trace linux kernel source - ARM - 03

gogojesse

到目前為止，我們已經進展到kernel幫自己relocate完，並解將自己解壓縮到一個地方要準備開始執行，那疑問來了？到底是跳到哪裡去了，因為./compressed/head.S最後一行居然是
『mov pc, r4』
* |- O+ e3 l& l$ q0 k% L- \* mr4只代表了解壓縮完後kernel的位址，那究竟整包kernel編譯的時候，哪個function哪個東西被放在最前面咧？！

所以我們又必須開始找於kernel link的時候是怎麼被安排的，有了前面的基礎，我們可以從Makefile知道程式碼如何被編譯。至於link上的細節，例如有那些section和section先後順序等等，可以從 lds 檔來規範。

6 |) L) o, D' ?: c0 }& B1 u, l+ O有興趣的人可以看一下 kernel source 根目錄裡頭的 Makefile，Makefile file裡面指定了使用vmlinux.lds來當做lds檔。

1. 659 vmlinux-lds  := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds

複製代碼

打開./arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S (會用來產生vmlinux.lds)
7 I* H0 b, Y+ ]我們可以發現第一個section是『.text.head』，裡頭的_stext從目前的位置開始放。
5 b* t, A8 e) Q2 x於是我們曉得只要找到屬於.text.head這個section，並且是_stext這個symbol的程式碼，就是解壓縮完後的第一行程式碼。

1.      26     .text.head : {
   # V4 ?9 ]2 t/ D: ]- p' D
2.      27         _stext = .;
   8 U  f3 m# S9 T& e8 v3 _) e$ m
3.      28         _sinittext = .;
   
4.      29         *(.text.head)
   
5.      30     }

複製代碼

用指令搜尋一下，發現 ./arch/arm/kernel/head.S 裡頭有關鍵字（如下），結果我們從./arch/arm/boot/compressed/head.S跳到了./arch/arm/kernel/head.S 。

1.      77     .section ".text.head", "ax"
   9 n+ g9 E& t, b3 W6 J
2.      78     .type   stext, %function
   ' [' Q! s8 W4 w
3.      79 ENTRY(stext)
   
4.      80     msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
   , A* u# m& M, T$ W7 U
5.      81                         @ and irqs disabled
   
6.      82     mrc p15, 0, r9, c0, c0      @ get processor id
   8 Y. C' h9 m$ g3 J
7.      83     bl  __lookup_processor_type     @ r5=procinfo r9=cpuid
   6 a; p9 P9 N& o) S/ Z" O7 w4 W/ `
8.      84     movs    r10, r5             @ invalid processor (r5=0)?
   
9.      85     beq __error_p           @ yes, error 'p'
   4 P! R* ^: s8 C) E1 j' I
10.      86     bl  __lookup_machine_type       @ r5=machinfo
    9 b% [7 _; I# m& d5 k0 K- r4 j5 z  ~
11.      87     movs    r8, r5              @ invalid machine (r5=0)?
    
12.      88     beq __error_a           @ yes, error 'a'
    
13.      89     bl  __vet_atags
    
14.      90     bl  __create_page_tables

複製代碼

既然找到了檔案，我們又可以開始繼續。
7 v% w9 Z9 j8 ?0 _. e$ A( d0 `: k- H
2 H2 C) X, q# m* w6 s看了一下，程式碼多了很多bl的跳躍動作，看來會在各個function跳來跳去。

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1. 39 __mmap_switched:
   - ?" K3 W' m3 o$ E0 R& i$ K
2. 40         adr     r3, __switch_data + 4
   $ e. D5 H8 A7 S7 O8 o" u- |8 _
3. 41
   . j2 a- ^- H5 |  [' B0 K
4. 42         ldmia   r3!, {r4, r5, r6, r7}
   , n8 @. D+ h1 B- O, R9 o
5. 43         cmp     r4, r5                          @ Copy data segment if needed
   
6. 44 1:      cmpne   r5, r6
   0 k4 d# `6 z' q. @8 T& \# p- W: t# s
7. 45         ldrne   fp, [r4], #4
   
8. 46         strne   fp, [r5], #4
   
9. 47         bne     1b
   ( T8 l: Y8 A) Q6 Q0 y
10. 48
    6 J* Y5 E/ d0 U
11. 49         mov     fp, #0                          @ Clear BSS (and zero fp)
    
12. 50 1:      cmp     r6, r7
    
13. 51         strcc   fp, [r6],#4
    ! X* H7 m" L: _  F! f
14. 52         bcc     1b
    ' k  l2 W( X/ p$ ]
15. 53
    3 X' z3 q$ @+ A2 e1 O; |( j
16. 54         ldmia   r3, {r4, r5, r6, r7, sp}
    1 G  E3 n+ p& \2 _0 r& h
17. 55         str     r9, [r4]                        @ Save processor ID
    8 {- c  z. r. B7 \9 P
18. 56         str     r1, [r5]                        @ Save machine type
    
