arm linux 從入口到start_kernel 代碼分析 - 6

開啟mmu是又函數 __enable_mmu 實現的.

在進入 __enable_mmu 的時候, r0中已經存放了控制寄存器c1的一些配置(在上一步中進行的設置), 但是并沒有真正的打開mmu,
在 __enable_mmu 中,我們將打開mmu.

此時,一些特定寄存器的值如下所示:
r0 = c1 parameters (用來配置控制寄存器的參數)
r4 = pgtbl (page table 的物理基地址)
r8 = machine info (struct machine_desc的基地址)
r9 = cpu id (通過cp15協處理器獲得的cpu id)
r10 = procinfo (struct proc_info_list的基地址)

在 arch/arm/kernel/head.S 中:

00146: .type__enable_mmu, %function
00147: __enable_mmu:
00148: #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
00149: orrr0, r0, #CR_A
00150: #else
00151: bicr0, r0, #CR_A
00152: #endif
00153: #ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE
00154: bicr0, r0, #CR_C
00155: #endif
00156: #ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
00157: bicr0, r0, #CR_Z
00158: #endif
00159: #ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE
00160: bicr0, r0, #CR_I
00161: #endif
00162: movr5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) |
00163: domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) |
00164: domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) |
00165: domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))
00166: mcrp15, 0, r5, c3, c0, 0@ load domain access register
00167: mcrp15, 0, r4, c2, c0, 0@ load page table pointer
00168: b__turn_mmu_on
00169:
00170:
00181: .align5
00182: .type__turn_mmu_on, %function
00183: __turn_mmu_on:
00184: movr0, r0
00185: mcrp15, 0, r0, c1, c0, 0@ write control reg
00186: mrcp15, 0, r3, c0, c0, 0@ read id reg
00187: movr3, r3
00188: movr3, r3
00189: movpc, r13

第146, 147行: 函數聲明
第148 - 161行: 根據相應的配置,設置r0中的相應的Bit. (r0 將用來配置控制寄存器c1)
第162 - 165行: 設置 domain 參數r5.(r5 將用來配置domain)
第166行: 配置 domain (詳細信息清參考arm相關手冊)
第167行: 配置頁表在存儲器中的位置(set ttb).這里頁表的基地址是r4, 通過寫cp15的c2寄存器來設置頁表基地址.

第168行: 跳轉到 __turn_mmu_on. 從名稱我們可以猜到,下面是要真正打開mmu了.
(繼續向下看,我們會發現,__turn_mmu_on就下當前代碼的下方,為什么要跳轉一下呢? 這是有原因的. go on)
第169 - 180行: 空行和注釋. 這里的注釋我們可以看到, r0是cp15控制寄存器的內容, r13存儲了完成后需要跳轉的虛擬地址(因為完成后mmu已經打開了,都是虛擬地址了).

第181行: .algin 5 這句是cache line對齊. 我們可以看到下面一行就是 __turn_mmu_on, 之所以
第182 - 183行: __turn_mmu_on 的函數聲明. 這里我們可以看到, __turn_mmu_on 是緊接著上面第168行的跳轉指令的,只是中間在第181行多了一個cache line對齊.
這么做的原因是: 下面我們要進行真正的打開mmu操作了, 我們要把打開mmu的操作放到一個單獨的cache line上. 而在之前的"啟動條件"一節我們說了,I Cache是可以打開也可以關閉的,這里這么做的原因是要保證在I Cache打開的時候,打開mmu的操作也能正常執行.
第184行: 這是一個空操作,相當于nop. 在arm中,nop操作經常用指令 mov rd, rd 來實現.
注意: 為什么這里要有一個nop,我思考了很長時間,這里是我的猜測,可能不是正確的:
因為之前設置了頁表基地址(set ttb),到下一行(185行)打開mmu操作,中間的指令序列是這樣的:
set ttb(第167行)
branch(第168行)
nop(第184行)
enable mmu(第185行)
對于arm的五級流水線: fetch - decode - execute - memory - write

他們執行的情況如下圖所示:

+------------+---+---+---+---+---+---+---+---+
| set ttb | F | D | E | M | W | | | |
+------------+---+---+---+---+---+---+---+---+
| branch | | F | D | E | | | | |
+------------+---+---+---+---+---+---+---+---+
| nop | | | | | F | D | | |
+------------+---+---+---+---+---+---+---+---+
| enable mmu | | | | | | F | | |
+------------+---+---+---+---+---+---+---+---+


F - fetch
D - Decode
E - Execute
M - Memory
W - Write Register

這里需要說明的是,branch操作會在3個cycle中完成,并且會導致重新取指.

從這個圖我們可以看出來,在enable mmu操作取指的時候, set ttb操作剛好完成.


第185行: 寫cp15的控制寄存器c1, 這里是打開mmu的操作,同時會打開cache等(根據r0相應的配置)
第186行: 讀取id寄存器.
第187 - 188行: 兩個nop.
第189行: 取r13到pc中,我們前面已經看到了, r13中存儲的是 __switch_data (在 arch/arm/kernel/head.S 91行),下面會跳到 __switch_data.

第187,188行的兩個nop是非常重要的,因為在185行打開mmu操作之后,要等到3個cycle之后才會生效,這和arm的流水線有關系.
因而,在打開mmu操作之后的加了兩個nop操作.