嵌入式Linux內(nèi)核移植相關(guān)代碼分析

本文通過整理之前研發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目(ARM7TDMI + uCLinux)，分析內(nèi)核啟動(dòng)過程及需要修改的文件，以供內(nèi)核移植者參考。整理過程中也同時(shí)參考了眾多網(wǎng)友的帖子，在此謝過。由于整理過程匆忙，難免錯(cuò)誤及講解的不夠清楚之處，請(qǐng)各位網(wǎng)友指正，這里提前謝過。本文分以下部分進(jìn)行介紹：
1. Bootloader及內(nèi)核解壓
2. 內(nèi)核啟動(dòng)方式介紹
3. 內(nèi)核啟動(dòng)地址的確定
4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S分析
5. start_kernel()函數(shù)分析

1. Bootloader及內(nèi)核解壓
Bootloader將內(nèi)核加載到內(nèi)存中，設(shè)定一些寄存器，然后將控制權(quán)交由內(nèi)核，該過程中，關(guān)閉MMU功能。通常，內(nèi)核都是以壓縮的方式存放，如zImage，這里有兩種解壓方法：
使用內(nèi)核自解壓程序。
arch/arm/boot/compressed/head.S或arch/arm/boot/compressed/head-xxxxx.S
arch/arm/boot/compressed/misc.c
在Bootloader中增加解壓功能。
使用該方法時(shí)內(nèi)核不需要帶有自解壓功能，而使用Bootloader中的解壓程序代替內(nèi)核自解壓程序。其工作過程與內(nèi)核自解壓過程相似：Bootloader把壓縮方式的內(nèi)核解壓到內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核入口處開始執(zhí)行。

2. 幾種內(nèi)核啟動(dòng)方式介紹
XIP (EXECUTE IN PLACE) 是指直接從存放代碼的位置上啟動(dòng)運(yùn)行。
2.1 非壓縮，非XIP
非XIP方式是指在運(yùn)行之前需對(duì)代碼進(jìn)行重定位。該類型的內(nèi)核以非壓縮方式存放在Flash中，啟動(dòng)時(shí)由Bootloader加載到內(nèi)存后運(yùn)行。
2.2 非壓縮，XIP
該類型的內(nèi)核以非壓縮格式存放在ROM/Flash中，不需要加載到內(nèi)存就能運(yùn)行，Bootloader直接跳轉(zhuǎn)到其存放地址執(zhí)行。Data段復(fù)制和BSS段清零的工作由內(nèi)核自己完成。這種啟動(dòng)方式常用于內(nèi)存空間有限的系統(tǒng)中，另外，程序在ROM/Flash中運(yùn)行的速度相對(duì)較慢。
2.3 RAM自解壓
壓縮格式的內(nèi)核由開頭一段自解壓代碼和壓縮內(nèi)核數(shù)據(jù)組成，由于以壓縮格式存放，內(nèi)核只能以非XIP方式運(yùn)行。RAM自解壓過程如下：壓縮內(nèi)核存放于ROM/Flash中，Bootloader啟動(dòng)后加載到內(nèi)存中的臨時(shí)空間，然后跳轉(zhuǎn)到壓縮內(nèi)核入口地址執(zhí)行自解壓代碼，內(nèi)核被解壓到最終的目的地址然后運(yùn)行。壓縮內(nèi)核所占據(jù)的臨時(shí)空間隨后被Linux回收利用。這種方式的內(nèi)核在嵌入式產(chǎn)品中較為常見。
2.4 ROM自解壓
解壓縮代碼也能夠以XIP的方式在ROM/Flash中運(yùn)行。ROM自解壓過程如下：壓縮內(nèi)核存放在ROM/Flash中，不需要加載到內(nèi)存就能運(yùn)行，Bootloader直接跳轉(zhuǎn)到其存放地址執(zhí)行其自解壓代碼，將壓縮內(nèi)核解壓到最終的目的地址并運(yùn)行。ROM自解壓方式存放的內(nèi)核解壓縮速度慢，而且也不能節(jié)省內(nèi)存空間。