19. 57         str     r2, [r6]                        @ Save atags pointer
    
20. 58         bic     r4, r0, #CR_A                   @ Clear 'A' bit
    
21. 59         stmia   r7, {r0, r4}                    @ Save control register values
    
22. 60         b       start_kernel
    " E6 @8 E# T) s, `; i
23. 61 ENDPROC(__mmap_switched)

複製代碼

switch_data的第一行就是 __mmap_switched，所以我們直接看line 39。
' o# ~4 K; x% N& T+ i: Qline 39，將__data_loc的addr放到r3
8 Q- i6 l1 i1 G# R& uline 42,從r3的位址，連續讀取四筆資料到r4, r5, r6, r7
, X* S/ Q9 }7 z3 J5 \5 K) zline 43~47，看看data segment是不是需要搬動。
) f7 a4 Y; a8 T2 k$ M5 c0 X$ Z/ jline 49~52, clear BSS。

由於linux kernel在進入start_kernel前有一些前提必須要滿足：
5 c( Q" }8 l3 [5 W, d8 xr0  = cp#15 control register
! w" V: z- A/ c, B3 _  Gr1  = machine ID
r2  = atags pointer
$ S0 J4 w7 u6 jr9  = processor ID
/ m4 r& l2 h# O4 {
4 p3 u/ l. ~  d4 E8 Z% ~+ g所以line 54~59就是在做這些準備。
2 F4 O9 \' y( W% n& w最後呢? 我們就跳到start_kernel了。(而且還是用b start_kernel，表示我們不會再回來了)

看一下start_kernel()在./init/main.c，終於跳出architecture specific的目錄，表示
) E/ _# z) D; e4 t2 r9 s7 e: H- r& E我們真正的開始linux kernel的初始化。
像是 shedule init, console init, memory init, irq init等等都在start_kernel裡頭。
到這邊之後，應該就可以深入linux kernel中，各項比較跟hardware不那麼相關的軟體部分。

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1. 155 __enable_mmu:
   " S5 Y. w7 `4 m4 y8 V9 b
2. 170         mov     r5, #(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER) | \
   
3. 171                       domain_val(DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER) | \
   9 v/ C+ X0 v3 X2 G- _3 ~! K
4. 172                       domain_val(DOMAIN_TABLE, DOMAIN_MANAGER) | \
   
5. 173                       domain_val(DOMAIN_IO, DOMAIN_CLIENT))
   
6. 174         mcr     p15, 0, r5, c3, c0, 0           @ load domain access register
   * r  b0 R$ b( p6 m2 g* p' {
7. 175         mcr     p15, 0, r4, c2, c0, 0           @ load page table pointer
   
8. 176         b       __turn_mmu_on
   . x, a* `5 J6 z& D8 |+ j
9. 177 ENDPROC(__enable_mmu)

複製代碼

line 170~174，設置好domain access。(domain access可以先當成設置access的權限，或許以後可以寫詳細的文章說明)
line 175~176，將create好的page table開頭丟給mmu。跳到turn_mmu_on

1. 191 __turn_mmu_on:
   
2. 192         mov     r0, r0
   
3. 193         mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0           @ write control reg
   ( j6 r$ ~* E. R+ S
4. 194         mrc     p15, 0, r3, c0, c0, 0           @ read id reg
   6 S9 V! {9 u3 y" Y/ g
5. 195         mov     r3, r3
   2 s, B, ]( M6 Z: M) n2 e& m
6. 196         mov     r3, r3
   ) i* u+ [7 G9 m+ y
7. 197         mov     pc, r13
   
8. 198 ENDPROC(__turn_mmu_on)

複製代碼

顧名思義就是把mmu打開，將我們準備好的r0設定交給mmu，並讀取id到r3，接著pc跳到r13，r13剛剛在head.S已經先擺好__switch_data。所以會跳到head-common.S。

1. 18 __switch_data:
   
2. 19         .long   __mmap_switched
   + \( f; c1 p( M0 i7 x& S
3. 20         .long   __data_loc                      @ r4
   
4. 21         .long   _data                           @ r5
   ( p( w: O! k4 Z: U' y' W( o
5. 22         .long   __bss_start                     @ r6
   . b& P" n9 m& x. K
6. 23         .long   _end                            @ r7
   
7. 24         .long   processor_id                    @ r4
   * s: y2 H9 a  ]4 Z! R* N
8. 25         .long   __machine_arch_type             @ r5
   & d7 I* B; s" i9 A7 z8 H. O
9. 26         .long   __atags_pointer                 @ r6
   & f0 S4 Q/ C. ^- h9 w0 y
10. 27         .long   cr_alignment                    @ r7
    2 P$ ^3 e! R( m
11. 28         .long   init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp
    
