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(setendbe ) THUMB(adrr9, BSYM(1f)) THUMB(bxr9) 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.mrcp15, 0, r9, c0, c0@ 协处理器指令，获取cpu id，比如armv7 or armv8bl__lookup_processor_typemovsr10, r5        @ 判断cpu id是否有效，movs是会影响cpsr进位bit    THUMB( iteq )beq__error_padrr3, 2fldmiar3, {r4, r8}                    @ 计算物理地址偏移subr4, r3, r4@ (PHYS_OFFSET - PAGE_OFFSET)addr8, r8, r4@ PHYS_OFFSETbl__vet_atagsbl__fixup_smpbl__create_page_tables            @ 创建临时页表.ldrr13, =__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。adrlr, BSYM(1f)movr8, r4 ARM(addpc, r10, #PROCINFO_INITFUNC) THUMB(addr12, r10, #PROCINFO_INITFUNC) THUMB(retr12)1:b__enable_mmuENDPROC(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)movr0, r0instr_syncmcrp15, 0, r0, c1, c0, 0@ write control regmrcp15, 0, r3, c0, c0, 0@ read id reginstr_syncmovr3, r3movr3, r13       @ 这里把r13赋值给r3retr3            @ 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:adrr3, __mmap_switched_dataldmiar3!, {r4, r5, r6, r7}cmpr4, r5@ Copy data segment if needed1:cmpner5, r6ldrnefp, [r4], #4strnefp, [r5], #4bne1bmovfp, #0@ Clear BSS (and zero fp)1:cmpr6, r7strccfp, [r6],#4bcc1b ARM(ldmiar3, {r4, r5, r6, r7, sp}) THUMB(ldmiar3, {r4, r5, r6, r7}) THUMB(ldrsp, [r3, #16])strr9, [r4]@ Save processor IDstrr1, [r5]@ Save machine typestrr2, [r6]@ Save atags pointercmpr7, #0strner0, [r7]@ Save control register valuesbstart_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。