ARM linux的啟動部分源代碼簡略分析

當內核映像被加載到RAM之后，Bootloader的控制權被釋放。內核映像并不是可直接運行的目標代碼，而是一個壓縮過的zImage（小內核）。但是，也并非是zImage映像中的一切均被壓縮了，映像中包含未被壓縮的部分，這部分中包含解壓縮程序，解壓縮程序會解壓縮映像中被壓縮的部分。zImage使用gzip壓縮的，它不僅僅是一個壓縮文件，而且在這個文件的開頭部分內嵌有gzip解壓縮代碼。當zImage被調用時它從arch/arm/boot/compressed/head.S的start匯編例程開始執行。這個例程進行一些基本的硬件設置，并調用arch/arm/boot/compressed/misc.c中的decompress_kernel()解壓縮內核。

arch/arm/kernel/head.S文件是內核真正的啟動入口點，一般是由解壓縮內核的程序來調用的。首先先看下對于運行這個文件的要求：

MMU = off； D-cache = off； I-cache = 無所謂，開也可以，關也可以； r0 = 0；r1 = 機器號；r2 = atags 指針。

這段代碼是位置無關的，所以，如果以地址0xC0008000來鏈接內核，那么就可以直接用__pa(0xc0008000)地址來調用這里的代碼。

其實，在這個（Linux內核中總共有多達幾十個的以head.S命名的文件）head.S文件中的一項重要工作就是設置內核的臨時頁表，不然mmu開起來也玩不轉，但是內核怎么知道如何映射內存呢？linux的內核將映射到虛地址0xCxxxxxxx處，但他怎么知道在4GB的地址空間中有哪一片ram是可用的，從而可以映射過去呢？

因為不同的系統有不通的內存映像，所以，LINUX約定，要調用內核代碼，一定要滿足上面的調用要求，以為最初的內核代碼提供一些最重要的關于機器的信息。內核代碼開始的時候，R1存放的是系統目標平臺的代號，對于一些常見的，標準的平臺，內核已經提供了支持，只要在編譯的時候選中就行了，例如對X86平臺，內核是從物理地址1M開始映射的。

好了好了，看下面的代碼。

ENTRY(stext)是這個文件的入口點。最初的幾行是這樣的：

setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9

@ ensure svc mode

@ and irqs disabled

// 設置為SVC模式，關閉中斷和快速中斷
// 此處設定系統的工作狀態為SVC，arm有7種狀態每種狀態

// 都有自己的堆棧,SVC為管理模式，具有完全的權限，可以執行任意指令

// 訪問任意地址的內存

//setmode是一個宏，其定義為：

//.macro setmode, mode, reg

//msr cpsr_c, #mode

//.endm

mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id

bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid

movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?

beq __error_p @ yes, error p

這幾行是查詢處理器的類型的，我們知道arm系列有很多型號，arm7、arm9、arm11、Cortex核等等類型，這么多型號要如何區分呢？其實，在arm的15號協處理器(其實ARM暫時也就這么一個協處理器)中有一個只讀寄存器，存放與處理器相關信息。

__lookup_processor_type是arch/arm/kernel/head-common.S文件中定義的一個例程，這個head-common.S用include命令被包含在head.S文件中。其定義為：

__lookup_processor_type:

adr r3, 3f

ldmia r3, {r5 - r7}

add r3, r3, #8

sub r3, r3, r7 @ get offset between virt&phys

add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to

add r6, r6, r3 @ physical address space

1: ldmia r5, {r3, r4} @ value, mask

and r4, r4, r9 @ mask wanted bits

teq r3, r4

beq 2f

add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)

cmp r5, r6

blo 1b

mov r5, #0 @ unknown processor

2: mov pc, lr

ENDPROC(__lookup_processor_type)

這個例程接受處理器ID（保存在寄存器r9中）為參數，查找鏈接器建立的支持的處理器表。此時此刻還不能使用__proc_info表的絕對地址，因為這時候MMU還沒有開啟，所以此時運行的程序沒有在正確的地址空間中。所以不得不計算偏移量。若沒有找到processor ID對應的處理器，則在r5寄存器中返回返回0，否則返回一個proc_info_list結構體的指針（在物理地址空間）。proc_info_list結構體在文件中定義：

struct proc_info_list {

unsigned int cpu_val;

unsigned int cpu_mask;

unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */

const char *arch_name;

const char *elf_name;

unsigned int elf_hwcap;

const char *cpu_name;

struct processor *proc;

struct cpu_tlb_fns *tlb;

struct cpu_user_fns *user;

struct cpu_cache_fns *cache;

};
第一項是CPUid，將與協處理器中讀出的id作比較，其余的字段也都是與處理器相關的信息，到下面初始化的過程中自然會用到。

另外，這個例程加載符地址的代碼也是挺值得我輩學習的：

adr r3, 3f
加載一個符號的地址，這個符號在加載語句前面（下面）定義，forward嘛，這個符號為3，離這條語句最近的那個。在那個符號為3的位置我們看到這樣的代碼：

.align 2

3: .long __proc_info_begin

.long __proc_info_end

4: .long .

