Linux内核源码分析--内核启动之(1)zImage自解压过程（Linux-3.0 ARMv7）

时间：2014-07-10 00:53:07 阅读：600 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

转载自：http://blog.chinaunix.net/uid-20543672-id-3018233.html

研究内核源码和内核运行原理的时候，很总要的一点是要了解内核的初始情况，也就是要了解内核启动过程。我在研究内核的内存管理的时候，想知道内核启动后的页表的放置，页表的初始化等信息，这促使我这次仔细地研究内核的启动代码。

CPU在bootloader的帮助下将内核载入到了内存中，并开始执行。当然，bootloader必须为zImage做好必要的准备：

1． CPU 寄存器的设置：	R0＝0； R1＝Machine ID(即Machine Type Number，定义在linux/arch/arm/tools/mach-types)； R2＝内核启动参数在 RAM 中起始基地址；
2． CPU 模式：	必须禁止中断（IRQs和FIQs）； CPU 必须 SVC 模式；
3． Cache 和 MMU 的设置：	MMU 必须关闭；指令 Cache 可以打开也可以关闭；数据 Cache 必须关闭；

载自：一、Boot Loader的概念和功能

知道内核zImage生成的朋友一定知道：真正的内核执行映像其实是在编译时生成arch/$(ARCH)/boot/文件夹中的Image文件（bin 文件），而zImage其实是将这个可执行文件作为数据段包含在了自身中，而zImage的代码功能就是将这个数据（Image）正确地解压到编译时确定的位置中去，并跳到Image中运行。所以实现bootloader引导的压缩映像zImage的入口是由arch/arm /boot/compressed/vmlinux.lds决定的（这个文件是由vmlinux.lds.in生成的）。所以从 vmlinux.lds.in中可以看出压缩映像的入口在哪：

......
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
/DISCARD/ : {
*(.ARM.exidx*)
*(.ARM.extab*)
/*
* Discard any r/w data - this produces a link error if we have any,
* which is required for PIC decompression. Local data generates
* GOTOFF relocations, which prevents it being relocated independently
* of the text/got segments.
*/
*(.data)
}
. = TEXT_START;
_text = .;
.text : {
_start = .;
*(.start)
*(.text)
......

我们可以在arch/arm/boot/compressed/head.S找到这个start入口，这样就可以从这里开始用代码分析的方法研究bootloader跳转到压缩内核映像后的自解压启动过程：

再看到MMU设置的时候，我只研究了armv7的指令。看这些代码，必须对ARM的MMU有一定的了解，建议参考ARMv7的构架手册和网上的一份PDF《ARM MMU中文详解》（就是ARM手册中MMU部分的翻译）

