ARM linux解析之壓縮內(nèi)核zImage的啟動過程

下面以arch/arm/boot/compressed/head.s為主線進(jìn)行啟動過程解析。

1.head.s的debug宏定義部分

最開始的一段都是head.s的debug宏定義部分，這部分可以方便我們調(diào)試時(shí)使用。

如下：

如果開啟DEBUGging宏的話，這部分代碼分兩段CONFIG_DEBUG_ICEDCC是用ARMv6以上的加構(gòu)支持的ICEDCC技術(shù)進(jìn)行調(diào)試，DCC（Debug Communications Channel）是ARM的一個(gè)調(diào)試通信通道，在串口無法使用的時(shí)候可以使用這個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，具體的技術(shù)參前ARM公司文檔《ARM Architecture Reference Manual》。

第二部分首先#include ，這個(gè)文件定義位于arch/arm/mach-xxxx/include/mach/debug-macro.S里面，所以這個(gè)是和平臺相關(guān)的，里面定義了每個(gè)平臺的相關(guān)的串口操作，因這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)還沒有起來，所以它所用的串口配置參數(shù)是依賴于前一級bootloader所設(shè)置好的，如我們使用的u-boot設(shè)置好所有的參數(shù)。如我們的EVB板ARM的實(shí)現(xiàn)如下：

主要實(shí)現(xiàn)addruart，senduart，waituart，busyuart這四個(gè)函數(shù)的具體實(shí)施。這個(gè)是調(diào)試函數(shù)打印的基礎(chǔ)。

下面是調(diào)試打印用到的kputc和kphex

它所調(diào)用的putc和phex是在head.s最后的一段定義的，如下

上面是分配打印hex的buffer，下面是具體的實(shí)現(xiàn)：

嘿嘿，還有memdump這個(gè)函數(shù)可以用，不錯(cuò)。

好了，言歸正傳，再往下看，代碼如下：

debug_reloc_start

用來打印出一些代碼重定位后的信息，關(guān)于重定位，后面會說，debug_reloc_end

用來把解壓后的內(nèi)核的256字節(jié)的數(shù)據(jù)dump出來，查看是否正確。很不幸的是，這個(gè)不是必須調(diào)用的，調(diào)試的時(shí)候，這些都是要自己把這些調(diào)試函數(shù)加上去的。好debug部分到這里就完了。

2.head.s的.start部分，進(jìn)入或保持在svc模式，并關(guān)中斷

繼續(xù)向下分析，下面是定義.start段，這段在鏈接時(shí)被鏈接到代碼的最開頭，那么zImage啟動時(shí)，最先執(zhí)行的代碼也就是下面這段代碼start開始的，如下：

為何這個(gè)會先執(zhí)行呢？問的好。那么來個(gè)中斷吧：這個(gè)是由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds的鏈接腳本決定的，如下：

怎么樣，看到?jīng)]，.text段最開始的一部分就是.start段，所以這就注定了它就是最先執(zhí)行的代碼。

好了，中斷結(jié)束，再回到先前面的代碼，這段代碼的最開始是會被編譯器編譯成8個(gè)nop，這個(gè)是為了留給ARM的中斷向量表的，但是整個(gè)head.s都沒有用到中斷啊，誰知道告訴我一下，謝了。

然后呢，把u-boot傳過來的放在r1,r2的值，存在r7,r8中，r1存是的evb板的ID號，而r2存的是內(nèi)核要用的參數(shù)地址，這兩個(gè)參數(shù)在解壓內(nèi)核的時(shí)候不要用到，所以暫時(shí)保存一下，解壓內(nèi)枋完了，再傳給linux內(nèi)核。

再然后是幾個(gè)宏定義的解釋，ARM()，BSYM()，THUMB()，再加上W()吧，這幾個(gè)個(gè)宏定義都是在arch/arm/include/asm/unified.h里面定義的，好了，這里也算個(gè)中斷吧，如下：

