uclinux内核移植相关代码分析.txt

本文通过整理之前研发的一个项目(ARM7TDMI + uCLinux)

unsigned long physical;
unsigned long length;
int domain:4, // 页表的domain
prot_read:1, // 读保护标志
prot_write:1, // 写保护标志
cacheable:1, // 是否使用cache
bufferable:1, // 是否使用write buffer
last:1; //空
};init_maps /* map_desc是区段及其属性的定义 */

下面代码对meminfo的区段进行遍历，在嵌入式系统中列举所有可映射的内存，例如32M SDRAM, 4M FLASH等，用meminfo记录这些内存区段。同时填写init_maps 中的各项内容。meminfo结构如下：
struct meminfo {
int nr_banks;
unsigned long end;
struct {
unsigned long start;
unsigned long size;
int node;
} bank[NR_BANKS];
};
/********************************************************/

for (i = 0; i < mi->nr_banks; i++)
{
if (mi->bank.size == 0)
continue;

p->physical = mi->bank.start;
p->virtual = __phys_to_virt(p->physical);
p->length = mi->bank.size;
p->domain = DOMAIN_KERNEL;
p->prot_read = 0;
p->prot_write = 1;
p->cacheable = 1; //使用Cache
p->bufferable = 1; //使用write buffer
p ++; //下一个区段
}

/* 如果系统存在FLASH,执行以下代码 */
#ifdef FLUSH_BASE
p->physical = FLUSH_BASE_PHYS;
p->virtual = FLUSH_BASE;
p->length = PGDIR_SIZE;
p->domain = DOMAIN_KERNEL;
p->prot_read = 1;
p->prot_write = 0;
p->cacheable = 1;
p->bufferable = 1;

p ++;
#endif

/***********************************************************/
接下来的代码是逐个区段建立页表
/***********************************************************/
q = init_maps;
do {
if (address < q->virtual || q == p) {

/*******************************************************************************/
由于内核空间是从某个地址开始，如0xC0000000，所以0xC000 0000 以前的页表项全部清空
clear_mapping在mm-armv.c中定义，其中clear_mapping()是个宏，根据处理器的不同，可以被展开为如下代码
cpu_XXX_set_pmd(((pmd_t *)(((&init_mm )->pgd+ (( virt) >> 20 )))),((pmd_t){( 0 )}));
其中init_mm为内核的mm_struct，pgd指向 swapper_pg_dir，在arch/arm/kernel/init_task.c中定义。cpu_XXX_set_pmd定义在 proc_armXXX.S文件中，参见ENTRY(cpu_XXX_set_pmd) 处代码。
/*********************************************************************************/
clear_mapping(address);

/* 每个表项增加1M */
address += PGDIR_SIZE;
} else {

/* 构建内存页表 */
create_mapping(q);

address = q->virtual + q->length;
address = (address + PGDIR_SIZE - 1) & PGDIR_MASK;

q ++;
}
} while (address != 0);

/ * create_mapping函数也在mm-armv.c中定义 */
static void __init create_mapping(struct map_desc *md)
{
unsigned long virt, length;
int prot_sect, prot_pte;
long off;

/*******************************************************************************/
大部分应用中均采用1级section模式的地址映射，一个section的大小为1M，也就是说从逻辑地址到物理地址的转变是这样的一个过程：
一个32位的地址，高12位决定了该地址在页表中的index，这个index的内容决定了该逻辑section对应的物理section；低20位决定了该地址在section中的偏移（index）。例如：从0x0～0xFFFFFFFF的地址空间总共可以分成0x1000（4K）个 section（每个section大小为1M），页表中每项的大小为32个bit，因此页表的大小为0x4000（16K）。

每个页表项的内容如下:
bit: 31 20 19 12 11 10 9 8 5 4 3 2 1 0
content: Section对应的物理地址 NULL AP 0 Domain 1 C B 1 0
最低两位（10）是section分页的标识。
AP：Access Permission，区分只读、读写、SVC＆其它模式。
Domain：每个section都属于某个Domain，每个Domain的属性由寄存器控制。一般都只要包含两个Domain，一个可访问地址空间； 另一个不可访问地址空间。
C、B：这两位决定了该section的cache＆write buffer属性，这与该段的用途(RO or RW)有密切关系。不同的用途要做不同的设置。