/*
* linux/arch/arm/boot/compressed/head.S
*
* Copyright (C) 1996-2002 Russell King
* Copyright (C) 2004 Hyok S. Choi (MPU support)
*
* This program is free software; you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
* published by the Free Software Foundation.
*/
#include <linux/linkage.h>
/*
* 调试宏
*
* 注意：这些宏必须不包含那些非100%可重定位的代码
* 任何试图这样做的结果是导致程序崩溃
* 当打开调试时请选择以下一个使用
*/
#ifdef DEBUG /* 调试宏-中间层 */
#if defined(CONFIG_DEBUG_ICEDCC) /* 使用内部调试协处理器CP14 */
#if defined(CONFIG_CPU_V6) || defined(CONFIG_CPU_V6K) || defined(CONFIG_CPU_V7)
.macro loadsp, rb, tmp
.endm
.macro writeb, ch, rb
mcr p14, 0, \ch, c0, c5, 0
.endm
#elif defined(CONFIG_CPU_XSCALE)
.macro loadsp, rb, tmp
.endm
.macro writeb, ch, rb
mcr p14, 0, \ch, c8, c0, 0
.endm
#else
.macro loadsp, rb, tmp
.endm
.macro writeb, ch, rb
mcr p14, 0, \ch, c1, c0, 0
.endm
#endif
#else /* 使用串口作为调试通道 */
#include <mach/debug-macro.S> /* 包含构架相关的的调试宏的汇编文件调试宏-底层 */
.macro writeb, ch, rb
senduart \ch, \rb
.endm
#if defined(CONFIG_ARCH_SA1100)
.macro loadsp, rb, tmp
mov \rb, #0x80000000 @ physical base address
#ifdef CONFIG_DEBUG_LL_SER3
add \rb, \rb, #0x00050000 @ Ser3
#else
add \rb, \rb, #0x00010000 @ Ser1
#endif
.endm
#elif defined(CONFIG_ARCH_S3C2410)
.macro loadsp, rb, tmp
mov \rb, #0x50000000
add \rb, \rb, #0x4000 * CONFIG_S3C_LOWLEVEL_UART_PORT
.endm
#else
.macro loadsp, rb, tmp
addruart \rb, \tmp
.endm
#endif
#endif
#endif /* DEBUG */
/* 调试宏-上层 */
.macro kputc,val /* 打印字符 */
mov r0, \val
bl putc
.endm
.macro kphex,val,len /* 打印十六进制数 */
mov r0, \val
mov r1, #\len
bl phex
.endm
.macro debug_reloc_start /* 重定位内核调试宏-开始 */
#ifdef DEBUG
kputc #‘\n‘
kphex r6, 8 /* 处理器 id */
kputc #‘:‘
kphex r7, 8 /* 构架 id */
#ifdef CONFIG_CPU_CP15
kputc #‘:‘
mrc p15, 0, r0, c1, c0
kphex r0, 8 /* 控制寄存器 */
#endif
kputc #‘\n‘
kphex r5, 8 /* 解压后的内核起始地址 */
kputc #‘-‘
kphex r9, 8 /* 解压后的内核结束地址 */
kputc #‘>‘
kphex r4, 8 /* 内核执行地址 */
kputc #‘\n‘
#endif
.endm
.macro debug_reloc_end /* 重定位内核调试宏-结束 */
#ifdef DEBUG
kphex r5, 8 /* 内核结束地址 */
kputc #‘\n‘
mov r0, r4
bl memdump /* 打印内核起始处 256 字节 */
#endif
.endm
.section ".start", #alloc, #execinstr
/*
* 清理不同的调用约定
*/
.align
.arm @ 启动总是进入ARM状态
start:
.type start,#function
.rept 7
mov r0, r0
.endr
ARM( mov r0, r0 )
ARM( b 1f )
THUMB( adr r12, BSYM(1f) )
THUMB( bx r12 )
.word 0x016f2818 @ 用于boot loader的魔数
.word start @ 加载/运行zImage的绝对地址（编译时确定）
.word _edata @ zImage结束地址
THUMB( .thumb )
1: mov r7, r1 @ 保存构架ID到r7（此前由bootloader放入r1）
mov r8, r2 @ 保存内核启动参数地址到r8（此前由bootloader放入r2）
#ifndef __ARM_ARCH_2__
/*
* 通过Angel调试器启动 - 必须进入 SVC模式且关闭FIQs/IRQs
* (numeric definitions from angel arm.h source).
* 如果进入时在user模式下，我们只需要做这些
*/
mrs r2, cpsr @ 获取当前模式
tst r2, #3 @ 判断是否是user模式
bne not_angel
mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC
ARM( swi 0x123456 ) @ angel_SWI_ARM
THUMB( svc 0xab ) @ angel_SWI_THUMB
not_angel:
mrs r2, cpsr @ 关闭中断
orr r2, r2, #0xc0 @ 以保护调试器的运作
msr cpsr_c, r2
#else
teqp pc, #0x0c000003 @ 关闭中断（此外bootloader已设置模式为SVC）
#endif
/*
* 注意一些缓存的刷新和其他事务可能需要在这里完成
* - is there an Angel SWI call for this?
*/
/*
* 一些构架的特定代码可以在这里被连接器插入，
* 但是不应使用 r7（保存构架ID）, r8（保存内核启动参数地址）, and r9.
*/
.text
/*
* 此处确定解压后的内核映像的绝对地址（物理地址），保存于r4
* 由于配置的不同可能有的结果
* （1）定义了CONFIG_AUTO_ZRELADDR
* ZRELADDR是已解压内核最终存放的物理地址
* 如果AUTO_ZRELADDR被选择了, 这个地址将会在运行是确定：
* 将当pc值和0xf8000000做与操作，
* 并加上TEXT_OFFSET（内核最终存放的物理地址与内存起始的偏移）
* 这里假定zImage被放在内存开始的128MB内
* （2）没有定义CONFIG_AUTO_ZRELADDR
* 直接使用zreladdr（此值位于arch/arm/mach-xxx/Makefile.boot文件确定）
*/
#ifdef CONFIG_AUTO_ZRELADDR
@ 确定内核映像地址
mov r4, pc
and r4, r4, #0xf8000000
add r4, r4, #TEXT_OFFSET
#else
ldr r4, =zreladdr
#endif
bl cache_on /* 开启缓存（以及MMU） */
restart: adr r0, LC0
ldmia r0, {r1, r2, r3, r6, r10, r11, r12}
ldr sp, [r0, #28]
/*
* 我们可能运行在一个与编译时定义的不同地址上，
* 所以我们必须修正变量指针