12. 29
    

複製代碼

switch_data的第一行就是 __mmap_switched，所以我們直接看line 39。

gogojesse

隔了很長一段時間沒update
' C' v' G. E5 W6 Y( L, r之前程式碼走到 ./arch/arm/kernel/head.S 的 line 99 附近

1.      99         ldr     r13, __switch_data              @ address to jump to after
   
2.     100                                                 @ mmu has been enabled
   
3.     101         adr     lr, __enable_mmu                @ return (PIC) address
   , W8 k+ C/ F, u
4.     102         add     pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

複製代碼

line 99, 將__switch_data放到r13。(留作之後用)
line 101, 將__enable_mmu的addr放到lr。(留作之後用)
% J& g- p" D+ D7 {! Vline 102, 將 r10+#PROCINFO_INITFUNC 放到pc，也就是jump過去的意思。r10是proc_info的位址。PROCINFO_INITFUNC則是用之前提過的技巧，指向定義在./arch/arm/mm/proc-xxx.S的資料結構，以arm926為例，最後會指到

1. 463         b       __arm926_setup

複製代碼

所以程式碼就跳到了 __arm926_setup。

1. 373         .type   __arm926_setup, #function
   
2. 374 __arm926_setup:
   
3. 375         mov     r0, #0
   * m& S, h4 R; b8 _
4. 376         mcr     p15, 0, r0, c7, c7              @ invalidate I,D caches on v4
   
5. 377         mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4          @ drain write buffer on v4
   ' U  X2 `' i9 m( D
6. 378 #ifdef CONFIG_MMU
   
7. 379         mcr     p15, 0, r0, c8, c7              @ invalidate I,D TLBs on v4
   3 X5 V) F/ _7 E( N! w- K
8. 380 #endif
   
9. 
   ; c$ q8 u7 g2 o( |" B
10. 388         adr     r5, arm926_crval
      e( M8 H, s9 R) t
11. 389         ldmia   r5, {r5, r6}
    
12. 390         mrc     p15, 0, r0, c1, c0              @ get control register v4
    
13. 391         bic     r0, r0, r5
    
14. 392         orr     r0, r0, r6
    
15. 
      ^; S9 G8 }5 S1 o
16. 396         mov     pc, lr
    
17. 397         .size   __arm926_setup, . - __arm926_setup

複製代碼

這邊的程式碼就跟CPU有很大的相依性，
line 375~380, 主要就是invalidate CPU的I&D cache和清空write buffer。
line 388~392, 把cp15的設定讀出來，並且將一些預設狀態做好運算放到r0。(預設值從arm926_crval這邊可以取得。)
5 z1 r+ s0 b0 `5 Z; p  |line 396, 直接把pc跳到lr，因為我們之前已經將lr = enable_mmu，所以直接跳過去。

gogojesse

老店重新開張~

# D% W- L0 a9 h* X. [5 s1 o花了一些時間把舊的貼文整理到一個blog
有把一些敘述修改過
  _' _& I  v% [# s, l希望會比較容易集中閱讀
" o3 n2 F: }9 ]4 o: D# G目前因為某些敘述不容易
還是比較偏向筆記式而且用字不夠精確
希望之後能夠慢慢有系統地整理
8 y/ d1 D% N0 H3 K+ X# E9 l大家有興趣的話
! p- ~' ^( r6 y2 D可以來看看和討論
http://gogojesseco.blogspot.com/
2 ~- m2 P5 g3 _! D6 K9 {& m7 W" D
以後可能會採取  先在chip123貼新文章
慢慢整理到blog上的方式
9 U% Z3 B4 H+ ~3 P) z6 j! X, B2 w- R因為chip123比較方便討論 =)
4 A7 r/ U$ S) j+ b$ a1 kblog編輯修改起來比較方便
$ z; W% E( V3 q7 Z5 |閱讀也比較集中   大家可以在這邊看到討論
; a5 p# x! b3 @0 \' d% p* I然後在blog看到完整的文章 (類似BBS精華區的感覺)

gogojesse

自create page table返回後，我們偷偷看一下接下來的程式碼，
/ H8 R+ K3 P$ x3 i0 a' ]# Tline 99, 將switch_data擺到r13
line 101, 將enable_mmu擺到lr
line 102, 將pc改跳到r10+PROCINFO_INITFUNC的地方去

) y, @" O& c% t: }+ L/ a其實這邊有點玄機，switch_data和enable_mmu都是function，結果位址都只是被存起來，並沒有直接跳過去執行。其實，雖然程式碼是順序switch_data->enable_mmu->proc init function，但其實執行的順序會是 procinfo 的init function-> enable_mmu -> switch_data 。至於，為什麼要這樣寫的原因？就不清楚了，也還沒仔細推敲過。
& ?, D' [& S1 U: _6 f. z1 n
( q: t  r- J9 H3 mswitch_data最後就會跳到大家都很熟悉的start_kernel(). 詳細要賣個關子，最近會忙一下，得要過一陣子才能貼文∼  