C B 具体含义
0 0 无cache，无写缓冲，任何对memory的读写都反映到总线上。对 memory 的操作过程中CPU需要等待。
0 1 无cache，有写缓冲，读操作直接反映到总线上。写操作CPU将数据写入到写缓冲后继续运行，由写缓冲进行写回操作。
1 0 有cache，写通模式，读操作首先考虑cache hit；写操作时直接将数据写入写缓冲，如果同时出现cache hit，那么也更新cache。
1 1 有cache，写回模式，读操作首先考虑cache hit；写操作也首先考虑cache hit。

由于ARM中section表项的权限位和page表项的位置不同， 以下代码根据struct map_desc 中的保护标志，分别计算页表项中的AP, Domain和CB标志位。
/*******************************************************************************/

prot_pte = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY |
(md->prot_read ? L_PTE_USER : 0) |
(md->prot_write ? L_PTE_WRITE : 0) |
(md->cacheable ? L_PTE_CACHEABLE : 0) |
(md->bufferable ? L_PTE_BUFFERABLE : 0);

prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_DOMAIN(md->domain) |
(md->prot_read ? PMD_SECT_AP_READ : 0) |
(md->prot_write ? PMD_SECT_AP_WRITE : 0) |
(md->cacheable ? PMD_SECT_CACHEABLE : 0) |
(md->bufferable ? PMD_SECT_BUFFERABLE : 0);

/********************************************************************/
设置虚拟地址，偏移地址和内存length
/********************************************************************/
virt = md->virtual;
off = md->physical - virt;
length = md->length;


/********************************************************************/
建立虚拟地址到物理地址的映射
/********************************************************************/
while ((virt & 0xfffff || (virt + off) & 0xfffff) && length >= PAGE_SIZE) {
alloc_init_page(virt, virt + off, md->domain, prot_pte);

virt += PAGE_SIZE;
length -= PAGE_SIZE;
}

while (length >= PGDIR_SIZE) {
alloc_init_section(virt, virt + off, prot_sect);

virt += PGDIR_SIZE;
length -= PGDIR_SIZE;
}

while (length >= PAGE_SIZE) {
alloc_init_page(virt, virt + off, md->domain, prot_pte);

virt += PAGE_SIZE;
length -= PAGE_SIZE;
}
/*************************************************************************/
create_mapping的作用是设置虚地址virt 到物理地址virt + off_set的映射页目录和页表。
/*************************************************************************/

/* 映射中断向量表区域 */
init_maps->physical = virt_to_phys(init_maps);
init_maps->virtual = vectors_base();
init_maps->length = PAGE_SIZE;
init_maps->domain = DOMAIN_USER;
init_maps->prot_read = 0;
init_maps->prot_write = 0;
init_maps->cacheable = 1;
init_maps->bufferable = 0;

create_mapping(init_maps);

中断向量表的虚地址init_maps，是用alloc_bootmem_low_pages分配的，通常是在PAGE_OFF+0x8000前面的某一页， vectors_base()是个宏，ARM规定中断向量表的地址只能是0或0xFFFF0000，所以上述代码映射一页到0或0xFFFF0000，中断处理程序中的部分代码也被拷贝到这一页中。

5.3 parse_options()
分析由内核引导程序发送给内核的启动选项，在初始化过程中按照某些选项运行，并将剩余部分传送给init进程。这些选项可能已经存储在配置文件中，也可能是由用户在系统启动时敲入的。但内核并不关心这些，这些细节都是内核引导程序关注的内容，嵌入式系统更是如此。

5.4 trap_init()
这个函数用来做体系相关的中断处理的初始化，在该函数中调用__trap_init((void *)vectors_base())函数将exception vector设置到vectors_base开始的地址上。__trap_init函数位于entry-armv.S文件中，对于ARM处理器，共有复位、未定义指令、SWI、预取终止、数据终止、IRQ和FIQ几种方式。SWI主要用来实现系统调用，而产生了IRQ之后，通过exception vector进入中断处理过程，执行do_IRQ函数。
armnommu的trap_init（）函数在 arch/armnommu/kernel/traps.c文件中。vectors_base是写中断向量的开始地址，在include/asm- armnommu/proc-armv/system.h文件中设置，地址为0或0XFFFF0000。

ENTRY(__trap_init)
stmfd sp!, {r4 - r6, lr}

mrs r1, cpsr @ code from 2.0.38
bic r1, r1, #MODE_MASK @ clear mode bits /* 设置svc模式，disable IRQ,FIQ */
orr r1, r1, #I_BIT|F_BIT|MODE_SVC @ set SVC mode, disable IRQ,FIQ
msr cpsr, r1

adr r1, .LCvectors @ set up the vectors
ldmia r1, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, lr}
stmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, lr} /* 拷贝异常向量 */