*/
sub r0, r0, r1 @ 计算偏移量
add r6, r6, r0 @ 重新计算_edata
add r10, r10, r0 @ 重新获得压缩后的内核大小数据位置
/*
* 内核编译系统将解压后的内核大小数据
* 以小端格式
* 附加在压缩数据的后面(其实是“gzip -f -9”命令的结果)
* 下面代码的作用是将解压后的内核大小数据正确地放入r9中（避免了大小端问题）
*/
ldrb r9, [r10, #0]
ldrb lr, [r10, #1]
orr r9, r9, lr, lsl #8
ldrb lr, [r10, #2]
ldrb r10, [r10, #3]
orr r9, r9, lr, lsl #16
orr r9, r9, r10, lsl #24
/*
* 下面代码的作用是将正确的当前执行映像的结束地址放入r10
*/
#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM
/* malloc 获取的内存空间位于重定向的栈指针之上 (64k max) */
add sp, sp, r0
add r10, sp, #0x10000
#else
/*
* 如果定义了 ZBOOT_ROM， bss/stack 是非可重定位的,
* 但有些人依然可以将其放在RAM中运行,
* 这时我们可以参考 _edata.
*/
mov r10, r6
#endif
/*
* 检测我们是否会发生自我覆盖的问题
* r4 = 解压后的内核起始地址（最终执行位置）
* r9 = 解压后内核的大小
* r10 = 当前执行映像的结束地址, 包含了 bss/stack/malloc 空间（假设是非XIP执行的）
* 我们的基本需求是:
* （若最终执行位置r4在当前映像之后）r4 - 16k 页目录 >= r10 -> OK
* （若最终执行位置r4在当前映像之前）r4 + 解压后的内核大小 <= 当前位置 (pc) -> OK
* 如果上面的条件不满足，就会自我覆盖，必须先搬运当前映像
*/
add r10, r10, #16384
cmp r4, r10 @ 假设最终执行位置r4在当前映像之后
bhs wont_overwrite
add r10, r4, r9 @ 假设最终执行位置r4在当前映像之前
ARM( cmp r10, pc ) @ r10 = 解压后的内核结束地址
THUMB( mov lr, pc )
THUMB( cmp r10, lr )
bls wont_overwrite
/*
* 将当前的映像重定向到解压后的内核之后（会发生自我覆盖时才执行，否则就被跳过）
* r6 = _edata（已校正）
* r10 = 解压后的内核结束地址
* 因为我们要把当前映像向后移动, 所以我们必须由后往前复制代码，
* 以防原数据和目标数据的重叠
*/
/*
* 将解压后的内核结束地址r10扩展（reloc_code_end - restart），
* 并对齐到下一个256B边界。
* 这样避免了当搬运的偏移较小时的自我覆盖
*/
add r10, r10, #((reloc_code_end - restart + 256) & ~255)
bic r10, r10, #255
/* 获取需要搬运的当前映像的起始位置r5，并向下做32B对齐. */
adr r5, restart
bic r5, r5, #31
sub r9, r6, r5 @ _edata - restart（已向下对齐）= 需要搬运的大小
add r9, r9, #31
bic r9, r9, #31 @ 做32B对齐，r9 = 需要搬运的大小
add r6, r9, r5 @ r6 = 当前映像需要搬运的结束地址
add r9, r9, r10 @ r9 = 当前映像搬运的目的地的结束地址
/* 搬运当前执行映像，不包含 bss/stack/malloc 空间*/
1: ldmdb r6!, {r0 - r3, r10 - r12, lr}
cmp r6, r5
stmdb r9!, {r0 - r3, r10 - r12, lr}
bhi 1b
/* 保存偏移量，用来修改sp和实现代码跳转 */
sub r6, r9, r6
#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM
/* cache_clean_flush 可能会使用栈，所以重定向sp指针 */
add sp, sp, r6
#endif
bl cache_clean_flush @ 刷新缓存
/* 通过搬运的偏移和当前的实际 restart 地址来实现代码跳转*/
adr r0, BSYM(restart)
add r0, r0, r6
mov pc, r0
/* 在上面的跳转之后，程序又从restart开始。
* 但这次在检查自我覆盖的时候，新的执行位置必然满足
* 最终执行位置r4在当前映像之前，r4 + 压缩后的内核大小 <= 当前位置 (pc)
* 所以必然直接跳到了下面的wont_overwrite执行
*/
wont_overwrite:
/*
* 如果delta（当前映像地址与编译时的地址偏移）为0, 我们运行的地址就是编译时确定的地址.
* r0 = delta
* r2 = BSS start（编译值）
* r3 = BSS end（编译值）
* r4 = 内核最终运行的物理地址
* r7 = 构架ID(bootlodaer传递值)
* r8 = 内核启动参数指针(bootlodaer传递值)
* r11 = GOT start（编译值）
* r12 = GOT end（编译值）
* sp = stack pointer（修正值）
*/
teq r0, #0 @测试delta值
beq not_relocated @如果delta为0，无须对GOT表项和BSS进行重定位
add r11, r11, r0 @重定位GOT start
add r12, r12, r0 @重定位GOT end
#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM
/*
* 如果内核配置 CONFIG_ZBOOT_ROM = n,
* 我们必须修正BSS段的指针
* 注意：sp已经被修正
*/
add r2, r2, r0 @重定位BSS start
add r3, r3, r0 @重定位BSS end
/*
* 重定位所有GOT表的入口项
*/
1: ldr r1, [r11, #0] @ 重定位GOT表的入口项
add r1, r1, r0 @ 这个修正了 C 引用
str r1, [r11], #4
cmp r11, r12
blo 1b
#else
/*
* 重定位所有GOT表的入口项.
* 我们只重定向在（已重定向后）BSS段外的入口
*/
1: ldr r1, [r11, #0] @ 重定位GOT表的入口项
cmp r1, r2 @ entry < bss_start ||
cmphs r3, r1 @ _end < entry table
addlo r1, r1, r0 @ 这个修正了 C 引用
str r1, [r11], #4
cmp r11, r12
blo 1b
#endif
/*
* 至此当前映像的搬运和调整已经完成
* 可以开始真正的工作的
*/
not_relocated: mov r0, #0
1: str r0, [r2], #4 @ 清零 bss（初始化BSS段）
str r0, [r2], #4
str r0, [r2], #4
str r0, [r2], #4
cmp r2, r3
blo 1b
/*
* C运行时环境已经充分建立.
* 设置一些指针就可以解压内核了.
* r4 = 内核最终运行的物理地址
* r7 = 构架ID
* r8 = 内核启动参数指针
*
* 下面对r0～r3的配置是decompress_kernel函数对应参数
* r0 = 解压后的输出位置首地址
* r1 = 可用RAM空间首地址
* r2 = 可用RAM空间结束地址
* r3 = 构架ID
* 就是这个decompress_kernel（C函数）输出了"Uncompressing Linux..."
* 以及" done, booting the kernel.\n"
*/
mov r0, r4
mov r1, sp @ malloc 获取的内存空间位于栈指针之上
add r2, sp, #0x10000 @ 64k max
mov r3, r7
bl decompress_kernel
/*
