为止，我们就看清楚了cr_alignment的赋值过程。
让我们回到trap_init()函数，经过上面的分析，我们知道vectors_base返回0xffff0000。函数__trap_init由汇编代码编写，在arch/arm/kernel/entry-arm.S：
/*linux/arch/arm/kernel/entry-armv.S */
/*============================================================
* Address exception handler
*-----------------------------------------------------------------------------
* These aren't too critical.
* (they're not supposed to happen, and won't happen in 32-bit data mode).
*/
vector_addrexcptn:
b vector_addrexcptn
/*
* We group all the following data together to optimise
* for CPUs with separate I & D caches.
*/
.align 5
.LCvswi:
.word vector_swi
.globl __stubs_end
__stubs_end:
.equ stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start
.globl __vectors_start
__vectors_start:
swi SYS_ERROR0
b vector_und + stubs_offset
ldr pc, .LCvswi + stubs_offset
b vector_pabt + stubs_offset
b vector_dabt + stubs_offset
b vector_addrexcptn + stubs_offset
b vector_irq + stubs_offset
b vector_fiq + stubs_offset
.globl __vectors_end
__vectors_end:
.data
.globl cr_alignment
.globl cr_no_alignment
cr_alignment:
.space 4
cr_no_alignment:
.space 4 当有异常发生时，处理器会跳转到对应的0xffff0000起始的向量处取指令，然后，通过b指令散转到异常处理代码．因为ARM中b指令是相对跳转，而且只有+/-32MB的寻址范围，所以把__stubs_start~__stubs_end之间的异常处理代码复制到了0xffff0200起始处．这里可直接用b指令跳转过去，这样比使用绝对跳转（ldr)效率高。2.3 init_IRQ()
/* linux/arch/arm/kernel/irq.c */
void __init init_IRQ(void)
{
int irq;
for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++) // NR_IRQS代表中断数目
irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;
// irq_desc数组是用来描述IRQ的请求队列，每一个中断号分配一个
//irq_desc结构，组成了一个数组。
#ifdef CONFIG_SMP
bad_irq_desc.affinity = CPU_MASK_ALL;
bad_irq_desc.cpu = smp_processor_id();
#endif
init_arch_irq();
}/* include/linux/irq.h */
* struct irq_desc - interrupt descriptor
*
* @handle_irq: highlevel irq-events handler [if NULL, __do_IRQ()]
* @chip: low level interrupt hardware access
* @msi_desc: MSI descriptor
* @handler_data: per-IRQ data for the irq_chip methods
* @chip_data: platform-specific per-chip private data for the chip
* methods, to allow shared chip implementations
* @action: the irq action chain
* @status: status information
* @depth: disable-depth, for nested irq_disable() calls
* @wake_depth: enable depth, for multiple set_irq_wake() callers
* @irq_count: stats field to detect stalled irqs
* @irqs_unhandled: stats field for spurious unhandled interrupts
* @last_unhandled: aging timer for unhandled count
* @lock: locking for SMP
* @affinity: IRQ affinity on SMP
* @cpu: cpu index useful for balancing
* @pending_mask: pending rebalanced interrupts
* @dir: /proc/irq/ procfs entry
* @affinity_entry: /proc/irq/smp_affinity procfs entry on SMP
* @name: flow handler name for /proc/interrupts output
*/
struct irq_desc {
irq_flow_handler_t handle_irq;
struct irq_chip *chip;
struct msi_desc *msi_desc;
void *handler_data;
void *chip_data;
struct irqaction *action; /* IRQ action list */
unsigned int status; /* IRQ status */
unsigned int depth; /* nested irq disables */
unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */
unsigned int irq_count; /* For detecting broken IRQs */
unsigned int irqs_unhandled;
unsigned long last_unhandled; /* Aging timer for unhandled count */
spinlock_t lock;
#ifdef CONFIG_SMP
cpumask_t affinity;
unsigned int cpu;
#endif
#if defined(CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ) || defined(CONFIG_IRQBALANCE)
cpumask_t pending_mask;
#endif
#ifdef CONFIG_PROC_FS
struct proc_dir_entry *dir;
#endif
const char *name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;
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