[kernel 启动流程] （第一章）概述

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我是靠谱客的博主温暖小土豆，最近开发中收集的这篇文章主要介绍[kernel 启动流程] （第一章）概述，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

一、kernel启动之前的准备动作
在kernel启动之前的准备都是由bootloader来完成。所以不管是什么bootloader，例如uboot、LK、superboot等等，都需要实现以下准备动作。这里指说明概念，不涉及代码。
我们在project X项目中使用的bootloader是uboot，具体代码参考第四节“kernel准备动作在uboot中的实现”

1、kernel镜像加载到ddr的相应位置
kernel镜像一般会存在于存储设备上，比如FLASHEMMCSDCARD.
因此，需要先将kernel镜像加载到RAM的位置上，CPU才可以去访问到kernel。
具体实现方法由bootloader决定，可以是自动复制，也可以是根据bootloader cmdline模式下输入的命令来是否复制。
但是注意，加载的位置是有要求的，一般是加载到物理RAM偏移0x8000的位置，也就是要在前面预留出32K的RAM。kernel会从加载的位置上开始解压，而kernel前面的32K空闲RAM中，16K作为boot params,16K作为临时页表
这些在后续kernel启动流程的文章中会说明。
例如,s5pv210的物理RAM的起始地址是0x20000000，那么kernel的加载地址就应该是0x20008000。

2、硬件要求
根据arch/arm/kernel/head.S的stext（kernel的入口函数）的注释头

/*
* 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.
所以有如下要求
* MMU = off
MMU用来处理物理地址到虚拟内存地址的映射，因此需要软件上需要先配置其映射表（也就是后续文章会说明的页表）。MMU关闭的情况下，CPU寻址的地址都是物理地址，也就是不需要经过转化直接访问相应的硬件。一旦打开之后，CPU寻址的所有地址都是虚拟地址，都会经过MMU映射到真正的物理地址上，即使你在代码中访问的是一个物理地址，也会被当作虚拟内存地址使用。
而映射表是由kernel自己创建的，因此，在创建映射表之前kernel访问的地址都是物理地址，所以必须保证MMU是关闭状态。
* D-cache = off
CACHE是CPU和内存之间的高速缓冲存储器，又分成数据缓冲器D-cache和指令缓冲器I-cache。具体意义这里不多说明。
数据Cache一定要关闭，否则可能kernel刚启动的过程中，去取数据的时候，从Cache里面取，而这时候RAM中数据还没有Cache过来，导致数据预取异常。
自己的理解是，假设打开MMU之前，cache上存了一个项“地址0x20000000、数据0xffff0000”,打开MMU之后，读取0x20000000地址上（虚拟地址）数据，但是此时会直接从cache中读到项“地址0x20000000、数据0xffff0000”，但实际上对应物理地址上的数据并不是这个，所以会导致读取的数据错误。
* r0 = 0
硬性规定r0寄存器为0，没有什么意义。
* r1 = machine nr
r1寄存器里面存放machine ID。
* r2 = atags or dtb pointer
r2寄存器里面存放atags或者dtb的地址指针。

3、跳转到kernel镜像入口的对应位置

bootloader需要通过设置PC指针到kernel的入口代码处（也就是kernel的加载位置）来实现kernel的跳转。
例如tiny210(s5pv210)的PC设置为0x20008000来实现到kernel的跳转。

二、kernel启动过程入口说明
1、kernel入口地址的指定
arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中

ENTRY(stext)

所以kernel启动的入口代码位于arch/arm/kernel/head.S。
这里也是我们后续要分析kernel启动流程的核心代码部分。
2、kernel入口地址
* 连接地址，通过System.map查看，可以看到stext的连接地址是0xc0008000

c0008000 T stext

加载地址，因为uboot把kernel加载到0x20008000的位置上，所以kernel的入口是0x20008000
根据连接脚本，stext是作为kernel的入口（上述一），所以stext就在kernel镜像的起始位置上，所以stext的加载地址应该0x20008000。

三、kernel启动的两个阶段说明
kernel在启动初期主要分成两个阶段。

1、第一阶段：从入口跳转到start_kernel之前的阶段。
对应代码arch/arm/kernel/head.S中stext的实现：

ENTRY(stext)

这个阶段主要由汇编语言实现。
这个阶段主要负责MMU打开之前的一些操作，以及打开MMU的操作。
由于这个阶段MMU还没有打开，并且kernel加载地址和连接地址并一致，所以需要使用位置无关设计。在运行过程中运行地址和加载地址一致（如果不明白的话建议先参考一下《[kernel 启动流程] 前篇——vmlinux.lds分析》）。