* decompress_kernel(misc.c)--调用-->
* do_decompress(decompress.c)--调用-->
* decompress(../../../../lib/decompress_xxxx.c根据压缩方式的配置而不同)
*/
/*
* 以下是为跳入解压后的内核，再次做准备（恢复解压前的状态）
*/
bl cache_clean_flush
bl cache_off @ 数据缓存必须关闭（内核的要求）
mov r0, #0 @ r0必须为0
mov r1, r7 @ 恢复构架ID到r1
mov r2, r8 @ 恢复内核启动参数指针到r2
mov pc, r4 @ 跳入解压后的内核映像(Image)入口（arch/arm/kernel/head.S）
/*
* 以下是为了确定当前运行时的地址和编译时确定的地址偏差，
* 而将编译时确定的映像数据保存如下，用于检测对比
*/
.align 2
.type LC0, #object
LC0: .word LC0 @ r1
.word __bss_start @ r2
.word _end @ r3
.word _edata @ r6
.word input_data_end - 4 @ r10 (inflated size location)
.word _got_start @ r11
.word _got_end @ ip
.word .L_user_stack_end @ sp
.size LC0, . - LC0
#ifdef CONFIG_ARCH_RPC
.globl params
params: ldr r0, =0x10000100 @ params_phys for RPC
mov pc, lr
.ltorg
.align
#endif
/*
* 开启缓存.
* 我们必须创建页表（并开启MMU）才可以开启数据和指令缓存。
* 我们把页表（节描述符）放在内核执行地址前16k（0x4000）的空间中,
* 且我们希望没人会去用这段地址空间.
* 如果我们使用了,可能会出问题的!
*
* 进入时,
* r4 = 内核最终运行的物理地址
* r7 = 构架ID
* r8 = 内核启动参数指针
* 退出时,
* r0, r1, r2, r3, r9, r10, r12 被修改
* 此例程必须保护:
* r4, r7, r8
*/
.align 5
cache_on: mov r3, #8 @ 调用cache_on 函数
b call_cache_fn
/*
* Initialize the highest priority protection region, PR7
* to cover all 32bit address and cacheable and bufferable.
*/
__armv4_mpu_cache_on:
mov r0, #0x3f @ 4G, the whole
mcr p15, 0, r0, c6, c7, 0 @ PR7 Area Setting
mcr p15, 0, r0, c6, c7, 1
mov r0, #0x80 @ PR7
mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0 @ D-cache on
mcr p15, 0, r0, c2, c0, 1 @ I-cache on
mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0 @ write-buffer on
mov r0, #0xc000
mcr p15, 0, r0, c5, c0, 1 @ I-access permission
mcr p15, 0, r0, c5, c0, 0 @ D-access permission
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 @ flush(inval) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c7, c6, 0 @ flush(inval) D-Cache
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control reg
@ ...I .... ..D. WC.M
orr r0, r0, #0x002d @ .... .... ..1. 11.1
orr r0, r0, #0x1000 @ ...1 .... .... ....
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 @ flush(inval) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c7, c6, 0 @ flush(inval) D-Cache
mov pc, lr
__armv3_mpu_cache_on:
mov r0, #0x3f @ 4G, the whole
mcr p15, 0, r0, c6, c7, 0 @ PR7 Area Setting
mov r0, #0x80 @ PR7
mcr p15, 0, r0, c2, c0, 0 @ cache on
mcr p15, 0, r0, c3, c0, 0 @ write-buffer on
mov r0, #0xc000
mcr p15, 0, r0, c5, c0, 0 @ access permission
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c0, 0 @ invalidate whole cache v3
/*
* ?? ARMv3 MMU does not allow reading the control register,
* does this really work on ARMv3 MPU?
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control reg
@ .... .... .... WC.M
orr r0, r0, #0x000d @ .... .... .... 11.1
/* ?? this overwrites the value constructed above? */
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg
/* ?? invalidate for the second time? */
mcr p15, 0, r0, c7, c0, 0 @ invalidate whole cache v3
mov pc, lr
/*
* 初始化MMU页表
* 内核最终运行的物理地址向下16K的空间
* 存放可以寻址4G空间节描述符
* （16KB/4B=4K个描述符，每个描述符映射1MB空间，4K*1MB = 4GB）
* 进入时,
* r4 = 内核最终运行的物理地址
* r7 = 构架ID
* r8 = 内核启动参数指针
* 退出时,
* r0, r1, r2, r3, r9, r10 被修改
* 此例程必须保护:
* r4, r7, r8
*/
__setup_mmu: sub r3, r4, #16384 @ 页目录大小为16K
bic r3, r3, #0xff @ 页目录指针向下对齐
bic r3, r3, #0x3f00 @ 对齐方式-16KB
/*
* 对于这个对齐，是MMU硬件的要求
* 转换表基址寄存器（CP15的寄存器2）保存着第一级转换表基址的物理地址。
* 只有bits[31:14]有效，bits[13:0]应该是零（SBZ）。
* 所以第一级表必须16KB对齐。
*/
/*
* 初始化页表, 仅针对RAM（最大到256MB）开启
* 缓存（cacheable）和缓冲（bufferable）位
* r3 = 页目录基址(内核最终运行的物理地址向下16K的位置)
*/
mov r0, r3 @ 页目录指针给r0
mov r9, r0, lsr #18
mov r9, r9, lsl #18 @ 通过移位清零低18bit，得到RAM基地址（推测值,r9）
add r10, r9, #0x10000000 @ 加一个合理的RAM大小（猜测值） = RAM结束地址（猜测值,r10）
mov r1, #0x12
orr r1, r1, #3 << 10 @ 初始化节描述符r1 = 0b110000010010(完全访问:0域:XN:节)
