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ucLinux内核移植相关代码分析 本文通过整理之前研发的一个项目(ARM7TDMI + uCLinux)，分析内核启动过程及需要修改的文件，以供内核移植者参考。整理过程中也同时参考了众多网友的帖子，在此谢过。由于整理过程匆忙，难免错误及讲解的不够清楚之处，请各位网友指正，这里提前谢过。本文分以下部分进行介绍：1. Bootloader及内核解压 2. 内核启动方式介绍 3. 内核启动地址的确定 4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S分析 5. start_kernel()函数分析 1. Bootloader及内核解压 Bootloader将内核加载到内存中，设定一些寄存器，然后将控制权交由内核，该过程中，关闭MMU功能。通常，内核都是以压缩的方式存放，如zImage，这里有两种解压方法：使用内核自解压程序。arch/arm/boot/compressed/head.S或arch/arm/boot/compressed/head-xxxxx.Sarch/arm/boot/compressed/misc.c在Bootloader中增加解压功能。使用该方法时内核不需要带有自解压功能，而使用Bootloader中的解压程序代替内核自解压程序。其工作过程与内核自解压过程相似：Bootloader把压缩方式的内核解压到内存中，然后跳转到内核入口处开始执行。2. 几种内核启动方式介绍XIP (EXECUTE IN PLACE) 是指直接从存放代码的位置上启动运行。2.1 非压缩，非XIP非XIP方式是指在运行之前需对代码进行重定位。该类型的内核以非压缩方式存放在Flash中，启动时由Bootloader加载到内存后运行。2.2 非压缩，XIP该类型的内核以非压缩格式存放在ROM/Flash中，不需要加载到内存就能运行，Bootloader直接跳转到其存放地址执行。Data段复制和BSS 段清零的工作由内核自己完成。这种启动方式常用于内存空间有限的系统中，另外，程序在ROM/Flash中运行的速度相对较慢。2.3 RAM自解压压缩格式的内核由开头一段自解压代码和压缩内核数据组成，由于以压缩格式存放，内核只能以非XIP方式运行。RAM自解压过程如下：压缩内核存放于 ROM/Flash中，Bootloader启动后加载到内存中的临时空间，然后跳转到压缩内核入口地址执行自解压代码，内核被解压到最终的目的地址然后运行。压缩内核所占据的临时空间随后被Linux回收利用。这种方式的内核在嵌入式产品中较为常见。2.4 ROM自解压解压缩代码也能够以XIP的方式在ROM/Flash中运行。ROM自解压过程如下：压缩内核存放在ROM/Flash中，不需要加载到内存就能运行， Bootloader直接跳转到其存放地址执行其自解压代码，将压缩内核解压到最终的目的地址并运行。ROM自解压方式存放的内核解压缩速度慢，而且也不能节省内存空间。3. 内核启动地址的确定内核自解压方式Head.S/head-XXX.S获得内核解压后首地址ZREALADDR，然后解压内核，并把解压后的内核放在ZREALADDR的位置上，最后跳转到ZREALADDR地址上，开始真正的内核启动。arch/armnommu/boot/Makefile，定义ZRELADDR和 ZTEXTADDR。ZTEXTADDR是自解压代码的起始地址，如果从内存启动内核，设置为0即可，如果从Rom/Flash启动，则设置 ZTEXTADDR为相应的值。ZRELADDR是内核解压缩后的执行地址。arch/armnommu/boot/compressed/vmlinux.ld,引用LOAD_ADDR和TEXT_START。arch/armnommu/boot/compressed/Makefile, 通过如下一行：SEDFLAGS = s/TEXT_START/$(ZTEXTADDR)/;s/LOAD_ADDR/$(ZRELADDR)/;使得TEXT_START = ZTEXTADDR，LOAD_ADDR = ZRELADDR。说明：执行完decompress_kernel函数后,代码跳回head.S/head-XXX.S中,检查解压缩之后的kernel起始地址是否紧挨着 kernel image。如果是,beq call_kernel,执行解压后的kernel。如果解压缩之后的kernel起始地址不是紧挨着kernel image,则执行relocate,将其拷贝到紧接着kernel image的地方,然后跳转,执行解压后的kernel。Bootloader解压方式Bootloader把解压后的内核放在内存的TEXTADDR位置上，然后跳转到TEXTADDR位置上，开始内核启动。arch/armnommu/Makefile，一般设置TEXTADDR为PAGE_OFF+0x8000，如定义为0x00008000, 0xC0008000等。arch/armnommu/vmlinux.lds，引用TEXTADDR4. arch/armnommu/kernel/head-armv.S该文件是内核最先执行的一个文件，包括内核入口ENTRY(stext)到start_kernel间的初始化代码，主要作用是检查CPU ID，Architecture Type，初始化BSS等操作，并跳到start_kernel函数。