1.      99         ldr     r13, __switch_data              @ address to jump to after
   ; y) g* X1 G0 X4 [: i8 q  J
2.     100                                                 @ mmu has been enabled
   - U! I' j" h4 S9 n# w1 B3 q
3.     101         adr     lr, __enable_mmu                @ return (PIC) address
   - q& q$ E+ n, q8 `# L
4.     102         add     pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

複製代碼

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line279，PAGE_OFFSET是規範RAM mapping完後的virtual address，我們將這個位址所屬的pte算出來放到r0。
line 280~283,將要 map 的physical address的方式算出來放到r6。
4 Z. w/ B9 J% v# z, r" ~$ d, W$ r7 Lline 284，最後將結果存到r0所指到的pte。
7 \3 U: w7 @+ a1 r! Y
以上三個動作，就是做好 ram 起頭的位址一開始map，還沒做完整塊map。由於我們目前的設定方式每塊是1MB，所以這邊是將RAM開始的1MB做map。

line 327,返回，結束一開始的create page table的動作，我們可以看出其實並沒有做完整的初始化page table，所以之後應該會有其他page table的細節。

1.     279         add     r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18
   4 M$ t/ r+ b) }
2.     280         orr     r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)
   
3.     281         .if     (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)
   0 E1 v  P+ i7 K  B' t
4.     282         orr     r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000)
   
5.     283         .endif
   3 y/ R* W: _4 Y. _) y  r, c
6.     284         str     r6, [r0]
   
7.     327         mov     pc, lr

複製代碼

附帶一提，我們這邊省略了一些用ifdef包起來的程式碼，像是一開始會印一些output message的程式碼（line286~326）。

gogojesse

最近又被釘上了，開始忙碌，大概沒太多時間貼文∼

# p" |$ O9 T0 o4 e8 a上篇已經將pc所屬的page table entry(pte)設定好，接著繼續看
/ z; z: @; ~2 a" M) N' oline 247, 248, 將KERNEL_START的位址往右shift 18算出pte的offset，(等於line239&241，239&241是先shift right 20然後shift left 2)，並將剛剛r3的值設給pte。『!』的意思是會把address存到r0。

5 I( O5 k! b6 H3 |7 c. L& U7 r; Uline 249~252, 算出KERNEL_END-1的pte位址放到r6, KERNEL_START的下一個pte的位址放到r0。r0 <= r6的話就持續對pte寫入初值的動作。但是這邊的r3有加上（0x1<<20），所以原本的section base會變成加1，目前不是很明瞭為什麼要加1，或許往後面會找到答案。

1.     247         add     r0, r4,  #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18
   
2.     248         str     r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]!
   ) n  O& `" Z# P  h; {
3.     249         ldr     r6, =(KERNEL_END - 1)
   
4.     250         add     r0, r0, #4
   / x3 D' ~: {7 @/ `+ }
5.     251         add     r6, r4, r6, lsr #18
   ! U8 h7 T) t' U! ]6 ]. h% P0 `
6.     252 1:      cmp     r0, r6
   
7.     253         add     r3, r3, #1 << 20
   
8.     254         strls   r3, [r0], #4
   
9.     255         bls     1b

複製代碼

gogojesse

問題怎麼填值？？
: a$ m* H4 T) |5 @* s* l" N拿出ARM的手冊，翻到MMU章節。一看發現page有很多種，還得分first level和second level。

- R' s, b) [4 B/ n8 _. U念書時的印象，是從1st level在去查2nd level，先看怎麼設定1st level （不知以前老師有沒有亂教）
; J1 X: l3 \2 s. V0 X+ Y8 Y% ~; H' o1. [31:20]存著section base addr
' L+ ~8 F* F: T$ h# O2. [19:2]存著mmu flags
3. [1:0]用來辨別這是存放哪種page, 有四種:
   a. fault (00) b. coarse page (01) c. section (1st level) (10) d. fine page (11)
+ O7 Z' ]) ?  ~: d; y8 _  M6 Q4. pg tabel資料要存放到 [31:14] = translation base, [13:2] = table index , [1:0] = 0b00 的位址

來看code是怎麼設定。
% E: ^2 T. G: w1 U8 \; \( y
line 239, 將pc的值往右shift 20次放到r6.這是取得前20高位元的資料，有點像是 1.。
$ ]  P. _6 F/ v1 {* L0 a% N: fline 240, 將r6往左shift 20次之後，和r7做or的動作，剛好也是 2.提到的mmu flags和1.處理好的資料做整理。
* _: \/ j, d8 G# Z所以前面兩個做完，就完成了bit[31:2]。
line 241， 將r3的資料寫到r4+(r6<<0x2)的地方去，剛好是4.提到的位址。（lucky）

