linux 重定位arm,Arm linxu启动过程分析（一）

浅浅的花香味﹌ 2023-01-21 16:16 228阅读 0赞

本文着重分析 FS2410 平台 linux-2.6.14 内核启动的详细过程，主要包括： zImage 解压缩阶段、 vmlinux 启动汇编阶段、 startkernel 到创建第一个进程阶段三个部分，一般将其称为 linux 内核启动一、二、三阶段，本文也将采用这种表达方式。对于 zImage 之前的启动过程，本文不做表述，可参考作者 “ u-boot-1.3.1 启动过程分析”一文。

\-------------------------------------------------------------------------------------------------------

硬件平台：优龙 FS2410 开发板

CPU: S3C2410(Arm920T)；  NOR Flash: SST39VF1601(2MB)；

SDRAM: K4S561632D-TC/L75 (32M)x2)；Nand Flash: K9K2G08U0M-YCB0(64MB)；

Net card: CS8900A)。

软件平台：u-boot-1.3.1、linux-2.6.14

\-------------------------------------------------------------------------------------------------------

本文中涉及到的术语约定如下：

基本内核映像：即内核编译过程中最终在内核源代码根目录下生成的 vmlinux 映像文件，并不包含任何内核解压缩和重定位代码；

zImage 内核映像：包含了内核及压缩和重定位代码，以及基本内核映像 vmlinux 的压缩挡 piggy.gz 的一个映像文件，通常是目标板 bootloader 加载的对象；

zImage 下载地址：即 bootloader 将 zImage 下载到目标板内存的某个地址或者 nand read 将 zImage 读到内存的某个地址；

zImage 加载地址：由 Linux 的 bootloader 完成的将 zImage 搬移到目标板内存的某个位置所对应的地址值，默认值 0x30008000 。

关于内何映像的生成过程可以参考前一篇"Arm linux内核映像生成过程"

1．

Linux 内核启动第一阶段：内核解压缩和重定位

该阶段是从 u-boot 引导进入内核执行的第一阶段，我们知道 u-boot 引导内核启动的最后一步是：通过一个函数指针 thekernel ()带三个参数跳转到内核( zImage )入口点开始执行，此时， u-boot 的任务已经完成，控制权完全交给内核( zImage )。

稍作解释，在 u-boot 的文件 lib\_arm/armlinux.c(u-boot-1.3.1) 或者 lib\_arm/bootm.c (u-boot-1.3.4) 中定义了 thekernel, 并在 do\_bootm\_linux 的最后执行 thekernel, 如下：

void (\*theKernel)(int zero, int arch, uint params);

theKernel = (void (\*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih\_ep);

//hdr->ih\_ep----Entry Point Address uImage 中指定的内核入口点，这里是 0x30008000 。

theKernel (0, bd->bi\_arch\_number, bd->bi\_boot\_params); 其中第二个参数为机器 ID, 第三参数为 u-boot 传递给内核参数存放在内存中的首地址，此处是 0x30000100 。

由上述 zImage 的生成过程我们可以知道，第一阶段运行的内核映像实际就是 arch/arm/boot/compressed/vmlinux ，而这一阶段所涉及的文件也只有三个：

arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds

arch/arm/boot/compressed/head.S

arch/arm/boot/compressed/misc.c

![uid-30617037-id-5567816.html][]

我们的分析集中在 arch/arm/boot/compressed/head.S, 适当参考 vmlinux.lds 。

从 arch/arm/boot/compressed/vmlinux 的反汇编代码可一看出，内核执行的第一个代码段位 start,

\*\*\*\*\*start

vmlinux:     file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 :

0: e1a00000       nop                (mov r0,r0)

….          ….           …..

1c: e1a00000       nop                (mov r0,r0)

20: ea000002       b     30

….          ….           …..

\*\*\*\*\* 保存参数

30: e1a07001      mov r7, r1

u-boot 向内传递参数分析

// 由thekernel 传递的三个参数分别保存在r0,r1,r2 中。

// 将机器ID 保存在r7 中

34: e3a08000       mov r8, \#0      ; 0x0

// 保存 r0 ，这里似乎没有太大的意义，

这里没有保存 r2 ，也就是 u-boot 传递给内核参数的首地址 0x30000100 ，看来 linux-2.6.14 启动时是不需要传递该参数的而是通过 struct machine\_desc ( include/asm-arm/mach/arch.h )来确定，但是这个文件只是该结构的定义，真正的参数赋值在哪呢？实际上，这就是在内核移植是需要做的工作了，内核移植最主要的一个文件就是 arch/arm/mach-s3c2410/mach-fs2410.c ，通过下面的宏来实现对 machine\_desc 结构体的赋值，并且在该文件中对所涉及到的函数进行了具体的代码实现，这是内核移植方面的内容，与我们的主题无关，这里不再多说。

MACHINE\_START(SMDK2410, "SMDK2410")