在执行前，处理器应满足以下状态：r0 - should be 0r1 - unique architecture numberMMU - offI-cache - on or offD-cache off/* 部分源代码分析 */* 内核入口点 */ENTRY(stext)/* 程序状态，禁止FIQ、IRQ，设定SVC模式 */mov r0, #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC make sure svc mode/* 置当前程序状态寄存器 */msr cpsr_c, r0 and all irqs disabled/* 判断CPU类型，查找运行的CPU ID值与Linux编译支持的ID值是否支持 */bl _lookup_processor_type/* 跳到_error */teq r10, #0 invalid processor?moveq r0, #p yes, error pbeq _error/* 判断体系类型，查看R1寄存器的Architecture Type值是否支持 */bl _lookup_architecture_type/* 不支持，跳到出错 */teq r7, #0 invalid architecture?moveq r0, #a yes, error abeq _error/* 创建核心页表 */bl _create_page_tablesadr lr, _ret return addressadd pc, r10, #12 initialise processor/* 跳转到start_kernel函数 */b start_kernel_lookup_processor_type 这个函数根据芯片的ID从获取proc_info_list结构，proc_info_list结构定义在include/asm- armnommu/proginfo.h中，该结构的数据定义在arch/armnommu/mm/proc-arm*.S文件中，ARM7TDMI系列芯片的proc_info_list数据定义在arch/armnommu/mm/proc-arm6,7.S文件中。函数 _lookup_architecture_type从获取machine_desc结构，machine_desc结构定义在 include/asm-armnommu/mach/arch.h中，针对不同arch的数据定义在arch/armnommu/mach- */arch.c文件中。在这里如果知道processor_type和architecture_type,可以直接对相应寄存器进行赋值。5. start_kernel()函数分析下面对start_kernel()函数及其相关函数进行分析。5.1 lock_kernel()/* Getting the big kernel lock.* This cannot happen asynchronously,* so we only need to worry about other* CPUs.*/extern _inline_ void lock_kernel(void)if (!+current-lock_depth)spin_lock(&kernel_flag);kernel_flag 是一个内核大自旋锁，所有进程都通过这个大锁来实现向内核态的迁移。只有获得这个大自旋锁的处理器可以进入内核，如中断处理程序等。在任何一对 lock_kernelunlock_kernel函数里至多可以有一个程序占用CPU。进程的lock_depth成员初始化为-1，在kerenl/fork.c文件中设置。在它小于0时（恒为 -1），进程不拥有内核锁；当大于或等于0时，进程得到内核锁。5.2 setup_arch()setup_arch()函数做体系相关的初始化工作，函数的定义在arch/armnommu/kernel/setup.c文件中，主要涉及下列主要函数及代码。5.2.1 setup_processor()该函数主要通过for (list = &_proc_info_begin; list cpu_mask) = list-cpu_val)break;这样一个循环来在.段中寻找匹配的processor_id，processor_id在head_armv.S文件中设置。5.2.2 setup_architecture(machine_arch_type)该函数获得体系结构的信息，返回mach-xxx/arch.c 文件中定义的machine结构体的指针，包含以下内容：MACHINE_START (xxx, “xxx”)MAINTAINER (xxx)BOOT_MEM (xxx, xxx, xxx)FIXUP (xxx)MAPIO (xxx)INITIRQ (xxx)MACHINE_END5.2.3内存设置代码if (meminfo.nr_banks = 0)meminfo.nr_banks = 1;meminfo.bank0.start = PHYS_OFFSET;meminfo.bank0.size = MEM_SIZE;meminfo 结构表明内存情况，是对物理内存结构meminfo的默认初始化。 nr_banks指定内存块的数量，bank指定每块内存的范围，PHYS _OFFSET指定某块内存块的开始地址，MEM_SIZE指定某块内存块长度。PHYS _OFFSET和MEM_SIZE都定义在include/asm-armnommu/arch-XXX/memory.h文件中，其中PHYS _OFFSET是内存的开始地址，MEM_SIZE就是内存的结束地址。这个结构在接下来内存的初始化代码中起重要作用。5.2.4 内核内存空间管理init_mm.start_code = (unsigned long) &_text; 内核代码段开始init_mm.end_code = (unsigned long) &_etext; 内核代码段结束init_mm.end_data = (unsigned long) &_edata; 内核数据段开始init_mm.brk = (unsigned long) &_end; 内核数据段结束每一个任务都有一个mm_struct结构管理其内存空间，init_mm 是内核的mm_struct。其中设置成员变量* mmap指向自己， 意味着内核只有一个内存管理结构，设置 pgd=swapper_pg_dir，swapper_pg_dir是内核的页目录，ARM体系结构的内核页目录大小定义为16k。init_mm定义了整个内核的内存空间，内核线程属于内核代码，同样使用内核空间，其访问内存空间的权限与内核一样。5.2.5 内存结构初始化bootmem_init (&meminfo)函数根据meminfo进行内存结构初始化。bootm