.long __arch_info_begin

.long __arch_info_end

搜索這兩個符號的值，在文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中：

__proc_info_begin = .;

*(.proc.info.init)

__proc_info_end = .;

這兩個符號分別是一種初始化的段的結束開始地址和結束地址。為了了解由struct proc_info_list結構體組成的段的實際構成，我們還是得要了解一下在系統中到底都有哪些變量是聲明了要被放到這個段的。用關鍵字.proc.info.init來搜，全部都是arch/arm/mm/proc-*.S文件，這些都是特定于處理器的匯編語言文件，對于我們的mini2440, 自然是要看proc-arm920.S文件的，在其中可以看到這些內容：

.section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr

.type __arm920_proc_info,#object

__arm920_proc_info:

.long 0x41009200

.long 0xff00fff0

.long PMD_TYPE_SECT |

PMD_SECT_BUFFERABLE |

PMD_SECT_CACHEABLE |

PMD_BIT4 |

PMD_SECT_AP_WRITE |

PMD_SECT_AP_READ

.long PMD_TYPE_SECT |

PMD_BIT4 |

PMD_SECT_AP_WRITE |

PMD_SECT_AP_READ

b __arm920_setup

.long cpu_arch_name

.long cpu_elf_name

.long HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB

.long cpu_arm920_name

.long arm920_processor_functions

.long v4wbi_tlb_fns

.long v4wb_user_fns

#ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH

.long arm920_cache_fns

#else

.long v4wt_cache_fns

#endif

.size __arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info

看到這兒我們再回國頭去看__lookup_processor_type的代碼：

ldmia r3, {r5 - r7}

add r3, r3, #8

sub r3, r3, r7

盡管符號3處只有兩個有效值，但它加載了三個數，而第三個數，我們看到是這樣定義的：

.long .

__lookup_processor_type中，給r3加上8，也就是讓r3指向“.”的地址，然后用r3減r7來獲取虛擬地址與物理地址的差，這樣看來，“.”就應該是虛擬空間（編譯地址）里那個數據的地址。

之后的代碼獲得__proc_info_begin和__arch_info_end這兩個符號在物理空間中的地址：

add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to

add r6, r6, r3

然后便是在那個段中逐個的檢查struct proc_info_list結構體，以找到與我們的CPU相匹配的：

1: ldmia r5, {r3, r4} @ value, mask

and r4, r4, r9 @ mask wanted bits

teq r3, r4

beq 2f

add r5, r5, #PROC_INFO_SZ @ sizeof(proc_info_list)

cmp r5, r6

blo 1b

mov r5, #0 @ unknown processor

2: mov pc, lr

__lookup_processor_type例程會返回在文件arch/arm/mm/proc-arm920.S中定義的一個保存有與我們的處理器相關的信息的struct proc_info_list結構體的地址。

接下來我們繼續看stext的代碼：
bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo

movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?

beq __error_a @ yes, error a

在獲得了處理器信息之后，則調用__lookup_machine_type來查找機器信息。這個例程同樣也在arch/arm/kernel/head-common.S文件中定義。這個例程的定義如下：

__lookup_machine_type:

adr r3, 4b

ldmia r3, {r4, r5, r6}

sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys

add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to

add r6, r6, r3 @ physical address space

1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type

teq r3, r1 @ matches loader number?

beq 2f @ found

add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc

cmp r5, r6

blo 1b

mov r5, #0 @ unknown machine

2: mov pc, lr

ENDPROC(__lookup_machine_type)

處理的過程和上面的__lookup_processor_type還是挺相似的。這個例程接收r1中傳進來的機器號作為參數，然后，在一個由struct machine_desc結構體組成的段中查找和我們的機器號匹配的struct machine_desc結構體，這個結構體在arch/arm/include/asm/mach/arch.h文件中定義，用于保存機器的信息：

struct machine_desc {

/*

* Note! The first four elements are used

* by assembler code in head.S, head-common.S

*/

unsigned int nr; /* architecture number */

unsigned int phys_io; /* start of physical io */

unsigned int io_pg_offst; /* byte offset for io

* page tabe entry */

const char *name; /* architecture name */

unsigned long boot_params; /* tagged list */

unsigned int video_start; /* start of video RAM */

unsigned int video_end; /* end of video RAM */

unsigned int reserve_lp0 :1; /* never has lp0 */

unsigned int reserve_lp1 :1; /* never has lp1 */

unsigned int reserve_lp2 :1; /* never has lp2 */

unsigned int soft_reboot :1; /* soft reboot */

void (*fixup)(struct machine_desc *,

struct tag *, char ,

struct meminfo *);

void (*map_io)(void);/* IO mapping function */

void (*init_irq)(void);

struct sys_timer *timer; /* system tick timer */

void (*init_machine)(void);

};

同樣這個例程也用到了同上面很相似的方式來獲得符號的地址：

adr r3, 4b
b代表back，即向后，這個符號為4，緊接著我們前面看到的那個為3的標號：

4: .long .

