[经验]

Linux内核在ARM处理器上是如何加载的

2022-6-13 16:41:04

932 LINUX内核 ARM处理器 MMU

Linux内核加载过程
通常，Linux内核都是经过gzip加载过之后的映像文件。
bootloader复制压缩内核到内存空间。
内核自解压。
运行内核。
编译完成的Linux内核存放在哪里？
./vmlinux elf格式未压缩内核。
arch/arm/boot/compressed/vmlinux 压缩以后的elf格式内核。
arch/arm/boot/zImage 压缩内核。

压缩内核（zImage）的入口
/arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds 该文件为编译器指定link顺序。
ENTRY(_start) 压缩内核从.start段开始执行。
在/arch/arm/boot/compressed/head.S中执行以下爱操作：
（1）检测系统空间。
（2）初始化C代码空间。
（3）跳转到C代码decompress_kernel，
arch/arm/boot/compressed/misc.c中。

解压之前的串口输出
include/asm-arm/arch-s3c2410/uncompress.h 中定义了puts作为串口输出函数。
解压结束之后，程序跳转到r5：解压之后内核的起始地址。

开始真正的Linux内核
1、入口在arch/arm/kernel/head-armv.S
2、查找处理器类型
__lookup_processor_type
__lookup_architecture_type
3、初始化页表：__creat_page_tables
4、初始化C代码空间
5、跳转到C代码中，start_kernel

ARM的MMU单元
MMU：内存管理单元
作用：
虚拟地址到物理地址的映射
存储器访问权限
控制Cache

通过MMU的访存
MMU会先查找TLB中的虚拟地址表
如果TLB中没有虚拟地址的入口，硬件从主存储器中的转换表中获取转换与访问权限。

ARM的MMU访存原理

ARM的MMU页表格式
MMU支持基于节或者页的存储器访问。
节：1MB的存储器块
大页：64KB的存储器块
小页：4KB的存储器块
微页：1KB的存储器块

页表的级别
存在主存储器内的转换页表有两个级别：
第一级表：存储节转换表与指向第二级表的指针
第二级表：
（1）存储大页和小页的转换表。
（2）存储微页的转换表。

一级页表的地址
第一级表占用空间16KB，必须16KB对齐

第一级描述符
一级表每个入口描述了它所关联的1MB虚拟地址是如何映射的。

节描述符
Bits[1:0] 描述符类型（10b 表示节描述符）
Bits[3:2] 高速缓存（cache）和缓冲位（buffer）
Bits[4] 由具体实现定义
Bits[8:5] 控制的节的16 种域之一
Bits[9] 现在没有使用，应该为零
Bits[11:10] 访问控制（AP）
Bits[19:12] 现在没有使用，应该为零
Bits[31:20] 节基址，形成物理地址的高12 位

节的转换过程

临时内核页表的创建 __create_page_tables
__create_page_tables:
pgtbl r4 @ page table address 0x30008000-0x4000
mov r0, r4 @r0=0x30004000
mov r3, #0
add r2, r0, #0x4000
1: str r3, [r0], #4
str r3, [r0], #4
str r3, [r0], #4
str r3, [r0], #4
teq r0, r2
bne 1b

把一级页表0x30004000-0xa0080000清空
krnladr r2, r4 @ start of kernel
r4=0xa0004000，r2 = 内核起始地址所在1MB对齐空间，0x30000000
add r3, r8, r2 @ flags + kernel base
r8 为从处理器信息中得到的MMU 页表标志，r8=0xc0e, r3=0x30000c0e
str r3, [r4, r2, lsr #18]@ identity mapping
地址:0x300068000, value:0x30000c0e
add r0, r4, #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18
@ start of kernel
bic r2, r3, #0x00f00000
str r2, [r0] @ PAGE_OFFSET + 0MB
add r0, r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18
str r3, [r0], #4 @ KERNEL + 0MB
......

映射表内容

映射结果

进入C代码
init/main.c中的start_kernel函数，进入到了Linux内核代码中。
printk函数
重新初始化页表
初始化中断，trap_init
设置系统定时器、控制台…
创建内核进程init

原作者：嵌入式基地