/\* @TODO: request a new identifier and switch to SMDK2410 \*/

.phys\_ram     = S3C2410\_SDRAM\_PA,

.phys\_io  = S3C2410\_PA\_UART,

.io\_pg\_offst   = (((u32)S3C24XX\_VA\_UART) >> 18) & 0xfffc,

.boot\_params = S3C2410\_SDRAM\_PA + 0x100,

// 指定 u-boot 传递给内核的参数存放的位置

.map\_io         = smdk2410\_map\_io,

.init\_irq  = smdk2410\_init\_irq,

.init\_machine   = sdmk2410\_init,

.timer            = &s3c24xx\_timer,

MACHINE\_END

下面我们采用汇编代码来进行分析： arch/arm/boot/compressed/head.S

.align

start:     //u-boot first jump to this execute

.type       start,\#function

.rept 8

mov r0, r0

.endr

b     1f

.word      0x016f2818           @ Magic numbers to help the loader

.word      start               @ absolute load/run zImage address

.word      \_edata                   @ zImage end address

1:            mov r7, r1                    @ save architecture ID

mov r8, \#0                    @ save r0

\*\*\*\*\* 判定是否是超级用户模式

mrs  r2, cpsr          @ get current mode

tst    r2, \#3          @ not user?   // 判断当前是否为超级用户权限模式

bne  not\_angel    // 如果是超级用户权限模式， jump to not\_angel

mov r0, \#0x17              @ angel\_SWIreason\_EnterSVC   如果是普通用户模式，则通过软中断进入超级用户权限模式

swi  0x123456              @ angel\_SWI\_ARM

\*\*\*\*\* 关中断

not\_angel:

mrs  r2, cpsr          @ turn off interrupts to   // 关中断

orr   r2, r2, \#0xc0         @ prevent angel from running

msr  cpsr\_c, r2

\*\*\*\*\* 将编译时指定的一些变量加载到相应的寄存器中

/\* some architecture specific code can be inserted by the linker here, but it should preserve r7 and r8.    zImage 的连接首地址为 0x0  zImage 的运行时首地址一般为 0x30008000 ，当然可以不同   \*/

.text

adr   r0, LC0  // 读取 LC0 的当前运行时地址，应当为 zImage 的运行时起始地址 +(LC0 到 zImage 链接地址的首地址 (0x0) 的偏移 )

ldmia r0, \{r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp\}// 将 LC0 中的变量值加载到 r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp

subs r0, r0, r1        @ calculate the delta offset // 计算当前运行地址与链接地址的偏移

beq   not\_relocated  @ if delta is zero, we are running at the address we were linked at.

// 如果运行地址等于链接地址，则跳过重定位部分代码，否则继续执行 relocate

/\*                 .type    LC0, \#object

LC0: .word    LC0                @ r1

.word    \_\_bss\_start        @ r2

.word    \_end               @ r3

.word    zreladdr          @ r4

.word    \_start             @ r5

.word    \_got\_start         @ r6

.word    \_got\_end           @ ip

.word    user\_stack+4096    @ sp

LC1: .word    reloc\_end - reloc\_start

.size    LC0, . - LC0       \*/

/\* We're running at a different address.  We need to fix up various pointers:

\*   r5 - zImage base address

\*   r6 - GOT start

\*   ip - GOT end

GOT (global offset table )

GOT 是一个数组，存在ELF image 的数据段中，他们是一些指向objects 的指针( 通常

是数据objects). 动态连接器将重新修改那些编译时还没有确定下来地址的符号的

GOT 入口。所以说GOT 在i386 动态连接中扮演着重要的角色。\*/

\*\*\*\*\* 将上面的变量进行重定位，转换为当前的运行时地址

add  r5, r5, r0   //zImage 的链接时首地址重定位为运行时首地址

add  r6, r6, r0   //GOT 的链接时首地址重定位为运行时首地址

add  ip, ip, r0

\#ifndef CONFIG\_ZBOOT\_ROM

/\* If we're running fully PIC === CONFIG\_ZBOOT\_ROM = n,

\* we need to fix up pointers into the BSS region.

\*   r2 - BSS start

\*   r3 - BSS end

\*   sp - stack pointer  \*/

add  r2, r2, r0   //\_\_bss\_start 的链接时首地址重定位为运行时首地址

add  r3, r3, r0   //\_end 的链接时地址重定位为运行时地址

add  sp, sp, r0 //user\_stack+4096 的链接时地址重定位为运行时地址

/\* Relocate all entries in the GOT table.

重定位 GOT 中的所有链接地址为当前运行时地址 \*/

1:      ldr   r1, \[r6, \#0\]            @ relocate entries in the GOT

add  r1, r1, r0        @ table.  This fixes up the

str   r1, \[r6\], \#4            @ C references.

cmp r6, ip

blo   1b

\#else

/\* Relocate entries in the GOT table.  We only relocate

\* the entries that are outside the (relocated) BSS region.