.long __arch_info_begin

.long __arch_info_end

在文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中我們可以看到段的定義：

__arch_info_begin = .;

*(.arch.info.init)

__arch_info_end = .;

這兩個符號也是分別表示某種初始化的段的開始地址和結束地址。為了找到段的填充內容，還是得要了解一下到底都有哪些struct machine_desc結構體類型變量聲明了要被放到這個段的。用關鍵字.arch.info.init來搜索所有的內核源文件。在arch/arm/include/asm/mach/arch.h文件中我們看到：

#define MACHINE_START(_type,_name)

static const struct machine_desc __mach_desc_##_type

__used

__attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {

.nr = MACH_TYPE_##_type,

.name = _name,

#define MACHINE_END

};

定義機器結構體，也就是.arch.info.init段中的內容，都是要通過兩個宏MACHINE_START和MACHINE_END來完成的啊，MACHINE_START宏定義一個truct machine_desc結構體，并初始化它的機器號字段和機器名字段，可以在arch/arm/tools/mach-types文件中看到各種平臺的機器號的定義。那接著我們來搜MACHINE_START吧，這是一個用于定義機器結構體的宏，所以可以看到這個符號好像都是在arch/arm/mach-*/mach-*.c這樣的文件中出現的，我們感興趣的應該是arch/arm/mach-s3c2440/ mach-mini2440.c文件中的這個符號：

MACHINE_START(MINI2440, "MINI2440")

/* Maintainer: Michel Pollet */

.phys_io = S3C2410_PA_UART,

.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

.map_io = mini2440_map_io,

.init_machine = mini2440_init,

.init_irq = s3c24xx_init_irq,

.timer = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

OK，__lookup_machine_type這個例程的我們也搞明白了。回憶一下，啟動代碼現在已經完成的工作，R10寄存器中為指向proc_info_list結構體的指針（物理地址空間），這個結構體包含有關于我們的處理器的一些重要信息。R8寄存器中為指向一個與我們的平臺相匹配的machine_desc結構體的指針，這個結構體中保存有一些關于我們的平臺的重要信息。

回來接著看arch/arm/kernel/head.S文件中的stext：

bl __vet_atags

這個例程同樣同樣也是在arch/arm/kernel/head-common.S文件中定義：

__vet_atags:

tst r2, #0x3 @ aligned?

bne 1f

ldr r5, [r2, #0] @ is first tag ATAG_CORE?

cmp r5, #ATAG_CORE_SIZE

cmpne r5, #ATAG_CORE_SIZE_EMPTY

bne 1f

ldr r5, [r2, #4]

ldr r6, =ATAG_CORE

cmp r5, r6

bne 1f

mov pc, lr @ atag pointer is ok

1: mov r2, #0

mov pc, lr

ENDPROC(__vet_atags)

這個例程接收機器信息(R8寄存器)為參數，并檢測r2中傳入的ATAGS 指針的合法性。內核使用tag來作為bootloader傳遞內核參數的方式。系統要求r2中傳進來的ATAGS指針式4字節對齊的，同時要求ATAGS列表的第一個tag是一個ATAG_CORE類型的。

此時R10寄存器中保存有指向CPU信息結構體的指針，R8寄存器中保存有指向機器結構體的指針，R2寄存器中保存有指向tag表的指針，R9中還保存有CPU ID信息。

回到arch/arm/kernel/head.S文件中的stext，之后就要進入初始化過程中比較關鍵的一步了，開始設置mmu，但首先要填充一個臨時的內核頁表，映射4m的內存，這在初始化過程中是足夠了：

bl __create_page_tables

這個例程設置初始頁表，這里只設置最起碼的數量，只要能使內核運行即可，r8 = machinfo，r9 = cpuid，r10 = procinfo，在r4寄存器中返回物理頁表地址。

__create_page_tables例程在文件arch/arm/kernel/head.S中定義：

__create_page_tables:

pgtbl r4 @ page table address

// pgtbl是一個宏，本文件的前面部分有定義：

//.macro pgtbl, rd

//ldr rd, =(KERNEL_RAM_PADDR - 0x4000)

