嵌入式Linux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.S
arch/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TEXTADDR

4. 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 0
r1 - unique architecture number
MMU - off
I-cache - on or off
D-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 'p'
beq __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 'a'
beq __error
/* 创建核心页表 */
bl __create_page_tables
adr lr, __ret @ return address
add 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proc.info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arch.info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。