好的看到上面的定義你就會明白了，這里是為了兼容THUMB2指令的內(nèi)核。

關(guān)于#defineARM(x...)里面的“...”，沒有見過吧，這個(gè)是C語言的C99的新標(biāo)準(zhǔn)，變參宏，就是在x里，你可以隨便你輸入多少個(gè)參數(shù)。別急還沒有完，因?yàn)闆]有看見文件里有什么方包含這個(gè)頭文件。是的文件中確實(shí)沒有包含，它的定義是在：arch/arm/makefile中加上的：

KBUILD_AFLAGS+= -include asm/unified.h

行，這些宏解釋到此，下面再出現(xiàn)，我就無視它了。

好了，再回來，讀取cpsr并判斷是否處理器處于supervisor模式——從u-boot進(jìn)入kernel，系統(tǒng)已經(jīng)處于SVC32模式；而利用angel進(jìn)入則處于user模式，還需要額外兩條指令。之后是再次確認(rèn)中斷關(guān)閉，并完成cpsr寫入。

注：Angel是ARM公司的一種調(diào)試方法，它本身就是一個(gè)調(diào)試監(jiān)控程序，是一組運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的程序，可以接收主機(jī)上調(diào)試器發(fā)送的命令，執(zhí)行諸如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行目標(biāo)程序、觀察或修改寄存器、存儲器內(nèi)容之類的操作。與基于jtag的調(diào)試代理不同，Angel調(diào)試監(jiān)控程序需要占用一定的系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、串行端口等。使用angel調(diào)試監(jiān)控程序可以調(diào)試在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行的arm程序或thumb程序。

好了，里面有一句：teqppc, #0x0c003@ turn off interrupts

是否很奇怪，不過大家千萬不要糾結(jié)它，因?yàn)樗茿RMv2架構(gòu)以前的匯編方法，用于模式變換，和中斷關(guān)閉的，看不明白也沒關(guān)系，因?yàn)槲覀円院笠灿貌坏?。這里知道一下有這個(gè)事就行了。

行，到這里.start段就完了，代碼那么多，其實(shí)就是做一件事，保證運(yùn)行下面的代碼時(shí)已經(jīng)進(jìn)入了SVC模式，并保證中斷是關(guān)的，完了.start部分結(jié)束。

3.。text段開始，先是內(nèi)核解壓地址的確定

再往下看，代碼如下：

額~~~~不要小這一段代碼，東西好多啊。如哪入手呢？好吧，先從linux基本參數(shù)入手吧，見表.1，里面我寫的很詳細(xì)，因?yàn)楸砀裎乙乓豁?，解釋我就寫在上面了。TEXT_OFFSET是代碼相對于物理內(nèi)存的偏移，通常選為32k=0x8。這個(gè)是有原因的，具體的原因后面會說。先看CONFIG_AUTO_ZRELADDR這個(gè)宏所含的內(nèi)容，它的意思是如果你不知道ZRELADDR地址要定在內(nèi)存什么地方，那么這段代碼就可以幫你?？吹?xf8了吧，那么后面有多少個(gè)0呢？答案是27個(gè)，那么2的27次方就是128M，這就明白了，只要你把解壓程序放在你最后解壓完成后的內(nèi)核空間的128M之內(nèi)的偏移的話，就可以自動設(shè)定好解壓后內(nèi)核要運(yùn)行的地址ZRELADDR。

如果你沒有定義的話，那么，就會去取zreladdr作為最后解壓的內(nèi)核運(yùn)行地。那么這個(gè)zreladdr是從哪里來的呢？答案是在：arch/arm/boot/compressed/Makefile中定義的

ZRELADDR這又是哪里定義的呢？答案是在：arch/arm/boot/Makefile中定義的

而里面的幾個(gè)參數(shù)是在每個(gè)arch/arm/Mach-xxx/ Makefile.boot里面定義的，內(nèi)容如下：

這下知道了，繞了一大圈，終于知道r4存的是什么了，就是最后內(nèi)核解壓的起址，也是最后解壓后的內(nèi)核的運(yùn)行地址，記住，這個(gè)地址很重要。