//.endm

// KERNEL_RAM_PADDR在本文件的前面有定義，為(PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET)

// PHYS_OFFSET在arch/arm/mach-s3c2410/include/mach/memory.h定義，

// 為UL(0x30000000)

// 而TEXT_OFFSET在arch/arm/Makefile中定義，為內核鏡像在內存中到內存

// 開始位置的偏移（字節），為$(textofs-y)

// textofs-y也在文件arch/arm/Makefile中定義，

// 為textofs-y := 0x00008000

// r4 = 30004000為臨時頁表的起始地址

// 首先即是初始化16K的頁表，高12位虛擬地址為頁表索引，所以為

// 4K*4 = 16K，大頁表，每一個頁表項，映射1MB虛擬地址。

// 這個地方還來了個循環展開，以優化性能。

mov r0, r4

mov r3, #0

add r6, r0, #0x4000

1: str r3, [r0], #4

str r3, [r0], #4

str r3, [r0], #4

str r3, [r0], #4

teq r0, r6

bne 1b

ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags

// PROCINFO_MM_MMUFLAGS在arch/arm/kernel/asm-offsets.c文件中定義，

// 為DEFINE(PROCINFO_MM_MMUFLAGS,

// offsetof(struct proc_info_list, __cpu_mm_mmu_flags));

// R10寄存器保存的指針指向是我們前面找到的proc_info_list結構嘛。

// 為內核的第一個MB創建一致的映射，以為打開MMU做準備，這個映射將會被

// paging_init()移除，這里使用程序計數器來獲得相應的段的基地址。

// 這個地方是直接映射。

mov r6, pc

mov r6, r6, lsr #20 @ start of kernel section

orr r3, r7, r6, lsl #20 @ flags + kernel base

str r3, [r4, r6, lsl #2] @ identity mapping

// 接下來為內核的直接映射區設置頁表。KERNEL_START在文件的前面定義，

// 為KERNEL_RAM_VADDR，即內核的虛擬地址。

// 而KERNEL_RAM_VADDR在文件的前面定義，則為(PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)

// 映射完整的內核代碼段，初始化數據段。

// PAGE_OFFSET為內核鏡像開始的虛擬地址，在

// arch/arm/include/asm/memory.h中定義。在配置內核時選定具體值，默認

// 為0xC0000000。

// 因為最高12位的值是頁表中的偏移地址，而第三高的四位必然為0，

// 每個頁表項為4字節，右移20位之后，還得再左移兩位回來，所以，這里只// 是左移18位。

// R3寄存器在經過了上面的操作之后，實際上是變成了指向內核鏡像代碼段

// 的指針（物理地址），在這個地方，再一次為內核鏡像的第一個MB做了映射。

// R6隨后指向了內核鏡像的尾部。R0為頁表項指針。

// 這里以1MB為單位來映射內核鏡像。

add r0, r4, #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18

str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]!

ldr r6, =(KERNEL_END - 1)

add r0, r0, #4

add r6, r4, r6, lsr #18//得到頁表的結束物理地址

1: cmp r0, r6

add r3, r3, #1 << 20

strls r3, [r0], #4

bls 1b

// 為了使用啟動參數，將物理內存的第一MB映射到內核虛擬地址空間的

// 第一個MB，r4存放的是頁表的地址。這里的PAGE_OFFSET的虛擬地址

// 比上面的KERNEL_START要小0x8000

add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18

orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)

.if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)

orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000)

.endif

str r6, [r0]

// 上面的這個步驟顯得似乎有些多余。

// 總結一下，這個建立臨時頁表的過程：

// 1、為內核鏡像的第一個MB建立直接映射

// 2、為內核鏡像完整的建立從虛擬地址到物理地址的映射

// 3、為物理內存的第一個MB建立到內核的虛擬地址空間的第一個MB的映射。

// OK，內核的臨時頁表建立完畢。整個初始化臨時頁表的過程都沒有修改R8，

// R9和R10。

mov pc, lr

ENDPROC(__create_page_tables)

回到stext：

ldr r13, __switch_data @ address to jump to after

@ mmu has been enabled

這個地方實際上是在r13中保存了另一個例程的地址。后面的分析中，遇到執行到這個例程的情況時會有詳細說明。

接著看stext：

adr lr, BSYM(__enable_mmu) @ return (PIC) address

BSYM（）是一個宏，在文件arch/arm/include/asm/unified.h中定義，為：

#define BSYM(sym) sym

也就是說這個語句也僅僅是把__enable_mmu例程的地址加載進lr寄存器中。為了方便之后調用的函數返回時，直接執行__enable_mmu例程。

接著看stext下一句：

ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )

