arm linux 從入口到start_kernel 代碼分析 - 4

通過前面的兩步,我們已經(jīng)確定了processor type 和 machine type.
此時,一些特定寄存器的值如下所示:
r8 = machine info (struct machine_desc的基地址)
r9 = cpu id (通過cp15協(xié)處理器獲得的cpu id)
r10 = procinfo (struct proc_info_list的基地址)

創(chuàng)建頁表是通過函數(shù) __create_page_tables 來實現(xiàn)的.
這里,我們使用的是arm的L1主頁表,L1主頁表也稱為段頁表(section page table)
L1 主頁表將4 GB 的地址空間分成若干個1 MB的段(section),因此L1頁表包含4096個頁表項(section entry). 每個頁表項是32 bits(4 bytes)
因而L1主頁表占用 4096 *4 = 16k的內(nèi)存空間.

對于ARM926,其L1 section entry的格式為:(可參考arm926EJS TRM):


31 20 19 12 11 10 9 8 5 4 3 2 1 0
+------------------------------+------------+-----+-+--------+-+-+-+-+-+
| | | | | | | | | | |
| Base Address | SBZ | AP |0| Domain |1|C|B|1|0|
| | | | | | | | | | |
+------------------------------+------------+-----+-+--------+-+-+-+-+-+


B - Write Buffer Bit

C - Cache Bit


+---------------------------------------------------+
| Data Cache |
+-----------+------------+--------------------------+
| Cache Bit | Buffer Bit | Page attribute |
+-----------+------------+--------------------------+
| 0 | 0 | not cached, not buffered |
+-----------+------------+--------------------------+
| 0 | 1 | not cached, buffered |
+-----------+------------+--------------------------+
| 1 | 0 | cached, writethrough |
+-----------+------------+--------------------------+
| 1 | 1 | cached, writeback |
+-----------+------------+--------------------------+

下面我們來分析 __create_page_tables 函數(shù):

在 arch/arm/kernel/head.S 中:

00206: .type__create_page_tables, %function
00207: __create_page_tables:
00208: pgtblr4@ page table address
00209:
00210:
00213: movr0, r4
00214: movr3, #0
00215: addr6, r0, #0x4000
00216: 1:strr3, [r0], #4
00217: strr3, [r0], #4
00218: strr3, [r0], #4
00219: strr3, [r0], #4
00220: teqr0, r6
00221: bne1b
00222:
00223: ldrr7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags
00224:
00225:
00231: movr6, pc, lsr #20@ start of kernel section
00232: orrr3, r7, r6, lsl #20@ flags + kernel base
00233: strr3, [r4, r6, lsl #2]@ identity mapping
00234:
00235:
00239: addr0, r4, #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18@ start of kernel
00240: strr3, [r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18]!
00241:
00242: ldrr6, =(_end - PAGE_OFFSET - 1)@ r6 = number of sections
00243: movr6, r6, lsr #20@ needed for kernel minus 1
00244:
00245: 1:addr3, r3, #1 << 20
00246: strr3, [r0, #4]!
00247: subsr6, r6, #1
00248: bgt1b
00249:
00250:
00253: addr0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18
00254: orrr6, r7, #PHYS_OFFSET
00255: strr6, [r0]

...

00314:movpc, lr
00315:.ltorg

206, 207行: 函數(shù)聲明
208行: 通過宏 pgtbl 將r4設(shè)置成頁表的基地址(物理地址)
宏pgtbl 在 arch/arm/kernel/head.S 中:

00042:.macropgtbl, rd
00043:ldrrd, =(__virt_to_phys(KERNEL_RAM_ADDR - 0x4000))
00044:.endm

可以看到,頁表是位于 KERNEL_RAM_ADDR 下面 16k 的位置
宏 __virt_to_phys 是在incude/asm-arm/memory.h 中:

00125: #ifndef __virt_to_phys
00126: #define __virt_to_phys(x)((x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET)
00127: #define __phys_to_virt(x)((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET)
00128: #endif


下面從213行 - 221行, 是將這16k 的頁表清0.
213行: r0 = r4, 將頁表基地址存在r0中
214行: 將 r3 置成0
215行: r6 = 頁表基地址 + 16k, 可以看到這是頁表的尾地址
216 - 221 行: 循環(huán),從 r0 到 r6 將這16k頁表用0填充.