add r2, r3, #16384 @ r2 = 内核最终运行的物理地址（可能）
1: cmp r1, r9 @ if virt > start of RAM（针对RAM开启缓存和缓冲）
#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH
orrhs r1, r1, #0x08 @ 设置 cacheable
#else
orrhs r1, r1, #0x0c @ 设置 cacheable, bufferable
#endif
cmp r1, r10 @ if virt > end of RAM
bichs r1, r1, #0x0c @ 清除 cacheable, bufferable
str r1, [r0], #4 @ 设置节描述符-1:1 映射（虚拟地址 == 物理地址）
add r1, r1, #1048576 @ r1 + 1MB（每节管理的地址长度）下一个节描述符
teq r0, r2
bne 1b
/*
* 如果我们在flash中运行, 那么我们一定要为我们当前的代码开启缓存。
* 我们映射2MB的代码，
* 所以对于多达1MB压缩的内核没有映射重叠的问题？？
* 如果我们在RAM中运行, 那么我们只需要完成上面的工作即可，下面重复了.
*/
mov r1, #0x1e
orr r1, r1, #3 << 10 @ 初始化节描述符r1 = 0b110000011110(完全访问:0域:XN:cacheable:bufferable:节)
mov r2, pc
mov r2, r2, lsr #20 @ 当前执行地址的节基址
orr r1, r1, r2, lsl #20 @ 生成节描述符
add r0, r3, r2, lsl #2 @ 获得页目录中相应的入口
str r1, [r0], #4 @ 设置节描述符-1:1 映射（虚拟地址 == 物理地址）
add r1, r1, #1048576 @ r1 + 1MB（每节管理的地址长度）下一个节描述符
str r1, [r0] @ 设置节描述符（只做2MB映射）
mov pc, lr
ENDPROC(__setup_mmu)
__arm926ejs_mmu_cache_on:
#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH
mov r0, #4 @ put dcache in WT mode
mcr p15, 7, r0, c15, c0, 0
#endif
__armv4_mmu_cache_on:
mov r12, lr
#ifdef CONFIG_MMU
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
#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8
orr r0, r0, #1 << 25 @ big-endian page tables
#endif
bl __common_mmu_cache_on
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush I,D TLBs
#endif
mov pc, r12
__armv7_mmu_cache_on:
mov r12, lr @保存lr到r12
#ifdef CONFIG_MMU
mrc p15, 0, r11, c0, c1, 4 @ 读取CP15的ID_MMFR0（内存模块特性）寄存器
tst r11, #0xf @ 测试VMSA（虚拟内存系统构架）A8 = 0x3
blne __setup_mmu @ 如果VMSA不是0xf，就进入mmu页表初始化（节模式）
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ 数据内存屏障（保证上面的写操作完成才继续）
tst r11, #0xf @ 测试VMSA（虚拟内存系统构架）A8 = 0x3
mcrne p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush I,D TLBs缓存
#endif
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ 读系统控制寄存器
orr r0, r0, #0x5000 @ I-cache 使能, RR cache replacement
orr r0, r0, #0x003c @ write buffer
#ifdef CONFIG_MMU
#ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8
orr r0, r0, #1 << 25 @ 大端模式页表
#endif
orrne r0, r0, #1 @ 设置MMU 开启位
movne r1, #-1
mcrne p15, 0, r3, c2, c0, 0 @ 载入页表基址到TTBR0
mcrne p15, 0, r1, c3, c0, 0 @ 载入域访问控制数据到DACR（所有域都是Manager，所以XN会被忽略）
#endif
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ 写系统控制寄存器
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ 回读系统控制寄存器
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 4 @ 指令同步屏障（确保上面指令完成才返回）
mov pc, r12 @ 此处返回（此时MMU已启用，RAM缓存已开启）
__fa526_cache_on:
mov r12, lr
bl __setup_mmu
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 @ Invalidate whole cache
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush UTLB
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control reg
orr r0, r0, #0x1000 @ I-cache enable
bl __common_mmu_cache_on
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ flush UTLB
mov pc, r12
__arm6_mmu_cache_on:
mov r12, lr
bl __setup_mmu
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c0, 0 @ invalidate whole cache v3
mcr p15, 0, r0, c5, c0, 0 @ invalidate whole TLB v3
mov r0, #0x30
bl __common_mmu_cache_on
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c5, c0, 0 @ invalidate whole TLB v3
mov pc, r12
__common_mmu_cache_on:
#ifndef CONFIG_THUMB2_KERNEL
#ifndef DEBUG
orr r0, r0, #0x000d @ Write buffer, mmu
#endif
mov r1, #-1
mcr p15, 0, r3, c2, c0, 0 @ load page table pointer
mcr p15, 0, r1, c3, c0, 0 @ load domain access control
b 1f
.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
#endif
#define PROC_ENTRY_SIZE (4*5)
/*
* 这里是为不同的处理器提供遵循可重定向缓存支持的函数
* 这是一个通用的为定位入口和跳入一个（从块起始处到）特定偏移的指令的钩子函数。
* 请注意这是一个位置无关代码。
*
* r1 = 被修改
* r2 = 被修改
* r3 = 相对每个入口的功能函数位置偏移（on:#08|off:#12|flush:#16）