ARM（）也是一個宏，同樣在文件arch/arm/include/asm/unified.h中定義，當配置內核為生成ARM鏡像，則為：#define ARM(x...) x

所以這一條語句也就是在調用一個例程。R10中保存的是procinfo結構的地址。PROCINFO_INITFUNC符號在arch/arm/kernel/asm-offsets.c文件中定義，為：

DEFINE(PROCINFO_INITFUNC, offsetof(struct proc_info_list, __cpu_flush));

也就是調用結構體proc_info_list的__cpu_flush成員函數。回去查看arch/arm/mm/proc-arm920.S文件中struct proc_info_list結構體的變量的定義，可以看到這個成員為：

b __arm920_setup

也就是說，在設置好內核臨時頁表之后調用了例程__arm920_setup，這個例程同樣在arch/arm/mm/proc-arm920.S中：

__arm920_setup:

mov r0, #0

mcr p15, 0, r0, c7, c7 @ invalidate I,D caches on v4

mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ drain write buffer on v4

#ifdef CONFIG_MMU

mcr p15, 0, r0, c8, c7 @ invalidate I,D TLBs on v4

#endif

adr r5, arm920_crval

ldmia r5, {r5, r6}

mrc p15, 0, r0, c1, c0 @ get control register v4

bic r0, r0, r5

orr r0, r0, r6

mov pc, lr

這一段首先使i,dcaches內容無效,然后清除writebuffer，接著使TLB內容無效。接下來加載變量arm920_crval的地址，我們看到arm920_crval變量的內容為：

rm920_crval:

crval clear=0x00003f3f, mmuset=0x00003135, ucset=0x00001130

crval為一個宏，在arch/arm/mm/proc-macros.S中定義：

.macro crval, clear, mmuset, ucset

#ifdef CONFIG_MMU

.word clear

.word mmuset

#else

.word clear

.word ucset

#endif

.endm

其實也就是定義兩個變量而已。之后，在r0中，得到了我們想要往協處理器相應寄存器中寫入的內容。

之后的__arm920_setup返回，mov pc, lr，即是調用例程__enable_mmu，這個例程在文件arch/arm/kernel/head.S中：

__enable_mmu:

#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP

orr r0, r0, #CR_A

#else

bic r0, r0, #CR_A

#endif

#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE

bic r0, r0, #CR_C

#endif

#ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE

bic r0, r0, #CR_Z

#endif

#ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE

bic r0, r0, #CR_I

#endif

mov r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) |

domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) |

domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) |

domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))

mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register

mcr p15, 0, r4, c2, c0, 0 @ load page table pointer

b __turn_mmu_on

在這兒設置了頁目錄地址（r4寄存器中保存），然后設置domain的保護，在前面建立頁表的例程中，注意到，頁表項的控制信息，是從struct proc_info_list結構體的某字段中取的，其頁目錄項的 domain都是0，domain寄存器中的domain0對應的是0b11，表示訪問模式為manager,不受限制。在這里同時也完成r0的某些位的進一步設置。

然后，__enable_mmu例程又調用了__turn_mmu_on，在同一個文件中定義：

__turn_mmu_on:

mov r0, r0

mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control reg

mrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id reg

mov r3, r3

mov r3, r13

mov pc, r3

ENDPROC(__turn_mmu_on)

接下來寫控制寄存器：

mcrp15,0,r0,c1,c0,0

一切設置就此生效，到此算是完成了打開d,icache和mmu的工作。

注意：arm的dcache必須和mmu一起打開，而icache可以單獨打開。其實，cache和mmu的關系實在是緊密，每一個頁表項都有標志標示是否是cacheable的，可以說本來就是設計一起使用的

前面有提到過，r13中存放的其實是另外一個例程的地址，其值是變量__switch_data的第一個字段，即一個函數指針的值，__switch_data變量是在arch/arm/kernel/head-common.S中定義的：

__switch_data:

.long __mmap_switched

.long __data_loc @ r4

.long _data @ r5

.long __bss_start @ r6

.long _end @ r7

.long processor_id @ r4

.long __machine_arch_type @ r5

.long __atags_pointer @ r6

.long cr_alignment @ r7

.long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp

前面的ldr r13 __switch_data，實際上也就是加載符號__mmap_switched的地址，實際上__mmap_switched是一個arch/arm/kernel/head-common.S中定義的例程。接著來看這個例程的定義，在arch/arm/kernel/head-common.S文件中：

__mmap_switched:

adr r3, __switch_data + 4

ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}

cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed

1: cmpne r5, r6

ldrne fp, [r4], #4

strne fp, [r5], #4

bne 1b

mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)