重定位 GOT 中的所有链接地址为当前运行时地址但是不重定位

BSS\_START 到 BSS\_END 部分   \*/

1:      ldr   r1, \[r6, \#0\]            @ relocate entries in the GOT

cmp r1, r2                    @ entry < bss\_start ||

cmphs     r3, r1                    @ \_end < entry

addlo       r1, r1, r0        @ table.  This fixes up the

str   r1, \[r6\], \#4            @ C references.

cmp r6, ip

blo   1b

\#endif

\*\*\*\*\* 重定位已经完成，清零 BSS 段

not\_relocated:  mov r0, \#0

1:             str   r0, \[r2\], \#4            @ clear bss

str   r0, \[r2\], \#4

cmp r2, r3

blo   1b

\*\*\*\*\* 准备进入 C 程序的相关设置，开启 cache, 设置一些指针

/\* The C runtime environment should now be setup sufficiently. Turn the cache on, set up some pointers, and start decompressing. \*/

cache on 是一个相当复杂的过程，这里简单描述其流程，如有兴趣可参考“ Arm linux 启动第一阶段 cache on 分析”

bl      cache\_on ------- 〉 call\_cache\_fn---- --- 〉

通过查表 proc\_types 调用 \_\_armv4\_cache\_on

\--------------------------- 〉 \_\_setup\_mmu

\_\_setup\_mmu:   sub  r3, r4, \#16384       //4k ,r3=0x30004000

@ Page directory size  //16384=16kB=0x4000

bic   r3, r3, \#0xff          @ Align the pointer

bic   r3, r3, \#0x3f00

/\* Initialise the page tables, turning on the cacheable and bufferable bits for the RAM area only.   \*/

mov r0, r3

mov r8, r0, lsr \#18  r8=0x30004000>>18=0xc00

mov r8, r8, lsl \#18        @ start of RAM,

//r8=0xc00<<18=0x30000000

add  r9, r8, \#0x10000000@ a reasonable RAM size

//r9=0x40000000

mov r1, \#0x12

orr  r1, r1, \#3 << 10 //r1=0xc00|0x12=0xc12

add  r2, r3, \#16384  //r2=0x30004000+0x4000=0x30008000

1:         cmp r1, r8                    @ if virt > start of RAM

orrhs      r1, r1, \#0x0c         @ set cacheable, bufferable

cmp r1, r9                    @ if virt > end of RAM

bichs      r1, r1, \#0x0c         @ clear cacheable, bufferable

str   r1, \[r0\], \#4            @ 1:1 mappi

![uid-30617037-id-5567816.html][]

//r0=0x300040000 ,r1=0xc12

//0x12 表明这是一个段描述符即 bit4 和 bit1 为 1 。

//0xc00 即 bit11 和 bit10 为 11 ，即 AP=11, 允许所有读写访问

add  r1, r1, \#1048576 //1048576=0x100000

teq  r0, r2

bne  1b

// 上面代码段实现 0x00000000 ~0x40000000 ( 1GB )地址空间也表的创建，映射的目的地址也是 0x00000000~0x40000000, 所以没有实际意义，也许是为了打开 cache 以及设置访问属性。

mov  r0, \#0

mcr  p15, 0, r0, c7, c10, 4     @ drain write buffer 清零

mcr  p15, 0, r0, c8, c7, 0             @ flush I,D TLBs   清零

mrc  p15, 0, r0, c1, c0, 0             @ read control reg   清零

orr    r0, r0, \#0x5000             @ I-cache enable, RR cache replacement

orr    r0, r0, \#0x0030

bl  \_\_common\_cache\_on------->

\_\_common\_cache\_on:

\#ifndef DEBUG

orr   r0, r0, \#0x000d             @ Write buffer, mmu

\#endif

mov r1, \#-1

mcr p15, 0, r3, c2, c0, 0      @ load page table pointer

// 将页表基址写入页表基址寄存器 cp15 c2

mcr p15, 0, r1, c3, c0, 0

// 设置域访问控制寄存器，写入 0xffffffff , 与控制位为 11 ，也就是允许权限检查，可以访问。

mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0      @ load control register

mov pc, lr

mov  r0, \#0

mcr  p15, 0, r0, c8, c7, 0      @ flush I,D TLBs

mov  pc, r12

返回， cache on 结束。

// 这里的 r1,r2 之间的空间为解压缩内核程序所使用，也是传递给 decompress\_kernel 的第二和第三的参数

mov r1, sp                    @ malloc space above stack  // 将 SP 的运行时地址存入 r0

add  r2, sp, \#0x10000    @ 64k max  //r2=sp+0x10000

\*\*\*\*\* 解压缩内核 , 分三种情况，请看下篇...

[uid-30617037-id-5567816.html]: http://blog.chinaunix.net/uid-30617037-id-5567816.html

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