1.     239         mov     r6, pc, lsr #20
   4 n/ M" r, v* A7 m
2.     240         orr     r3, r7, r6, lsl #20
   % o. j# i3 q4 n. w6 m2 M
3.     241         str     r3, [r4, r6, lsl #2]

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p.s. 用pc值剛好可以算出當前的page。

gogojesse

得到pg table的開始位置之後，當然就是初始化囉。
' N' d, t, A% Y: p4 \0 i9 gline 221, 將pg table的base addr放到r0.
6 o( ?  A" t" Y$ cline 223, 將pg table的end addr放到r6.
line 224~228, 反覆地將0x0寫到pg table的區段裡頭，每個loop寫16bytes. (4x4)，直到碰到end，結果就是把它全部clear成0x0.

1.     221         mov     r0, r4
   
2.     222         mov     r3, #0
   8 p) I8 \$ w; S* l1 |3 P& y4 c
3.     223         add     r6, r0, #0x4000
   # F5 O/ w+ z# c8 w  Q5 E8 r4 R( Z; q
4.     224 1:      str     r3, [r0], #4
   0 C2 t* q9 p  H; v. o8 {' j
5.     225         str     r3, [r0], #4
   1 Z0 P  O$ h4 w# H3 W
6.     226         str     r3, [r0], #4
   
7.     227         str     r3, [r0], #4
   1 [# F0 m' i7 V! T1 a
8.     228         teq     r0, r6
   6 o- i0 M3 K; `: y& a! v6 |! I
9.     229         bne     1b

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line 231, 將位址等於 r10+PROCINFO_MM_MMUFLAGS 裡頭的值放到r7。r10是proc_info的位址。proc的info data structure被定義在『./include/asm-arm/procinfo.h』，offset取得的方式用compiler的功能，以便以後新增structure的欄位的時候不需要更動程式碼。這邊的動作合起來就是讀預設要設給mmu flags的值。

1.    231         ldr     r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags

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gogojesse

現在，讓我們跳入create_page_tables吧∼
line 216，會跳到pgtbl的macro去執行，其實只是載入一個位址。

只是這個位址因為你硬體規劃dram位置不同，所以必須可以變動。一般會定義在./include/asm-arm/arch-你的平台/memory.h，我們看得出來dram開始的地方是從0x8000 offset（text_offset)開始算，猜測可能一開始有保留空間給kernel使用。實際算page table的時候有減去0x4000，表示是從DRAM+0x8000-0x4000開始放pg table.

1. /* arch/arm/Makefile */
   
2.      95 textofs-y       := 0x00008000
   
3.     152 TEXT_OFFSET := $(textofs-y)

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1. /* include/asm-arm/arch-omap/memory.h */
   
2.      40 #define PHYS_OFFSET             UL(0x10000000)
   3 p$ i  x: [; V& [& R( d" E1 T
3. 
   
4.      /* arch/arm/kernel/head.S */
   
5.      29 #define KERNEL_RAM_VADDR        (PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET)
   
6.      30 #define KERNEL_RAM_PADDR        (PHYS_OFFSET + TEXT_OFFSET)
   : C; G* g& {0 O# u6 Q& K+ }
7. 
   4 m7 `+ ~4 M2 h2 W  p7 i- d
8.      47         .macro  pgtbl, rd
   
9.      48         ldr     \rd, =(KERNEL_RAM_PADDR - 0x4000)
   : `. m& D2 s: M  |& y
10.      49         .endm
    4 r0 ^( K2 N  p. S5 Z5 ~5 V4 y7 a, }4 P
11. 
    9 L" b6 W* ~9 O; J) f. X
12.     216         pgtbl   r4                              @ page table address

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gogojesse

由於字數限制挑整，用詞儘量精簡，以便可以貼必要source。另外，以後寫到一段落，考慮收集成一篇完整的文章，這樣應就不會因為用回覆的方式，造成閱讀斷斷續續的問題。希望有人對文章呈現方式有想法的話，可以跟我講。

gogojesse

這時，寫driver的人就必須要小心，設定給硬體看的位址必須要先轉成pa（像是設定DMA)，給CPU執行的程式碼要使用va，這對一開始嘗試寫driver但是又不瞭解va pa之間的差別的人，常常產生很多疑問。