1: cmp r6, r7

strcc fp, [r6],#4

bcc 1b

ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp}

str r9, [r4] @ Save processor ID

str r1, [r5] @ Save machine type

str r2, [r6] @ Save atags pointer

bic r4, r0, #CR_A @ Clear A bit

stmia r7, {r0, r4} @ Save control register values

b start_kernel

ENDPROC(__mmap_switched)

這個例程完成如下工作：

1、使r3指向__switch_data變量的第二個字段（從1開始計數）。

2、執行了一條加載指令，也就是在r4, r5, r6, r7寄存器中分別加載4個符號__data_loc，_data， __bss_start ，_end的地址，這四個符號都是在鏈接腳本arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中出現的，標識了鏡像各個段的地址，我們應該不難猜出他們所代表的段。

3、如果需要的話則數據段（數據段和BSS段是緊鄰的）。

4、初始化BSS段，全部清零，BSS是未初始化的全局變量區域。
5、又看到一條加載指令，同樣在一組寄存器中加載借個符號的地址，r4中為processor_id，r5中為__machine_arch_type， r6中為__atags_pointer， r7中為cr_alignment ，sp中為init_thread_union + THREAD_START_SP。

6、接著我們看到下面的幾條語句，則是用前面獲取的信息來初始化那些全局變量r9，機器號被保存到processor_id處；r1寄存器的值，機器號,被保存到變量__machine_arch_type中，其他的也一樣。

7、重新設置堆棧指針，指向init_task的堆棧。init_task是系統的第一個任務，init_task的堆棧在taskstructure的后8K,我們后面會看到。
8、最后就要跳到C代碼的 start_kernel。
b start_kernel
到此為止，匯編部分的初始化代碼就結束了

O，My God.初始化代碼的匯編部分終于結束。從而進入了與體系結構無關的Linux內核部分。start_kernel()會調用一系列初始化函數來設置中斷，執行進一步的內存配置。

現在讓我們來回憶一下目前的系統狀態：
臨時頁表已經建立，在0X30004000處，映射了映像文件大小空間，虛地址0XC000000被映射到0X30000000。CACHE,MMU 都已經打開。堆棧用的是任務init_task的堆棧。

如果以為到了c代碼可以松一口氣的話，就大錯特措了，linux的c也不比匯編好懂多少，相反倒掩蓋了匯編的一些和機器相關的部分，有時候更難懂。其實作 為編寫操作系統的c代碼，只不過是匯編的另一種寫法，和機器代碼的聯系是很緊密的。另外，這些start_kernel()中調用的C函數，每一個都具有舉足輕重的地位，它們中的許多都肩負著初始化內核中的某個子系統的重要使命，而Linux內核中每一個子系統都錯綜復雜，牽涉到各種軟件、硬件的復雜算法，所以理解起來倒真的是挺困難的。

start_kernel函數在init/main.c中定義：

528 asmlinkage void __init start_kernel(void)

529 {

530 char * command_line;

531 extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

532

533 smp_setup_processor_id();

534

535 /*

536 * Need to run as early as possible, to initialize the

537 * lockdep hash:

538 */

539 lockdep_init();

540 debug_objects_early_init();

541

542 /*

543 * Set up the the initial canary ASAP:

544 */

545 boot_init_stack_canary();

546

547 cgroup_init_early();

548

549 local_irq_disable();

550 early_boot_irqs_off();

551 early_init_irq_lock_class();

552

553 /*

554 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then

555 * enable them

556 */

557 lock_kernel();

558 tick_init();

559 boot_cpu_init();

560 page_address_init();

561 printk(KERN_NOTICE "%s", linux_banner);

562 setup_arch(&command_line);

563 mm_init_owner(&init_mm, &init_task);

564 setup_command_line(command_line);

565 setup_nr_cpu_ids();

566 setup_per_cpu_areas();

567 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */

568

569 build_all_zonelists();

570 page_alloc_init();

571

572 printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %sn", boot_command_line);

573 parse_early_param();

574 parse_args("Booting kernel", static_command_line,

575 __start___param, __stop___param - __start___param,

576 &unknown_bootoption);

577 /*

578 * These use large bootmem allocations and must precede

579 * kmem_cache_init()

580 */

581 pidhash_init();

582 vfs_caches_init_early();

583 sort_main_extable();

584 trap_init();

585 mm_init();

586 /*

587 * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the

588 * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()

589 * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.

590 */

591 sched_init();

592 /*

593 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely

594 * fragile until we cpu_idle() for the first time.