3. 內(nèi)核啟動(dòng)地址的確定
內(nèi)核自解壓方式
Head.S/head-XXX.S獲得內(nèi)核解壓后首地址ZREALADDR，然后解壓內(nèi)核，并把解壓后的內(nèi)核放在ZREALADDR的位置上，最后跳轉(zhuǎn)到ZREALADDR地址上，開始真正的內(nèi)核啟動(dòng)。

arch/armnommu/boot/Makefile，定義ZRELADDR和 ZTEXTADDR。ZTEXTADDR是自解壓代碼的起始地址，如果從內(nèi)存啟動(dòng)內(nèi)核，設(shè)置為0即可，如果從Rom/Flash啟動(dòng)，則設(shè)置ZTEXTADDR為相應(yīng)的值。ZRELADDR是內(nèi)核解壓縮后的執(zhí)行地址。
arch/armnommu/boot/compressed/vmlinux.ld,引用LOAD_ADDR和TEXT_START。
arch/armnommu/boot/compressed/Makefile, 通過如下一行：
SEDFLAGS = s/TEXT_START/$(ZTEXTADDR)/;s/LOAD_ADDR/$(ZRELADDR)/;
使得TEXT_START = ZTEXTADDR，LOAD_ADDR = ZRELADDR。

說明：
執(zhí)行完decompress_kernel函數(shù)后,代碼跳回head.S/head-XXX.S中,檢查解壓縮之后的kernel起始地址是否緊挨著kernel image。如果是,beq call_kernel,執(zhí)行解壓后的kernel。如果解壓縮之后的kernel起始地址不是緊挨著kernel image,則執(zhí)行relocate,將其拷貝到緊接著kernel image的地方,然后跳轉(zhuǎn),執(zhí)行解壓后的kernel。

Bootloader解壓方式
Bootloader把解壓后的內(nèi)核放在內(nèi)存的TEXTADDR位置上，然后跳轉(zhuǎn)到TEXTADDR位置上，開始內(nèi)核啟動(dòng)。
arch/armnommu/Makefile，一般設(shè)置TEXTADDR為PAGE_OFF+0x8000，如定義為0x00008000, 0xC0008000等。
arch/armnommu/vmlinux.lds，引用TEXTADDR

4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S
該文件是內(nèi)核最先執(zhí)行的一個(gè)文件，包括內(nèi)核入口ENTRY(stext)到start_kernel間的初始化代碼，主要作用是檢查CPU ID，Architecture Type，初始化BSS等操作，并跳到start_kernel函數(shù)。在執(zhí)行前，處理器應(yīng)滿足以下狀態(tài)：
r0 - should be 0
r1 - unique architecture number
MMU - off
I-cache - on or off
D-cache – off

/* 部分源代碼分析 */
/* 內(nèi)核入口點(diǎn) */
ENTRY(stext)
/* 程序狀態(tài)，禁止FIQ、IRQ，設(shè)定SVC模式 */
mov r0, #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC@ make sure svc mode
/* 置當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 */
msr cpsr_c, r0 @ and all irqs disabled
/* 判斷CPU類型，查找運(yùn)行的CPU ID值與Linux編譯支持的ID值是否支持 */
bl __lookup_processor_type
/* 跳到__error */
teq r10, #0 @ invalid processor?
moveq r0, #'p' @ yes, error 'p'
beq __error
/* 判斷體系類型，查看R1寄存器的Architecture Type值是否支持 */
bl __lookup_architecture_type
/* 不支持，跳到出錯(cuò) */
teq r7, #0 @ invalid architecture?
moveq r0, #'a' @ yes, error 'a'
beq __error
/* 創(chuàng)建核心頁表 */
bl __create_page_tables
adr lr, __ret @ return address
add pc, r10, #12 @ initialise processor
/* 跳轉(zhuǎn)到start_kernel函數(shù) */
b start_kernel

__lookup_processor_type這個(gè)函數(shù)根據(jù)芯片的ID從proc.info獲取proc_info_list結(jié)構(gòu)，proc_info_list結(jié)構(gòu)定義在include/asm-armnommu/proginfo.h中，該結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)定義在arch/armnommu/mm/proc-arm*.S文件中，ARM7TDMI系列芯片的proc_info_list數(shù)據(jù)定義在arch/armnommu/mm/proc-arm6,7.S文件中。函數(shù)__lookup_architecture_type從arch.info獲取machine_desc結(jié)構(gòu)，machine_desc結(jié)構(gòu)定義在include/asm-armnommu/mach/arch.h中，針對(duì)不同arch的數(shù)據(jù)定義在arch/armnommu/mach-*/arch.c文件中。