* r9 = 被修改
* r12 = 被修改
*/
call_cache_fn: adr r12, proc_types
#ifdef CONFIG_CPU_CP15
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ 动态获取处理器ID
#else
ldr r9, =CONFIG_PROCESSOR_ID @ 使用预编译的处理器ID
#endif
1: ldr r1, [r12, #0] @ 获取ID值
ldr r2, [r12, #4] @ 获取对应的掩码
eor r1, r1, r9 @ (real ^ match) 检测是否匹配
tst r1, r2 @ & mask 将检测结果做掩码
ARM( addeq pc, r12, r3 ) @ 如果匹配就调用缓存函数
THUMB( addeq r12, r3 )
THUMB( moveq pc, r12 ) @ call cache function
add r12, r12, #PROC_ENTRY_SIZE @ 如果不匹配就跳过这个入口，进入下个测试
b 1b
/*
* 缓存操作表. 这些是最基本的:
* - CPU ID 匹配
* - CPU ID 掩码
* - ‘cache on‘ 方法代码
* - ‘cache off‘ 方法代码
* - ‘cache flush‘ 方法代码
*
* 我们通过这个公式匹配入口: ((real_id ^ match) & mask) == 0
*
* 写通式缓存一般只需要 ‘on‘ 和 ‘off‘ 方法
* 回写式缓存必须有 flush 方法定义
*
*/
.align 2
.type proc_types,#object
proc_types:
.word 0x41560600 @ ARM6/610
.word 0xffffffe0
W(b) __arm6_mmu_cache_off @ 可以使用但是较慢
W(b) __arm6_mmu_cache_off
mov pc, lr
THUMB( nop )
@ b __arm6_mmu_cache_on @ 未测试
@ b __arm6_mmu_cache_off
@ b __armv3_mmu_cache_flush
.word 0x00000000 @ old ARM ID
.word 0x0000f000
mov pc, lr
THUMB( nop )
mov pc, lr
THUMB( nop )
mov pc, lr
THUMB( nop )
.word 0x41007000 @ ARM7/710
.word 0xfff8fe00
W(b) __arm7_mmu_cache_off
W(b) __arm7_mmu_cache_off
mov pc, lr
THUMB( nop )
.word 0x41807200 @ ARM720T (写通式)
.word 0xffffff00
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
mov pc, lr
THUMB( nop )
.word 0x41007400 @ ARM74x
.word 0xff00ff00
W(b) __armv3_mpu_cache_on
W(b) __armv3_mpu_cache_off
W(b) __armv3_mpu_cache_flush
.word 0x41009400 @ ARM94x
.word 0xff00ff00
W(b) __armv4_mpu_cache_on
W(b) __armv4_mpu_cache_off
W(b) __armv4_mpu_cache_flush
.word 0x41069260 @ ARM926EJ-S (v5TEJ)
.word 0xff0ffff0
W(b) __arm926ejs_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv5tej_mmu_cache_flush
.word 0x00007000 @ ARM7 IDs
.word 0x0000f000
mov pc, lr
THUMB( nop )
mov pc, lr
THUMB( nop )
mov pc, lr
THUMB( nop )
@ 以下使用新的 ID 系统.
.word 0x4401a100 @ sa110 / sa1100
.word 0xffffffe0
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x6901b110 @ sa1110
.word 0xfffffff0
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x56056900
.word 0xffffff00 @ PXA9xx
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x56158000 @ PXA168
.word 0xfffff000
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv5tej_mmu_cache_flush
.word 0x56050000 @ Feroceon
.word 0xff0f0000
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv5tej_mmu_cache_flush
#ifdef CONFIG_CPU_FEROCEON_OLD_ID
/* this conflicts with the standard ARMv5TE entry */
.long 0x41009260 @ Old Feroceon
.long 0xff00fff0
b __armv4_mmu_cache_on
b __armv4_mmu_cache_off
b __armv5tej_mmu_cache_flush
#endif
.word 0x66015261 @ FA526
.word 0xff01fff1
W(b) __fa526_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __fa526_cache_flush
@ 这些匹配构架ID
.word 0x00020000 @ ARMv4T
.word 0x000f0000
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x00050000 @ ARMv5TE
.word 0x000f0000
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv4_mmu_cache_flush
.word 0x00060000 @ ARMv5TEJ
.word 0x000f0000
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv5tej_mmu_cache_flush
.word 0x0007b000 @ ARMv6
.word 0x000ff000
W(b) __armv4_mmu_cache_on
W(b) __armv4_mmu_cache_off
W(b) __armv6_mmu_cache_flush
.word 0x000f0000 @ new CPU Id
.word 0x000f0000
W(b) __armv7_mmu_cache_on
W(b) __armv7_mmu_cache_off
W(b) __armv7_mmu_cache_flush
.word 0 @ 未识别类型
.word 0
mov pc, lr
THUMB( nop )
mov pc, lr
THUMB( nop )
mov pc, lr
THUMB( nop )
.size proc_types, . - proc_types
/*
* 如果你获得了一个 "非常量的表达式".如果汇编器从这行返回" 申明"错误
* 请检查下你是否偶尔在应该使用“W(b)”的地方写了"b"指令
* 这是一个缓存方法跳转表的对齐检查机制
* 在写汇编的时候可以借鉴
*/
.if (. - proc_types) % PROC_ENTRY_SIZE != 0
.error "The size of one or more proc_types entries is wrong."
.endif