現在我們回頭想想OS，既然我們跑到create page table，可以預期的是他想要將MMU打開，因此希望預先建立起一個page table，讓MMU知道目前os想規劃的位址對應和讀取權力是如何被安排的。所以os必須考慮到現在的系統究竟是長怎樣？應該要如何被安排？是不是有那些要被保護？好吧∼因為我們完全對os不了解，也不知道該安排什麼，只能祈禱在trace code完後，可以找到這些問題的答案，或者發現一些沒想到的問題。
8 C0 L5 t- M* k9 R, [. `# G6 D
知道了page table的大致上的功能，下篇就可以專心的研究這個table的長相，和它想規劃出的系統模樣。
3 I7 A3 R: L4 d: E. b% k& Z* Q
p.s. 字數限制好像變短了。   （看來很難寫）

gogojesse

page table本身是很抽象的東西，尤其是對所謂的 user-mode application programmer 來說，大部分的狀況它是不需要被考慮到的部份，但是他的產生卻對os和driver帶來了很多影響。我們從一個小小的疑問出發。

『產生page table到底是要給誰用的？』
+ W3 n( s8 H% w( ^
其實真正作用在它上面的H/W是MMU，一旦CPU啟用了MMU，當cpu嘗試去記憶體讀取一個operand的時候，cpu內部打出去的位址訊號都會先送到mmu，mmu會拿著這個位址去對照page table，看看這個位址是不是被轉換到另外一個位置（還會確認讀寫權力），最後才會到真正的位址去讀寫。

6 i- F5 \* X* [這樣來看CPU其實一開始打出去的位址訊號其實不是最後可以拿到資料的位址，我們稱為virtual address(va)，mmu打出來的位址才能真正拿到資料，所以我們把mmu打出去的位址稱為physical address(pa)。那用來查詢這個位址對照關係的表格，就是page table。
  X& n5 |: }6 Q- G2 }& P, a
5 Z$ T- _9 s$ Z$ g到這邊我們有一個簡單的概念。來想像一個小問題，一個普通的周邊（例如你的顯示卡），因為他並不具有MMU功能，hw只看得懂pa，但是CPU卻是作用在va，假如我想去對hw的控制暫存器做讀寫，到底要用va還是pa?

gogojesse

由於code看起來似乎越來越難解釋，會需要在檔案之間跳來跳去。建議一些基礎的東西可以再多複習幾次（其實是在說我自己 ），閱讀source code上收穫會比較多。例如：

1. arm instruction set - 這個最好每個指令的意思都大略看過一次，行有餘力多看幾個版本，armv4, v5 or v6。
2. compiler & assembler & linker - toolchain工具做的事情和功能，大致的流程和功能要有概念。
; I% Q, ^3 h+ z' T% g3. Makefile & link script - 這兩個功能和撰寫的方式要有簡單的概念。
/ U! h6 e* [6 u8 h4 o. @
) |2 B3 ], J# q. l: b( Q以上1是非常重要的重點，2&3只要有大致上的概念就可以，因為trace code的時候，有時需要跳到Makeflie&Link script去看最後object code編排的位址。
" [. e4 W2 v( H7 W- K
由於我們trace到了page table這個關鍵字，在開始之前，稍微簡短的解釋，為了幫助了解，儘量用易懂的概念講，有些用詞可能會和一些真實狀況不同，但是懂了之後，應該會有能力分辨，至於正式而學術上解說，很多書上應該都有，或是google一下就很多啦∼

gogojesse

接著我們又返回到head.S，
- W  j* t- R) b% S/ cline 87~88也是做check動作。
9 g* k, M* m4 l9 P( w- ~! tline 89跳到vet_atags。在head-common.S

1.      87         movs    r8, r5                          @ invalid machine (r5=0)?
   
2.      88         beq     __error_a                       @ yes, error 'a'
   6 T4 S! a+ W3 V* b# e
3.      89         bl      __vet_atags
   
4.      90         bl      __create_page_tables

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line 245, tst會去做and動作。並且update flags。這邊的用意是判斷位址是不是aligned。
" |, e( y! `; A/ Yline 246, 沒有aligned跳到label 1，就返回了。
line 248~250, 讀取atags所在的address裡頭的值到r5，看看是否不等於ATAG_CORE_SIZE，不等於的話也是返回。
line 251~254, 判斷一下第一個達到的atag pointer是不是等於ATAG_CORE。如果正確的話，等一下要讀取atag的資料，才會正確。
" Y& D4 D5 f3 d2 j3 [（atag是由bootloader帶給linux kernel的東西，用來告知booting所需要知道的參數。例如螢幕寬度，記憶體大小等等）

1.      14 #define ATAG_CORE 0x54410001
   0 A% _, J0 H- H8 X6 ~1 |1 Z
2.      15 #define ATAG_CORE_SIZE ((2*4 + 3*4) >> 2)
   - w: O8 o6 |: m8 d/ S$ I
3. 
   / P( {" y1 \; W5 Y4 _: e& D- ?
4.     243         .type   __vet_atags, %function
   
5.     244 __vet_atags:
   
6.     245         tst     r2, #0x3                        @ aligned?
   