223行: 獲得proc_info_list的__cpu_mm_mmu_flags的值,并存儲到 r7中. (宏P(guān)ROCINFO_MM_MMUFLAGS是在arch/arm/kernel/asm-offset.c中定義)

231行: 通過pc值的高12位(右移20位),得到kernel的section,并存儲到r6中.因為當(dāng)前是通過運行時地址得到的kernel的section,因而是物理地址.
232行: r3 = r7 | (r6 << 20); flags + kernel base,得到頁表中需要設(shè)置的值.
233行: 設(shè)置頁表: mem[r4 + r6 * 4] = r3
這里,因為頁表的每一項是32 bits(4 bytes),所以要乘以4(<<2).
上面這三行,設(shè)置了kernel的第一個section(物理地址所在的page entry)的頁表項

239, 240行: TEXTADDR是內(nèi)核的起始虛擬地址(0xc0008000), 這兩行是設(shè)置kernel起始虛擬地址的頁表項(注意,這里設(shè)置的頁表項和上面的231 - 233行設(shè)置的頁表項是不同的 )
執(zhí)行完后,r0指向kernel的第2個section的虛擬地址所在的頁表項.


242行: 這一行計算kernel鏡像的大小(bytes).
_end 是在vmlinux.lds.S中162行定義的,標(biāo)記kernel的結(jié)束位置(虛擬地址):
00158 .bss : {
00159__bss_start = .;
00160*(.bss)
00161*(COMMON)
00162_end = .;
00163}

kernel的size = _end - PAGE_OFFSET -1, 這里 減1的原因是因為 _end 是 location counter,它的地址是kernel鏡像后面的一個byte的地址.

243行: 地址右移20位,計算出kernel有多少sections,并將結(jié)果存到r6中

245 - 248行: 這幾行用來填充kernel所有section虛擬地址對應(yīng)的頁表項.

253行: 將r0設(shè)置為RAM第一兆虛擬地址的頁表項地址(page entry)
254行: r7中存儲的是mmu flags, 邏輯或上RAM的起始物理地址,得到RAM第一個MB頁表項的值.
255行:　設(shè)置RAM的第一個MB虛擬地址的頁表.
上面這三行是用來設(shè)置RAM中第一兆虛擬地址的頁表. 之所以要設(shè)置這個頁表項的原因是RAM的第一兆內(nèi)存中可能存儲著boot params.

這樣,kernel所需要的基本的頁表我們都設(shè)置完了, 如下圖所示:

_,,_ _,,_
-` `-.,,. -` `-.,,.
| | | |
| | | |
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| | | |
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| | | |
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+-----------+ | |
| | | |
| |------------- | |
| | | | |
| KERNEL | | | |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
+0x8000 ->+-----------+-------- | | |
| | | | | |
| L1 | | | | |
| Page Table| | | | |
| | | | | |
+0x4000 ->+-----------+ | | | |
| | | | +-----------+
| Boot | | | | |
| Params | | | | |
| | | | | |
PAGE_OFFSET(3G) ->+-----------+--- | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | +-----------+
| | | | | | |
| | | | -->| |
| | | | | |
| | | | | KERNEL |
| | | | | |
| | | | | |
+- - - - - -+ | | | |
| 1MB | | | | |
PHYS_OFFSET+0x8000 ->+- - - - - -+--------+------->-----------+<- +0x8000
| | | | |
| | | | L1 |
| | | | Page Table|
| | | | |
| | | +-----------+<- +0x4000
| | | | |
| | | | Boot |
| | | | Params |
| | | | |
| | ------------>+-----------+<- PHYS_OFFSET
| | | |
| | | _,,_ |
| | -` `-.,,.
0 --+-----------+

VIRT Address PHYS Address