/*
* 关闭缓存和MMU. ARMv3不支持控制寄存器的读取，
* 但ARMv4支持.
*
* 在退出时,
* r0, r1, r2, r3, r9, r12 被篡改
* 这个例程必须保护:
* r4, r7, r8
*/
.align 5
cache_off: mov r3, #12 @ 缓存关闭函数
b call_cache_fn
__armv4_mpu_cache_off:
mrc p15, 0, r0, c1, c0
bic r0, r0, #0x000d
mcr p15, 0, r0, c1, c0 @ turn MPU and cache off
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer
mcr p15, 0, r0, c7, c6, 0 @ flush D-Cache
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 @ flush I-Cache
mov pc, lr
__armv3_mpu_cache_off:
mrc p15, 0, r0, c1, c0
bic r0, r0, #0x000d
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ turn MPU and cache off
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c0, 0 @ invalidate whole cache v3
mov pc, lr
__armv4_mmu_cache_off:
#ifdef CONFIG_MMU
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
#endif
mov pc, lr
__armv7_mmu_cache_off:
mrc p15, 0, r0, c1, c0 @ 读取系统控制寄存器SCTLR
#ifdef CONFIG_MMU
bic r0, r0, #0x000d @ 清零MMU和cache使能位
#else
bic r0, r0, #0x000c @ 清零cache使能位
#endif
mcr p15, 0, r0, c1, c0 @ 关闭MMU和cache
mov r12, lr @ 保存lr到r12
bl __armv7_mmu_cache_flush
mov r0, #0
#ifdef CONFIG_MMU
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ 废止整个TLB
#endif
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 6 @ 废止BTC
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ 数据同步屏障
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 4 @ 指令同步屏障（确保上面指令完成才返回）
mov pc, r12
__arm6_mmu_cache_off:
mov r0, #0x00000030 @ ARM6 control reg.
b __armv3_mmu_cache_off
__arm7_mmu_cache_off:
mov r0, #0x00000070 @ ARM7 control reg.
b __armv3_mmu_cache_off
__armv3_mmu_cache_off:
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ turn MMU and cache off
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c0, 0 @ invalidate whole cache v3
mcr p15, 0, r0, c5, c0, 0 @ invalidate whole TLB v3
mov pc, lr
/*
* 清空和flush缓存以保持一致性
*
* 退出时,
* r1, r2, r3, r9, r10, r11, r12 被篡改
* 这个例程必须保护:
* r4, r6, r7, r8
*/
.align 5
cache_clean_flush:
mov r3, #16
b call_cache_fn
__armv4_mpu_cache_flush:
mov r2, #1
mov r3, #0
mcr p15, 0, ip, c7, c6, 0 @ invalidate D cache
mov r1, #7 << 5 @ 8 segments
1: orr r3, r1, #63 << 26 @ 64 entries
2: mcr p15, 0, r3, c7, c14, 2 @ clean & invalidate D index
subs r3, r3, #1 << 26
bcs 2b @ entries 63 to 0
subs r1, r1, #1 << 5
bcs 1b @ segments 7 to 0
teq r2, #0
mcrne p15, 0, ip, c7, c5, 0 @ invalidate I cache
mcr p15, 0, ip, c7, c10, 4 @ drain WB
mov pc, lr
__fa526_cache_flush:
mov r1, #0
mcr p15, 0, r1, c7, c14, 0 @ clean and invalidate D cache
mcr p15, 0, r1, c7, c5, 0 @ flush I cache
mcr p15, 0, r1, c7, c10, 4 @ drain WB
mov pc, lr
__armv6_mmu_cache_flush:
mov r1, #0
mcr p15, 0, r1, c7, c14, 0 @ clean+invalidate D
mcr p15, 0, r1, c7, c5, 0 @ invalidate I+BTB
mcr p15, 0, r1, c7, c15, 0 @ clean+invalidate unified
mcr p15, 0, r1, c7, c10, 4 @ drain WB
mov pc, lr
__armv7_mmu_cache_flush:
mrc p15, 0, r10, c0, c1, 5 @ read ID_MMFR1
tst r10, #0xf << 16 @ hierarchical cache (ARMv7)
mov r10, #0
beq hierarchical
mcr p15, 0, r10, c7, c14, 0 @ clean+invalidate D
b iflush
hierarchical:
mcr p15, 0, r10, c7, c10, 5 @ DMB
stmfd sp!, {r0-r7, r9-r11}
mrc p15, 1, r0, c0, c0, 1 @ read clidr
ands r3, r0, #0x7000000 @ extract loc from clidr
mov r3, r3, lsr #23 @ left align loc bit field
beq finished @ if loc is 0, then no need to clean
mov r10, #0 @ start clean at cache level 0
loop1:
add r2, r10, r10, lsr #1 @ work out 3x current cache level
mov r1, r0, lsr r2 @ extract cache type bits from clidr
and r1, r1, #7 @ mask of the bits for current cache only
cmp r1, #2 @ see what cache we have at this level
blt skip @ skip if no cache, or just i-cache
mcr p15, 2, r10, c0, c0, 0 @ select current cache level in cssr
mcr p15, 0, r10, c7, c5, 4 @ isb to sych the new cssr&csidr
