Linux内核移植相关代码解析

本文通过整理之前研发的一个项目（ARM7TDMI +uCLinux），分析内核启动过程及需要修改的文件，以供内核移植者参考。整理过程中也同时参考了众多网友的帖子，在此谢过。由于整理过程匆忙，难免错误及讲解的不够清楚之处，请各位网友指正，这里提前谢过。本文分以下部分进行介绍：
　　1. Bootloader及内核解压
　　2. 内核启动方式介绍
　　3. 内核启动地址的确定
　　4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S分析
　　5. start_kernel（）函数分析
　　1. Bootloader及内核解压
　　Bootloader将内核加载到内存中，设定一些寄存器，然后将控制权交由内核，该过程中，关闭MMU功能。通常，内核都是以压缩的方式存放，如zImage，这里有两种解压方法：
　　使用内核自解压程序。
　　arch/arm/boot/compressed/head.S或arch/arm/boot/compressed/head-xxxxx.S
　　arch/arm/boot/compressed/misc.c
　　在Bootloader中增加解压功能。
　　使用该方法时内核不需要带有自解压功能，而使用Bootloader中的解压程序代替内核自解压程序。其工作过程与内核自解压过程相似：Bootloader把压缩方式的内核解压到内存中，然后跳转到内核入口处开始执行。
　　2. 几种内核启动方式介绍
　　XIP （EXECUTE IN PLACE） 是指直接从存放代码的位置上启动运行。
　　2.1 非压缩，非XIP
　　非XIP方式是指在运行之前需对代码进行重定位。该类型的内核以非压缩方式存放在Flash中，启动时由Bootloader加载到内存后运行。
　　2.2 非压缩，XIP
　　该类型的内核以非压缩格式存放在ROM/Flash中，不需要加载到内存就能运行，Bootloader直接跳转到其存放地址执行。Data段复制和BSS段清零的工作由内核自己完成。这种启动方式常用于内存空间有限的系统中，另外，程序在ROM/Flash中运行的速度相对较慢。
　　2.3 RAM自解压
　　压缩格式的内核由开头一段自解压代码和压缩内核数据组成，由于以压缩格式存放，内核只能以非XIP方式运行。RAM自解压过程如下：压缩内核存放于ROM/Flash中，Bootloader启动后加载到内存中的临时空间，然后跳转到压缩内核入口地址执行自解压代码，内核被解压到最终的目的地址然后运行。压缩内核所占据的临时空间随后被Linux回收利用。这种方式的内核在嵌入式产品中较为常见。
　　2.4 ROM自解压
　　解压缩代码也能够以XIP的方式在ROM/Flash中运行。ROM自解压过程如下：压缩内核存放在ROM/Flash中，不需要加载到内存就能运行，Bootloader直接跳转到其存放地址执行其自解压代码，将压缩内核解压到最终的目的地址并运行。ROM自解压方式存放的内核解压缩速度慢，而且也不能节省内存空间。
　　3. 内核启动地址的确定
　　内核自解压方式
　　Head.S/head-XXX.S获得内核解压后首地址ZREALADDR，然后解压内核，并把解压后的内核放在ZREALADDR的位置上，最后跳转到ZREALADDR地址上，开始真正的内核启动。
　　arch/armnommu/boot/Makefile，定义ZRELADDR和ZTEXTADDR。ZTEXTADDR是自解压代码的起始地址，如果从内存启动内核，设置为0即可，如果从Rom/Flash启动，则设置ZTEXTADDR为相应的值。ZRELADDR是内核解压缩后的执行地址。
　　arch/armnommu/boot/compressed/vmlinux.ld，引用LOAD_ADDR和TEXT_START。
　　arch/armnommu/boot/compressed/Makefile， 通过如下一行：
　　SEDFLAGS = s/TEXT_START/$（ZTEXTADDR）/;s/LOAD_ADDR/$（ZRELADDR）/;
　　使得TEXT_START = ZTEXTADDR，LOAD_ADDR = ZRELADDR。
　　说明：
　　执行完decompress_kernel函数后，代码跳回head.S/head-XXX.S中，检查解压缩之后的kernel起始地址是否紧挨着kernel image。如果是，beqcall_kernel，执行解压后的kernel。如果解压缩之后的kernel起始地址不是紧挨着kernelimage，则执行relocate，将其拷贝到紧接着kernel image的地方，然后跳转，执行解压后的kernel。
　　Bootloader解压方式
　　Bootloader把解压后的内核放在内存的TEXTADDR位置上，然后跳转到TEXTADDR位置上，开始内核启动。
　　arch/armnommu/Makefile，一般设置TEXTADDR为PAGE_OFF+0x8000，如定义为0x00008000， 0xC0008000等。
　　arch/armnommu/vmlinux.lds，引用TEXTADDR
　　4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S
　　该文件是内核最先执行的一个文件，包括内核入口ENTRY（stext）到start_kernel间的初始化代码，主要作用是检查CPUID，Architecture Type，初始化BSS等操作，并跳到start_kernel函数。在执行前，处理器应满足以下状态：
　　r0 - should be 0
　　r1 - unique architecture number
　　MMU - off
　　I-cache - on or off
　　D-cache – off
　　/* 部分源代码分析 */
　　/* 内核入口点 */
　　ENTRY（stext）
　　/* 程序状态，禁止FIQ、IRQ，设定SVC模式 */