表.1內(nèi)核參數(shù)解釋

4.打開ARM系統(tǒng)的cache，為加快內(nèi)核解壓做好準(zhǔn)備

可以看到，打開cache的就一個(gè)函數(shù)，如下：

看起來很少，其實(shí)展開后內(nèi)容還是很多的。我們來看看這個(gè)cache_on在哪里，可以找到代碼如下：

這里設(shè)計(jì)的很精妙的，只可意會，注意movr3, #8，不多解釋，跟進(jìn)去call_cache_fn：

首先看一下proc_types是什么，定義如下：

可以看到這是一個(gè)以proc_types為起始地址的表，上面我列出了第一個(gè)表項(xiàng)，和最后一個(gè)表項(xiàng)，如果查表不成功，則走最后一個(gè)表項(xiàng)返回。它實(shí)現(xiàn)的功能就是存兩個(gè)數(shù)據(jù)，三條跳轉(zhuǎn)指令，我們可以第一條是它的值，第二條是它的mask值，三條跳轉(zhuǎn)分別是：cache_on,cache_off,cache_flush。

我想從ARMv4指令向下都是有CP15協(xié)處理器的吧，故：CONFIG_CPU_CP15是定義的，那下面我們來分析指令吧。

這個(gè)意思是取得ARM處理器的ID，這個(gè)又要看《ARM Architecture Reference Manual》了，這里我找了arm1176jzfs的架構(gòu)手冊，也是我用的ARM所用的架構(gòu)。里面的解釋如下：

這里我們主要關(guān)心Architecture這項(xiàng)，我們的ARM這個(gè)值是: 0x410FB767，說明用的是r0p7的release。

好了讀取了這個(gè)值存入r9寄存器，然后使用算法(real ^ match) & mask，程序中：

( r9 ^r1)&r2，這里r1存是是表中的第一個(gè)CPU的ID值，r2是mask值，對于我們的ARM，結(jié)果如下：

0x410FB767 ^ 0xf0 = 0x4100B767

0x4100B767 & 0xf0 = 0

故match上了，這個(gè)時(shí)候就會如下：

我們知道r3的值是0x8，那么r12表項(xiàng)的基址加上0x8就正好是表中的第一條跳轉(zhuǎn)指令：

明白了，為何r3要等于0x8了吧，如果要調(diào)用cache_off，那么只要把r3設(shè)為0xC就可以了。精妙吧。行接著往下看__armv7_mmu_cache_on，如下：

首先是保存lr寄存器到r12中，因?yàn)槲覀凂R上就要調(diào)用__setup_mmu了，最后返回也只要用r12就可以了。然后再查看cp15的c7,c10,4看是否支持VMSA，具體的見注解。我們在這里我們的ARM肯定是支持的，所以就要建立頁表，準(zhǔn)備打開MMU，從而可以使能cache。

好了下面，就是跳到__setup_mmu進(jìn)行建產(chǎn)頁表的過程，代碼如下：

關(guān)于MMU的知識又有好多啊，同樣可以參看《ARM Architecture Reference Manual》，還可以看《ARM體系架構(gòu)與編程》關(guān)于MMU的部分，我這里只簡單介紹一下我們這里用到MMU。這里只使用到了MMU的段映，故我只介紹與此相關(guān)的部分。

對于段頁的大小ARM中為1M大小，對于32位的ARM，可尋址空間為4G=4096M，故每一個(gè)頁表項(xiàng)表示1M空間的話，需要4096個(gè)頁表項(xiàng)，也就是4K大小，而每一個(gè)頁表項(xiàng)的大小是4字節(jié)，這就是說我們進(jìn)行段映射的話，需要16K的大小存儲段頁表。

