kernel 启动流程之 【head.S】 学习笔记

1、系统引导程序 【参考：kernel-3.18/Documentation/arm/Booting】

bootloader 要干的主要事情：

找到并初始化内存；

初始化和使能一个串口输出，这个对于调试很重要；

获取CPU类型，指的是具体体现结构CPU的类型，比如ARM Cortex-x系列；

初始化kernel tagged list，向kernel传递系统内存和根文件系统位置和其它信息；

加载 initramfs (基于ram的一种fs)；

初始化设备树，跳转到kernel代码段入口stext；

进入kernel执行前的CPU的状态：

r0 = 0,

r1 = CPU 类型.

r2 = kernel参数list的物理地址.

irq & fiq 必须关闭.

MMU 必须关闭，这里内存地址都是物理地址.

D-cache 必须关闭，I-cache 没有要求.

2、Kernel 启动

入口程序是stext (参考 kernel-3.18/arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S), 代码位于 kernel-3.18/arch/arm/kernel/head.S 文件中,如下代码： 【head.S 从系统引导程序拿到系统控制权，代码跟体系结构强相关，深入分析需要查阅数据手册学习ARM指令集和体系结构相关知识，这里只关注启动主线流程，不做深入分析】
 
  /*

* Kernel startup entry point.
* ---------------------------
*
* This is normally called from the decompressor code.  The requirements
* are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
* r1 = machine nr, r2 = atags or dtb pointer.
*
* This code is mostly position independent, so if you link the kernel at
* 0xc0008000, you call this at __pa(0xc0008000).
*
* See linux/arch/arm/tools/mach-types for the complete list of machine
* numbers for r1.
*
* We're trying to keep crap to a minimum; DO NOT add any machine specific
* crap here - that's what the boot loader (or in extreme, well justified
* circumstances, zImage) is for.
*/

.arm

__HEAD                @ .section ".head.text","ax"

ENTRY(stext)          @ 只读内存布局代码段函数入口.定义一个全局声明
ARM_BE8(setend	be )

THUMB(	adr	r9, BSYM(1f)	)
THUMB(	bx	r9		)
THUMB(	.thumb			)
THUMB(1:			)

bl	__hyp_stub_install       @ 允许kernel(EL1）切换到hypervisor mode(EL2)

safe_svcmode_maskall r9          @ 关闭所有fiq，irq，切换到svc（管理）mode.

mrc	p15, 0, r9, c0, c0		@ 协处理器指令，获取cpu id，比如armv7 or armv8
bl	__lookup_processor_type
movs	r10, r5			        @ 判断cpu id是否有效，movs是会影响cpsr进位bit
THUMB( it	eq )
beq	__error_p

adr	r3, 2f
ldmia	r3, {r4, r8}                    @ 计算物理地址偏移
sub	r4, r3, r4			@ (PHYS_OFFSET - PAGE_OFFSET)
add	r8, r8, r4			@ PHYS_OFFSET

bl	__vet_atags

bl	__fixup_smp

bl	__create_page_tables            @ 创建临时页表.

ldr	r13, =__mmap_switched           @ 将 __mmap_switched 地址赋值给r13，关键！
@ 使能mmu，因为内核中都是虚拟地址，
@ 需要使能mmu实现虚拟地址到物理地址的转换。
adr	lr, BSYM(1f)
mov	r8, r4
ARM(	add	pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC	)
THUMB(	add	r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC	)
THUMB(	ret	r12				)
1:	b	__enable_mmu
ENDPROC(stext)

这里有个关键地方就是 ldr r13, =__mmap_switched 指令表示把__mmap_switched 地址取出来存到r13，这个下面有用，但是没有看到具体哪里跳转到c语言入口， 这里执行的最后一条指令是： b __enable_mmu .

__enable_mmu:
...
b  __turn_mmu_on  @ 跳转到下一个函数
ENDPROC(__enable_mmu)

使能 mmu ：

__turn_mmu_on

ENTRY(__turn_mmu_on)
mov	r0, r0
instr_sync
mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0		@ write control reg
mrc	p15, 0, r3, c0, c0, 0		@ read id reg
instr_sync
mov	r3, r3
mov	r3, r13       @ 这里把r13赋值给r3
ret	r3            @ 返回r3，相当于 b r3

__turn_mmu_on_end:
ENDPROC(__turn_mmu_on)

最后执行的是ret r3，而r3是由r13赋值而来，而r13的值又是从stext 函数里面取的__mmap_switched的地址，所以这里就是跳到到 __mmap_switched 代码：

__mmap_switched宏的文件在目录： kernel-3.18/arch/arm/kernel/head_common.S

__mmap_switched:
adr	r3, __mmap_switched_data

ldmia	r3!, {r4, r5, r6, r7}
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

ARM(	ldmia	r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
THUMB(	ldmia	r3, {r4, r5, r6, r7}	)
THUMB(	ldr	sp, [r3, #16]		)
str	r9, [r4]			@ Save processor ID
str	r1, [r5]			@ Save machine type
str	r2, [r6]			@ Save atags pointer
cmp	r7, #0
strne	r0, [r7]			@ Save control register values
b	start_kernel       @ 这个就是我们要找到内核c入口，
@ 但是这个怎么和上面串联起来呢？
ENDPROC(__mmap_switched)

所以从上面看就很明显了，r13存了__mmap_switched的地址，然后又赋值给r3， 通过ret指令带回顺利跳转到__mmap_switched 代码中，最后跳转到start_kernel进入 内核c语言执行环境. 这里需要注意一点，在lk启动阶段因为是物理地址，所以需要关闭mmu，而进入内核镜像执行时需要使能mmu和D-cache，因为内核镜像中的地址都是虚拟地址，所以需要使能mmu实现地址转换.

head.S 小结：

1、允许kernel切换到EL2（hypervisor） (EL0/EL1必须实现, EL2/EL3可选实现）;

2、关闭 fiq / irq，切换到svc（管理）模式；

3、获取cpu id，并做合法性检查；

4、计算物理地址偏移，创建初始内存页表（PGD,PUD,PMD,PTE），建立物理地址跟虚拟地址映射 PA = f（VA）

5、使能mmu,内核中都是虚拟内存地址，需要mmu提供translation table walk支持；

6、跳转到内核C代码入口 start_kernel，执行内核通用初始化。