7.     246         bne     1f
   : _- Q! v# r: C+ a5 {& Z' w
8.     247
   # C7 d2 }- C/ U; s
9.     248         ldr     r5, [r2, #0]                    @ is first tag ATAG_CORE?
   $ O# s% b8 W1 O4 M* R1 x
10.     249         subs    r5, r5, #ATAG_CORE_SIZE
    
11.     250         bne     1f
    " H$ P( q1 P5 }/ C/ ~
12.     251         ldr     r5, [r2, #4]
    
13.     252         ldr     r6, =ATAG_CORE
    $ k* o6 H! o  v. r, f5 }
14.     253         cmp     r5, r6
    ' [' S% t& g4 `
15.     254         bne     1f
    5 R7 K$ v8 D; P
16.     255
    
17.     256         mov     pc, lr                          @ atag pointer is ok
    
18.     257
    2 f8 P( b* o) N0 s8 ]
19.     258 1:      mov     r2, #0
    6 e6 E" a/ L$ z4 N
20.     259         mov     pc, lr

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接著我們又跳回去head.S。  
( U/ ^+ u1 S9 z, R, jline 90，又跳到 __create_page_tables。   (很累人....應該會死不少腦細胞）
哇！page table?!!如雷貫耳的東西，不知道會怎麼做。剛剛偷看了一下，＠＠還蠻長了，先到這邊好了，下次在繼續寫。

gogojesse

我們從 head-common.S返回之後，接著繼續看。
" @& y2 e& d7 v: c- K  C0 U2 f
line 84, movs的意思是說，做mov的動作，並且將指令的S bit設起來，最後的結果也會update CPSR。這個指令執行的過程當中，會根據你要搬動的值去把N and Z flag設好。這個是有助於下個指令做check的動作。
/ t! B8 j' u: I& gline 85, 就是r5 = 0的話，就跳到__error_p去執行。
line 86, 跳到__lookup_machine_type。原理跟剛剛找proc的資料一樣。

1.      83         bl      __lookup_processor_type         @ r5=procinfo r9=cpuid
   ' r- M: k; [0 j9 O  ^
2.      84         movs    r10, r5                         @ invalid processor (r5=0)?
   1 }6 v6 x1 z" p5 n6 n
3.      85         beq     __error_p                       @ yes, error 'p'
   
4.      86         bl      __lookup_machine_type           @ r5=machinfo

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看得出來跟proc很像，有個兩個小地方是

7 b9 T' t% E& L2 ~- {1. line 207,用ldmia不是用ldmda。原因就在於存放arch 和 proc info 的位址剛好相反。一個在lable3的上面。一個在的下方。設計上應該是可以做修改的。
" _. ^5 ^$ Y  a& |% o. w- c, h
2. arch定義的方式是透過macro，可以先看 ./include/asm-arm/mach/arch.h。裡頭有個 MACHINE_START ，這邊會設好macro，到時候直接使用就可以把arch的info宣告好。 例如 ./arch/arm/mach-omap1/board-generic.c

1. /* macro */
     R) V# g4 I' h8 Q2 ~7 V
2.      50 #define MACHINE_START(_type,_name)                      \
   
3.      51 static const struct machine_desc __mach_desc_##_type    \
   7 B# u  p/ y# ]. \
4.      52  __used                                                 \
   ( b' A+ ^. Z8 L7 a) K
5.      53  __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {    \
   
6.      54         .nr             = MACH_TYPE_##_type,            \
   ; r4 }& ?. |* x0 `6 _
7.      55         .name           = _name,
   
8.      56
   : d8 Z7 B/ \. Z7 F7 W5 W
9.      57 #define MACHINE_END                             \
   9 O4 `8 D5 l  `$ v8 {# I
10.      58 };
    
11.      /* 用法 */
    
12.      93 MACHINE_START(OMAP_GENERIC, "Generic OMAP1510/1610/1710")
    
13.      94         /* Maintainer: Tony Lindgren <tony@atomide.com> */
    
14.      95         .phys_io        = 0xfff00000,
    ) d' q* s0 S3 F4 H; i3 K5 @
15.      96         .io_pg_offst    = ((0xfef00000) >> 18) & 0xfffc,
    $ k9 i+ U3 \( Y6 y2 P7 x
16.      97         .boot_params    = 0x10000100,
      H; f8 g- `+ O
17.      98         .map_io         = omap_generic_map_io,
    
18.      99         .init_irq       = omap_generic_init_irq,
    
19.     100         .init_machine   = omap_generic_init,
    
20.     101         .timer          = &omap_timer,
    ! E" b8 W% m- R3 G8 x" c$ u7 h
21.     102 MACHINE_END
    
22. 
    