下面來看一下段頁表的格式，如下：

圖.1段頁表項(xiàng)的具體內(nèi)容

可以知道對于進(jìn)行mmu段映射這種方式，一共有4K個(gè)這樣的頁表項(xiàng)，點(diǎn)大小16K字節(jié)。在這里我們的16k頁表放哪呢？看程序第一句：

我們知道r4存內(nèi)核解壓后的基址，那么這句就是把頁表放在解壓后的內(nèi)核地址的前面16K空間如下圖所示：

圖.2 linux內(nèi)核地址空間

（里面地址是用的是以我用的ARM為例的）

好了，再回到MMU，從MMU_PAGE_BASE (0x24)建立好頁表后，ARM的cpu如何知道呢？這個(gè)就是要用到CP15的C2寄存器了，頁表基址就是存在這里面的，其中[31:14]為內(nèi)存中頁表的基址，[13:0]應(yīng)為0如下圖：

圖.3 CP15的C2寄存器中的頁表項(xiàng)基址格式

所以我們初始化完段頁表后，就要把頁表基址MMU_PAGE_BASE (0x24)存入CP15的C2寄存器，這樣ARM就知道到哪里去找那些頁表項(xiàng)了。下面我們來看一下整個(gè)MMU的虛擬地址的尋址過程，如圖4所示。

簡單解釋一下。首先，ARM的CPU從CP15的C2寄存器中找取出頁表基地址，然后把虛擬地址的最高12位左移兩位變?yōu)?4位放到頁表基址的低14位，組合成對應(yīng)1M空間的頁表項(xiàng)在MMU頁表中的地址。然后，再取出頁表項(xiàng)的值，檢查AP位，域，判斷是否有讀寫的權(quán)限，如果沒有權(quán)限測會拋出數(shù)據(jù)或指令異常，如果有權(quán)限，就把最高12位取出加上虛擬地址的低20位段內(nèi)偏移地址組合成最終的物理地址。到這里整個(gè)MMU從虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換過程就完成了。

這段代碼里，只會開啟頁表所在代碼的開始的256K對齊的一個(gè)0x10（256M）空間的大?。ㄟ@個(gè)空間必然包含解壓后的內(nèi)核），使能cache和write buffer，其他的4G-256M的空間不開啟。這里使用的是1：1的映射。到這里也很容易明白MMU和cache和write buffer的關(guān)系了，為什么不開MMU無法使用cache了。

圖.4 MMU的段頁表的虛擬地址與物理地址的轉(zhuǎn)換過程

這里的4G空間全部映射完成之后，還會做一個(gè)映射，代碼如下：

通過注釋就可以知道把當(dāng)前PC所在地址１M對齊的地方的2M空間開啟cache和write buffer為了加快代碼在nor flash中運(yùn)行的速度。然后反回，到這里16K的MMU頁表就完全建立好了。

然后再反回到建立頁表后的代碼，如下：

這段代碼就不具體解釋了，多數(shù)是關(guān)于CP15的控制寄存器的操作，主要是flush I-cache,D-cache, TLBS，write buffer，然后存頁表基址啊，最后打開MMU這個(gè)是最后一步，前面所有東西都設(shè)好之后再使用MMU，否則系統(tǒng)就會掛掉。最后用保存在r12中的地址，反回到BL cache_on的下一句代碼。如下：

好了，先來看一下LC0是什么東西吧。

好吧，要理解它，再把a(bǔ)rch/arm/boot/vmlinux.lds.in搬出來吧：

再加上最后一段代碼，關(guān)于stack的空間的大小分配：

這里不僅可以看到各個(gè)寄存器里所存的值的意思，還可以看到. = BSS_START;在這里的作用

arch/arm/boot/compressed/Makefile里面：

對應(yīng)到這里的話，就是BSS_START =ALIGN(8)，這個(gè)替換過程會在vmlinux.lds.in到vmlinux.lds的過程中完成，這個(gè)過程主要是為了有些內(nèi)核在nor flash中運(yùn)行而設(shè)置的。