595 */

596 preempt_disable();

597 if (!irqs_disabled()) {

598 printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were "

599 "enabled *very* early, fixing itn");

600 local_irq_disable();

601 }

602 rcu_init();

603 radix_tree_init();

604 /* init some links before init_ISA_irqs() */

605 early_irq_init();

606 init_IRQ();

607 prio_tree_init();

608 init_timers();

609 hrtimers_init();

610 softirq_init();

611 timekeeping_init();

612 time_init();

613 profile_init();

614 if (!irqs_disabled())

615 printk(KERN_CRIT "start_kernel(): bug: interrupts were "

616 "enabled earlyn");

617 early_boot_irqs_on();

618 local_irq_enable();

619

620 /* Interrupts are enabled now so all GFP allocations are safe. */

621 gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;

622

623 kmem_cache_init_late();

624

625 /*

626 * HACK ALERT! This is early. Were enabling the console before

627 * weve done PCI setups etc, and console_init() must be aware of

628 * this. But we do want output early, in case something goes wrong.

629 */

630 console_init();

631 if (panic_later)

632 panic(panic_later, panic_param);

633

634 lockdep_info();

635

636 /*

637 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants

638 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs

639 * too:

640 */

641 locking_selftest();

642

643 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD

644 if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&

645 page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {

646 printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "

647 "disabling it.n",

648 page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),

649 min_low_pfn);

650 initrd_start = 0;

651 }

652 #endif

653 page_cgroup_init();

654 enable_debug_pagealloc();

655 kmemtrace_init();

656 kmemleak_init();

657 debug_objects_mem_init();

658 idr_init_cache();

659 setup_per_cpu_pageset();

660 numa_policy_init();

661 if (late_time_init)

662 late_time_init();

663 sched_clock_init();

664 calibrate_delay();

665 pidmap_init();

666 anon_vma_init();

667 #ifdef CONFIG_X86

668 if (efi_enabled)

669 efi_enter_virtual_mode();

670 #endif

671 thread_info_cache_init();

672 cred_init();

673 fork_init(totalram_pages);

674 proc_caches_init();

675 buffer_init();

676 key_init();

677 security_init();

678 vfs_caches_init(totalram_pages);

679 signals_init();

680 /* rootfs populating might need page-writeback */

681 page_writeback_init();

682 #ifdef CONFIG_PROC_FS

683 proc_root_init();

684 #endif

685 cgroup_init();

686 cpuset_init();

687 taskstats_init_early();

688 delayacct_init();

689

690 check_bugs();

691

692 acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */

693 sfi_init_late();

694

695 ftrace_init();

696

697 /* Do the rest non-__inited, were now alive */

698 rest_init();

699 }

接著我們來近距離的觀察一下start_kernel函數中調用的這些重量級的函數。

首先來看setup_arch(&command_line)函數，這個函數（對于我們的mini2440平臺來說）在arch/arm/kernel/setup.c中定義：

664 void __init setup_arch(char cmdline_p)

665 {

666 struct tag *tags = (struct tag *)&init_tags;

667 struct machine_desc *mdesc;

668 char *from = default_command_line;

669

670 unwind_init();

671

672 setup_processor();

673 mdesc = setup_machine(machine_arch_type);

674 machine_name = mdesc->name;

675

676 if (mdesc->soft_reboot)

677 reboot_setup("s");

678

679 if (__atags_pointer)

680 tags = phys_to_virt(__atags_pointer);

681 else if (mdesc->boot_params)

682 tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);

683

684 /*

685 * If we have the old style parameters, convert them to

686 * a tag list.

687 */

688 if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)

689 convert_to_tag_list(tags);

690 if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)

691 tags = (struct tag *)&init_tags;

692

693 if (mdesc->fixup)

694 mdesc->fixup(mdesc, tags, &from, &meminfo);

695

696 if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {

697 if (meminfo.nr_banks != 0)

698 squash_mem_tags(tags);

699 save_atags(tags);

700 parse_tags(tags);

701 }

702

703 init_mm.start_code = (unsigned long) _text;

704 init_mm.end_code = (unsigned long) _etext;

705 init_mm.end_data = (unsigned long) _edata;

706 init_mm.brk = (unsigned long) _end;

707

708 /* parse_early_param needs a boot_command_line */

709 strlcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);

710

711 /* populate cmd_line too for later use, preserving boot_command_line */

712 strlcpy(cmd_line, boot_command_line, COMMAND_LINE_SIZE);

713 *cmdline_p = cmd_line;

714

715 parse_early_param();

716

717 paging_init(mdesc);

718 request_standard_resources(&meminfo, mdesc);

719

720 #ifdef CONFIG_SMP

721 smp_init_cpus();

722 #endif

723

724 cpu_init();

725 tcm_init();

726

727 /*

728 * Set up various architecture-specific pointers

729 */

730 init_arch_irq = mdesc->init_irq;

731 system_timer = mdesc->timer;

732 init_machine = mdesc->init_machine;

733

734 #ifdef CONFIG_VT

735 #if defined(CONFIG_VGA_CONSOLE)

736 conswitchp = &vga_con;

737 #elif defined(CONFIG_DUMMY_CONSOLE)

738 conswitchp = &dummy_con;

739 #endif

740 #endif

741 early_trap_init();

742 }

來看一些我們比較感興趣的地方：

1、666行，struct tag指針類型的局部變量指向了默認的tag列表init_tags，該靜態變量在setup_arch()定義同文件的前面有如下定義：

636 /*

637 * This holds our defaults.