mrc p15, 1, r1, c0, c0, 0 @ read the new csidr
and r2, r1, #7 @ extract the length of the cache lines
add r2, r2, #4 @ add 4 (line length offset)
ldr r4, =0x3ff
ands r4, r4, r1, lsr #3 @ find maximum number on the way size
clz r5, r4 @ find bit position of way size increment
ldr r7, =0x7fff
ands r7, r7, r1, lsr #13 @ extract max number of the index size
loop2:
mov r9, r4 @ create working copy of max way size
loop3:
ARM( orr r11, r10, r9, lsl r5 ) @ factor way and cache number into r11
ARM( orr r11, r11, r7, lsl r2 ) @ factor index number into r11
THUMB( lsl r6, r9, r5 )
THUMB( orr r11, r10, r6 ) @ factor way and cache number into r11
THUMB( lsl r6, r7, r2 )
THUMB( orr r11, r11, r6 ) @ factor index number into r11
mcr p15, 0, r11, c7, c14, 2 @ clean & invalidate by set/way
subs r9, r9, #1 @ decrement the way
bge loop3
subs r7, r7, #1 @ decrement the index
bge loop2
skip:
add r10, r10, #2 @ increment cache number
cmp r3, r10
bgt loop1
finished:
ldmfd sp!, {r0-r7, r9-r11}
mov r10, #0 @ swith back to cache level 0
mcr p15, 2, r10, c0, c0, 0 @ select current cache level in cssr
iflush:
mcr p15, 0, r10, c7, c10, 4 @ DSB
mcr p15, 0, r10, c7, c5, 0 @ invalidate I+BTB
mcr p15, 0, r10, c7, c10, 4 @ DSB
mcr p15, 0, r10, c7, c5, 4 @ ISB
mov pc, lr
__armv5tej_mmu_cache_flush:
1: mrc p15, 0, r15, c7, c14, 3 @ test,clean,invalidate D cache
bne 1b
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 @ flush I cache
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain WB
mov pc, lr
__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, r9 @ cache ID register present?
beq no_cache_id
mov r1, r3, lsr #18
and r1, r1, #7
mov r2, #1024
mov r2, r2, lsl r1 @ base dcache size *2
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
mov r11, #8
mov r11, r11, lsl r3 @ cache line size in bytes
no_cache_id:
mov r1, pc
bic r1, r1, #63 @ align to longest cache line
add r2, r1, r2
1:
ARM( ldr r3, [r1], r11 ) @ s/w flush D cache
THUMB( ldr r3, [r1] ) @ s/w flush D cache
THUMB( add r1, r1, r11 )
teq r1, r2
bne 1b
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
__armv3_mmu_cache_flush:
__armv3_mpu_cache_flush:
mov r1, #0
mcr p15, 0, r1, c7, c0, 0 @ invalidate whole cache v3
mov pc, lr
/*
* Various debugging routines for printing hex characters and
* memory, which again must be relocatable.
*/
#ifdef DEBUG
.align 2
.type phexbuf,#object
phexbuf: .space 12
.size phexbuf, . - phexbuf
@ phex corrupts {r0, r1, r2, r3}
phex: adr r3, phexbuf
mov r2, #0
strb r2, [r3, r1]
1: subs r1, r1, #1
movmi r0, r3
bmi puts
and r2, r0, #15
mov r0, r0, lsr #4
cmp r2, #10
addge r2, r2, #7
add r2, r2, #‘0‘
strb r2, [r3, r1]
b 1b
@ puts corrupts {r0, r1, r2, r3}
puts: loadsp r3, r1
1: ldrb r2, [r0], #1
teq r2, #0
moveq pc, lr
2: writeb r2, r3
mov r1, #0x00020000
3: subs r1, r1, #1
bne 3b
teq r2, #‘\n‘
moveq r2, #‘\r‘
beq 2b
teq r0, #0
bne 1b
mov pc, lr
@ putc corrupts {r0, r1, r2, r3}
putc:
mov r2, r0
mov r0, #0
loadsp r3, r1
b 2b
@ memdump corrupts {r0, r1, r2, r3, r10, r11, r12, lr}
memdump: mov r12, r0
mov r10, lr
mov r11, #0
2: mov r0, r11, lsl #2
add r0, r0, r12
mov r1, #8
bl phex
mov r0, #‘:‘
bl putc
1: mov r0, #‘ ‘
bl putc
ldr r0, [r12, r11, lsl #2]
mov r1, #8
bl phex
and r0, r11, #7
teq r0, #3
moveq r0, #‘ ‘
bleq putc
and r0, r11, #7
add r11, r11, #1
teq r0, #7
bne 1b
mov r0, #‘\n‘
bl putc
cmp r11, #64
blt 2b
mov pc, r10
#endif
.ltorg
reloc_code_end:
.align
.section ".stack", "aw", %nobits
.L_user_stack: .space 4096
.L_user_stack_end:

看了上面的源码，可能就算是分析过了也是比较模糊的，通过下面的一个代码流程图，大家就可以清楚的了解内核自解压的全过程了：

Linux内核源码分析--内核启动之(1)zImage自解压过程（Linux-3.0 ARMv7）,布布扣,bubuko.com

Linux内核源码分析--内核启动之(1)zImage自解压过程（Linux-3.0 ARMv7）

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