好了，再次言歸正傳，從vmlinux.lds文件，可以看到鏈接后各個(gè)段的位置，如下。

圖.5 zImage各個(gè)段的位置

從這里可以看到，zImage在RAM中運(yùn)行和在NorFlash中直接運(yùn)行是有些區(qū)別的，這就是為何前面要區(qū)分ZTEXTADDR和ZBSSADDR的原因了。

好了，再看下面這兩句的區(qū)別，如果這個(gè)地方弄明白了，那么，下面的內(nèi)容就會變得很簡單，往下看：

故可知，當(dāng)zImage加到0x28運(yùn)行時(shí)，PC值為：0x28070，這個(gè)時(shí)候r0=0x2817C

而通過ldmiar0, {r1, r2, r3, r6, r10, r11, r12}加載內(nèi)存值后，r1=0x17C

那么我們看一看這句：sub r0, r0, r1@ calculate the delta offset的值是多少？如下：

see~~~看出來什么沒有，這個(gè)就是我們的加載zImage運(yùn)行的內(nèi)存起始地址，這個(gè)很重要，后面就要靠它知道我們當(dāng)前的代碼在哪里，搬移到哪里。然后再下一條指令把堆棧指針設(shè)置好。然后再把實(shí)際代碼偏移量加在r6=_edata和(r10=input_data_end-4)上面，這就是實(shí)際的內(nèi)存中的地址。好繼續(xù)往下看：

壓縮的工具會把所壓縮后的文件的最后加上用小端格式表示的4個(gè)字節(jié)的尾，用來存儲所壓內(nèi)容的原始大小，這個(gè)信息很要，是我們后面分配空間，代碼重定位的重要依據(jù)。這里為何要一個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)地取，只因?yàn)橐嫒軦RM代碼使用大端編譯的情況，保證讀取的正確無誤。好了，再往下：

我們這里在RAM中運(yùn)行，所以加上重定位SP的指針，加上偏移里，變成實(shí)際所在內(nèi)存的堆棧指針地址。這里主要是為了后面的檢查代碼是否要進(jìn)行重定位的時(shí)候所提前設(shè)置的，因?yàn)槿绻a不重定位，就不會再設(shè)堆棧指針了，重定位的話，則還要重設(shè)一次。然后再在堆棧指針的上面開辟一塊64K大小的空間，用于解壓內(nèi)核時(shí)的臨時(shí)buffer。

再往下看：

這段的檢測有點(diǎn)繞人，兩種情況都畫個(gè)圖看一下，如圖.6所示，下面我們來看分析兩種不會覆蓋的情況：

第一種情況是加載運(yùn)行的zImage在下，解壓后內(nèi)核運(yùn)行地址zreladdr在上，這種情況如果最上面的64k的解壓buffer不會覆蓋到內(nèi)核前的16k頁表的話，就不用重定位代碼跳到wont_overwrite執(zhí)行。

第二種情況是加載運(yùn)行的zImage在上，而解壓的內(nèi)核運(yùn)行地址zreladdr在下面，只要最后解壓后的內(nèi)核的大小加上zreladdr不會到當(dāng)前pc值，則也不會出現(xiàn)代碼覆蓋的情況，這種情況下，也不用重位代碼，直接跳到wont_overwrite執(zhí)行就可以了。

圖.6內(nèi)核的兩種解壓不要重定位的情況

可以我們一般加載的zImage的地址，和最后解壓的zreladdr的地址是相同的，那么，就必然會發(fā)生代碼覆蓋的問題，這時(shí)候就要進(jìn)行代碼的自搬移和重定位。具體實(shí)現(xiàn)如下：

這段代碼就是實(shí)現(xiàn)代碼的自搬移，最開始兩句是取得所要搬移代碼的大小，進(jìn)行了256字節(jié)的對齊，注釋上說了，為了避免偏移很小時(shí)產(chǎn)生自我覆蓋（這個(gè)地方暫沒有想明白，不過不影響下面分析）。這里還是再畫個(gè)圖表示一下整個(gè)搬移過程吧，以zImage加載地下和zreladdr都為0x28為例，其他的類似。