其主要流程如下：
* 设置为SVC模式，关闭所有中断
什么是SVC模式？为什么要设置成SVC模式？
如何关闭所有中断？为什么要关闭所有中断呢？

@ ensure svc mode and all interrupts masked
safe_svcmode_maskall r9

参考[kernel 启动流程] （第二章）第一阶段之——设置SVC、关闭中断
* 获取CPU ID，提取相应的proc info
从哪里去提取proc_info?
proc_info里面存放了什么东西？这里面的数据结构应该是很重要所以才有必要在打开MMU前就去获取。

mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
beq __error_p @ yes, error 'p'

参考[kernel 启动流程] （第三章）第一阶段之——proc info的获取
* 验证tags或者dtb
如何验证dtb的有效性？
bl __vet_atags

参考[kernel 启动流程] （第四章）第一阶段之——dtb的验证
* 创建临时内核页表的页表项
页表项的作用？基础知识？和MMU之间的关系？
*要为哪些内存区域创建页表项？为什么？

bl __create_page_tables

参考[kernel 启动流程] （第五章）第一阶段之——临时内核页表的创建
* 配置r13寄存器，也就是设置打开MMU之后要跳转到的函数。
为什么要在打开MMU之前配置呢

ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after
@ mmu has been enabled
使能MMU
如何使能MMU？
swapper_pg_dir变量？
ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]
add r12, r12, r10
ret r12
b __enable_mmu

参考[kernel 启动流程] （第六章）第一阶段之——打开MMU
* 跳转到start_kernel
如何跳转到start_kernel?
参考[kernel 启动流程] （第七章）第一阶段之——跳转到start_kernel

分析代码的时候可以结合上述疑问去进行分析。
后续分析启动代码的过程中会针对上述流程和疑问进行文档整理。

2、第二阶段：start_kernel开始的阶段。
这个阶段主要由C语言实现。
kernel启动流程中剩余的操作都是这里实现。
这里不多说，后续会有文章说明。

四、kernel准备动作在uboot中的实现
以下以tiny210为例：

1、kernel镜像加载到ddr的相应位置
在project-X 项目中tiny210的存储设备暂时设计为SDCARD，并且是自动将kernel加载到ddr上。
kernel镜像有传统的uImage方式和FIT方式。
这里以传统的uImage方式做说明。
具体实现如下：
u-boot/board/samsung/tiny210/board.c

#define KERNEL_TEXT_BASE 0x20008000
void copy_kernel_to_ddr(void)
{
u32 sdmmc_base_addr;
copy_sd_mmc_to_mem copy_bl2 = (copy_sd_mmc_to_mem)(*(u32*)CopySDMMCtoMem);
sdmmc_base_addr = *(u32 *)SDMMC_BASE;
if(sdmmc_base_addr == SDMMC_CH2_BASE_ADDR)
{
copy_bl2(2, MOVI_KERNEL_SDCARD_POS, MOVI_KERNEL_BLKCNT, (u32 *)KERNEL_TEXT_BASE, 0);
}
}
MOVI_KERNEL_SDCARD_POS表示kernel镜像在SDCARD上的位置。
KERNEL_TEXT_BASE表示要加载到RAM上的位置，注意，就是0x20008000。
通过copy_sd_mmc_to_mem来实现SDCARD到DDR上的复制动作。

2、MMU和D-cache的关闭
关于arm的MMU和D-cache都是有协处理器CP15来进行管理。
关于CP15的指令说明和寄存器请自行网上搜索资料。
C1寄存器的某些位用于配置MMU中的一些操作，C1的0位控制禁止/使能MMU，简单示例如下：

MRC P15，0，R0，C1，0，0
ORR R0，#01
MCR P15，0，R0，C1，0，0

uboot中s5pv210关闭MMU和D-cache的位置在（其实默认就是关闭的）
u-boot/arch/arm/cpu/armv7/start.S

ENTRY(cpu_init_cp15)
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002000 @ clear bits 13 (--V-)
bic r0, r0, #0x00000007 @ clear bits 2:0 (-CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 1 (--A-) Align
orr r0, r0, #0x00000800 @ set bit 11 (Z---) BTB
#ifdef CONFIG_SYS_ICACHE_OFF
bic r0, r0, #0x00001000 @ clear bit 12 (I) I-cache
#else
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-cache
#endif
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

3、r0 r1 r2寄存器的设置和kernel的跳转
u-boot/arch/arm/lib/bootm.c

static void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images, int flag)
{
unsigned long machid = gd->bd->bi_arch_number;//获取mechine_id
void (*kernel_entry)(int zero, int arch, uint params);
kernel_entry = (void (*)(int, int, uint))images->ep;//获取了要转的入口地址
debug("## Transferring control to Linux (at address %08lx)"
"...n", (ulong) kernel_entry);
r2 = (unsigned long)images->ft_addr;//获取dtb地址。
kernel_entry(0, machid, r2);
｝

最后跳转到kernel_entry(0, machid, r2);，也就是0x20008000的位置，并且通过参数，将0传入到r0,machid传入到r1，dtb的地址传入到r2。最终就调用到kernel的入口去了。
在串口输出中会看到如下log：

## Transferring control to Linux (at address 20008000)...
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