　　mov r0， #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC@ make sure svc mode
　　/* 置当前程序状态寄存器 */
　　msr cpsr_c， r0 @ and all irqs disabled
　　/* 判断CPU类型，查找运行的CPU ID值与Linux编译支持的ID值是否支持 */
　　bl __lookup_processor_type
　　/* 跳到__error */
　　teq r10， #0 @ invalid processor？
　　moveq r0， #‘p’ @ yes， error ‘p’
　　beq __error
　　/* 判断体系类型，查看R1寄存器的Architecture Type值是否支持 */
　　bl __lookup_architecture_type
　　/* 不支持，跳到出错 */
　　teq r7， #0 @ invalid architecture？
　　moveq r0， #‘a’ @ yes， error ‘a’
　　beq __error
　　/* 创建核心页表 */
　　bl __create_page_tables
　　adr lr， __ret @ return address
　　add pc， r10， #12 @ initialise processor
　　/* 跳转到start_kernel函数 */
　　b start_kernel
　　__lookup_processor_type这个函数根据芯片的ID从proc.info获取proc_info_list结构，proc_info_list结构定义在include/asm-armnommu/proginfo.h中，该结构的数据定义在arch/armnommu/mm/proc-arm*.S文件中，ARM7TDMI系列芯片的proc_info_list数据定义在arch/armnommu/mm/proc-arm6，7.S文件中。函数__lookup_architecture_type从arch.info获取machine_desc结构，machine_desc结构定义在include/asm-armnommu/mach/arch.h中，针对不同arch的数据定义在arch/armnommu/mach-*/arch.c文件中。
　　在这里如果知道processor_type和architecture_type，可以直接对相应寄存器进行赋值。
　　5. start_kernel（）函数分析
　　下面对start_kernel（）函数及其相关函数进行分析。
　　5.1 lock_kernel（）
　　/* Getting the big kernel lock.
　　* This cannot happen asynchronously，
　　* so we only need to worry about other
　　* CPU‘s.
　　*/
　　extern __inline__ void lock_kernel（void）
　　{
　　if （！++current-》lock_depth）
　　spin_lock（&kernel_flag）;
　　}
　　kernel_flag是一个内核大自旋锁，所有进程都通过这个大锁来实现向内核态的迁移。只有获得这个大自旋锁的处理器可以进入内核，如中断处理程序等。在任何一对lock_kernel／unlock_kernel函数里至多可以有一个程序占用CPU。进程的lock_depth成员初始化为-1，在kerenl/fork.c文件中设置。在它小于0时（恒为-1），进程不拥有内核锁；当大于或等于0时，进程得到内核锁。
　　5.2 setup_arch（）
　　setup_arch（）函数做体系相关的初始化工作，函数的定义在arch/armnommu/kernel/setup.c文件中，主要涉及下列主要函数及代码。
　　5.2.1 setup_processor（）
　　该函数主要通过
　　for （list = &__proc_info_begin; list 《 &__proc_info_end ; list++）
　　if （（processor_id & list-》cpu_mask） == list-》cpu_val）
　　break;
　　这样一个循环来在.proc.info段中寻找匹配的processor_id，processor_id在head_armv.S文件
　　中设置。
　　5.2.2 setup_architecture（machine_arch_type）
　　该函数获得体系结构的信息，返回mach-xxx/arch.c 文件中定义的machine结构体的指针，包含以下内容：
　　MACHINE_START （xxx， “xxx”）
　　MAINTAINER （“xxx”）
　　BOOT_MEM （xxx， xxx， xxx）
　　FIXUP （xxx）
　　MAPIO （xxx）
　　INITIRQ （xxx）
　　MACHINE_END
　　5.2.3内存设置代码
　　if （meminfo.nr_banks == 0）
　　{
　　meminfo.nr_banks = 1;
　　meminfo.bank［0］.start = PHYS_OFFSET;
　　meminfo.bank［0］.size = MEM_SIZE;
　　}
　　meminfo结构表明内存情况，是对物理内存结构meminfo的默认初始化。nr_banks指定内存块的数量，bank指定每块内存的范围，PHYS_OFFSET指定某块内存块的开始地址，MEM_SIZE指定某块内存块长度。PHYS_OFFSET和MEM_SIZE都定义在include/asm-armnommu/arch-XXX/memory.h文件中，其中PHYS_OFFSET是内存的开始地址，MEM_SIZE就是内存的结束地址。这个结构在接下来内存的初始化代码中起重要作用。