圖.7 zImage的代碼自搬移和內(nèi)核解壓的全程圖解

圖.7中我已經(jīng)標(biāo)好了序號，代碼的自搬移和內(nèi)核解的整個(gè)過程都在這里面下面一步步來分解：

①．首先計(jì)算要搬移的代碼的.text段代碼的大小，從restart開始，到reloc_code_end結(jié)束，這個(gè)就是剩下的.text段的內(nèi)容，這段內(nèi)容是接在打開cache的函數(shù)之后的。然后把這段代碼搬到核實(shí)際解壓后256字節(jié)對齊的邊界，然后進(jìn)行搬移，搬移時(shí)一次搬運(yùn)32個(gè)字節(jié)，故存有搬移大小的r9寄存器進(jìn)行了一下32字節(jié)對齊的擴(kuò)展。

②．搬移完成后，會保存一下新舊代碼間的offset值，存于r6中。再重新設(shè)置一下新的堆棧的地址，位置如圖所示，代碼如下：

③．然后進(jìn)行cache的flush，因?yàn)轳R上要進(jìn)行代碼的跳轉(zhuǎn)了，接著就計(jì)算新的restart在哪里，接著跳過去執(zhí)行新的重定位后的代碼。

這個(gè)時(shí)候就又會到restart處執(zhí)行，會把前面的代碼再執(zhí)行一次，不過這次在執(zhí)行時(shí)，會進(jìn)入圖.6所示的代碼不用重定位的情況，意料之后的事，接著跳到wont_overwirte執(zhí)行，如下：

這兩行代碼的意思是，看一下只什么時(shí)候跳過來的，如果r0的值為0，說明沒有進(jìn)行代碼的重定位，那這個(gè)時(shí)候跳到no_relocated處執(zhí)行，這段就會跳過.got符號表的搬移，因?yàn)槲恢脹]有變啊。代碼寫得好嚴(yán)謹(jǐn)啊，佩服。

④．我們這種經(jīng)過代碼重定位的情況下，r0的值一定不會零，那么這個(gè)時(shí)候就要進(jìn)行.got表的重搬移，如圖中所示，代碼如下：

⑤．下面就來初始化我們一直沒有進(jìn)行初始化的.bss段，其實(shí)就是清零，位置如圖所示。我雖畫了一個(gè)箭頭，但是其實(shí)并沒有進(jìn)行任何搬移動作，僅僅清零，代碼如下：

這里看到我們可愛的not_relocated標(biāo)號了吧，這個(gè)標(biāo)號就是前面所見到的如果沒有進(jìn)行重定位，就直接跳過來進(jìn)行bss的初始化。

⑥．設(shè)置好64K的解壓緩沖區(qū)在堆棧之后，代碼如下：

⑦．進(jìn)行內(nèi)核的解壓過程

這個(gè)函數(shù)是C下面的函數(shù)，那些堆棧的設(shè)置啊，.got表啊，64k的解壓緩沖啊，都是為它準(zhǔn)備的。第一個(gè)參數(shù)是內(nèi)核解壓后所存放的地址，第二，第三參數(shù)是64k解壓緩沖起始地址和結(jié)束地址，最后一個(gè)參數(shù)ID號，這個(gè)由u-boot傳入。

⑧．這是最后一步了，終于到最后一步了。代碼如下：

這里先進(jìn)行cache的flush，然后關(guān)掉cache，再準(zhǔn)備好linux內(nèi)核要啟動的幾個(gè)參數(shù)，最后跳到zreladdr處，進(jìn)入解壓后的內(nèi)核，到這里壓縮內(nèi)核的使命就完成了。但是它的功勞可不小啊。下面就是真真正正的linux內(nèi)核的啟動過程了，這里會進(jìn)入到arch/arm/kernel/head.s這個(gè)文件的stext這個(gè)地址開始執(zhí)行第一行代碼。