638 */

639 static struct init_tags {

640 struct tag_header hdr1;

641 struct tag_core core;

642 struct tag_header hdr2;

643 struct tag_mem32 mem;

644 struct tag_header hdr3;

645 } init_tags __initdata = {

646 { tag_size(tag_core), ATAG_CORE },

647 { 1, PAGE_SIZE, 0xff },

648 { tag_size(tag_mem32), ATAG_MEM },

649 { MEM_SIZE, PHYS_OFFSET },

650 { 0, ATAG_NONE }

651 };

第679行檢察__atags_pointer指針的有效性，這個指針是在前面，跳轉到start_kernel函數的匯編例程最后設置的幾個變量之一，用的是R2寄存器的值。如果bootloader通過R2傳遞了tag列表的話，自然是要使用bootloader穿的進來的tag列表的。

2、第688行的字符指針類型的局部變量from指向了default_command_line靜態變量，這個變量同樣在前面有定義：

124 static char default_command_line[COMMAND_LINE_SIZE] __initdata = CONFIG_CMDLINE;

傳遞給內核的命令行參數，是可以在內核配置的時候設置的。

3、第673行以machine_arch_type為參數調用了setup_machine()函數，而這個函數的定義為：

369 static struct machine_desc * __init setup_machine(unsigned int nr)

370 {

371 struct machine_desc *list;

372

373 /*

374 * locate machine in the list of supported machines.

375 */

376 list = lookup_machine_type(nr);

377 if (!list) {

378 printk("Machine configuration botched (nr %d), "

379 " unable to continue.n", nr);

380 while (1);

381 }

382

383 printk("Machine: %sn", list->name);

384

385 return list;

386 }

在arch/arm/kernel/head-common.S文件中，我們看到了一個對于__lookup_machine_type例程的封裝的可被C語言程序調用的匯編語言編寫的函數lookup_machine_type()，接收機器號，查表，然后返回匹配的struct machine_desc結構體的指針。在這里，對于我們的mini2440，返回的自然是arch/arm/mach-s3c2440/ mach-mini2440.c文件中定義的結構體了：

MACHINE_START(MINI2440, "MINI2440")

/* Maintainer: Michel Pollet */

.phys_io = S3C2410_PA_UART,

.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

.map_io = mini2440_map_io,

.init_machine = mini2440_init,

.init_irq = s3c24xx_init_irq,

.timer = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

然后，machine_desc結構體的name成員的值被賦給全局變量machine_name。

第681行，若bootloader沒有傳遞tag列表給內核，則檢測machine_desc結構體的boot_params字段，看看特定的平臺是否傳遞了標記列表。

第730、731、732行分別將machine_desc結構體的init_irq、timer和init_machine成員值賦給了三個全局變量init_arch_irq、system_timer和init_machine，即是設置特定體系結構的指針。初始化的后面階段自然會用到。

start_kernel()函數調用同文件下的rest_init(void)函數，rest_init(void)函數調用 kernel_thread()函數以啟動第一個核心線程，該線程執行kernel_init()函數，而原執行序列會調用cpu_idle()，等待調度。

作為核心線程的kernel_init()函數繼續完成一些設置，并在最后調用同文件下的init_post()函數，而該函數掛在根文件系統，打開/dev/console設備，重定向stdin、stdout和stderr到控制臺。之后，它搜索文件系統中的init程序（也可以由“init=”命令行參數指定init程序），并使用run_init_process()函數執行init程序。（事實上，run_init_process()函數又調用了kernel_execve()來實際執行程序）。搜索init程序的順序為/sbin/init、/etc/init、/bin/init、和/bin/sh。在嵌入式系統中，多數情況下，可以給內核傳入一個簡單的shell腳本來啟動必需的嵌入式應用程序。

至此，漫長的Linux內核引導和啟動過程就結束了，而kernel_init()對應的由rest_init(void)函數創建的第一個線程也進入用戶模式。

參考文獻：

arm 嵌入式LINUX啟動過程：

http://blog.ednchina.com/yujiebaomei/4153/message.aspx

http://www.cnblogs.com/bluepointcq/articles/490954.html