23.     /* func */
    ) \1 a- Q/ q4 @2 W" V( U, T
24.     204         .type   __lookup_machine_type, %function
    $ T$ X; ]  m; l% A7 r
25.     205 __lookup_machine_type:
    & `8 w1 N- [; B
26.     206         adr     r3, 3b
    & M* E! ?+ N3 w1 I8 g
27.     207         ldmia   r3, {r4, r5, r6}
    . d" @+ s; b; t" X
28.     208         sub     r3, r3, r4                      @ get offset between virt&phys
    
29.     209         add     r5, r5, r3                      @ convert virt addresses to
    
30.     210         add     r6, r6, r3                      @ physical address space
    
31.     211 1:      ldr     r3, [r5, #MACHINFO_TYPE]        @ get machine type
    # R9 `0 g. G! _' D4 L
32.     212         teq     r3, r1                          @ matches loader number?
    
33.     213         beq     2f                              @ found
    1 o* a) A6 X1 L5 O
34.     214         add     r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC    @ next machine_desc
    " v$ g! m7 Q( K5 j9 ]8 c) C) F! q. c
35.     215         cmp     r5, r6
    
36.     216         blo     1b
    4 L1 I( i. }* q" @
37.     217         mov     r5, #0                          @ unknown machine
    
38.     218 2:      mov     pc, lr

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gogojesse

既然跳到真正的kernel開始跑，表示進入重頭戲，在進入kernel之前arm的平台有一些預設的狀況，也就是說arm kernel image會預設目前的cpu和系統的狀況是在某個狀態，這樣對一個剛要跑起來的OS比較決定目前要怎麼boot起來。
* E! F% I, {& j" v3 |- \9 g
可以看一下comment，有清楚的描述。這也幫助我們了解為什麼decompresser的程式跑完之後，還要把cache關掉。

1.      59 /*
   + c* j% p( H" \2 l
2.      60  * Kernel startup entry point.
   
3.      61  * ---------------------------
   
4.      62  *
   
5.      63  * This is normally called from the decompressor code.  The requirements
   " x; _& P0 z0 `
6.      64  * are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
   ; i: [/ t8 x  w. e4 R- v, D: U
7.      65  * r1 = machine nr, r2 = atags pointer.

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基於以上的假設，當program counter指到kernel的程式的時候，就會從line 80開始跑。
line 80, msr指令會把, operand的值搬到cpsr_c裡面。這是用來確保arm cpu目前是跑在svc mode, irq&fiq都disable。（設成0x1就會disable，definition在./include/asm-arm/ptrace.h)
! g, u( @3 ~  O+ J5 `# ?6 ]0 wline 82, 讀取CPU ID到r9
. F- n# p% O, x: {" z% R/ hline 83, 跳到 __lookup_processor_type 執行（bl會記住返回位址）。

1.      77     .section ".text.head", "ax"
   9 p0 _3 d+ G1 g4 h
2.      78     .type   stext, %function
   0 l/ h9 u' E8 ?) j) ]" [
3.      79 ENTRY(stext)
   2 {0 E! A+ N! I2 V7 f
4.      80     msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode
   0 q* X0 H/ a& g0 i: s. t
5.      81                         @ and irqs disabled
   : x* v! L7 f# |4 v; ^
6.      82     mrc p15, 0, r9, c0, c0      @ get processor id
   
7.      83     bl  __lookup_processor_type     @ r5=procinfo r9=cpuid

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接著會跳到head-common.S這個檔，
line 158, (3f表示forware往前找叫做『3』label)將label 3的address放到r3。
line 159, 將r3指到的位址的資料，依序放到r7, r6, r5.(ldmda的da是要每次都位址減一次）
# z. [3 T$ K, G) @8 Sline l60, 161, 利用真實得到位址r3減去取得資料的位址得到一個offset值，這樣可計算出r5, r6真正應該要指到的地方。
! d; Z" D  A5 W- C" z+ P1 Cline 163~169,這邊的程式應該不陌生，就是在各個CPU info裡面找尋對應的structure。找到的話就跳到line 171，返回head.S
1 P  w* N& b8 s! kline 170, 找不到的話，r5的processor id就放0x0.表示unknown id。

__proc_info_xxx可以在 vmlinux.lds.S 找到，是用來包住CPU info的所有data.資料則是被定義在./arch/arm/mm/proc-xxx.S，例如arm926就有 proc-arm926.S，裡面有相對應的data宣告，compiling time的時候，這些資料會被編譯到這個區段當中。

1.     156     .type   __lookup_processor_type, %function
   
2.     157 __lookup_processor_type:
   2 c$ [+ U' D9 I9 j
3.     158     adr r3, 3f
   . {1 f5 n6 w( B6 A: z* c  T
4.     159     ldmda   r3, {r5 - r7}
   
5.     160     sub r3, r3, r7          @ get offset between virt&phys
   5 R1 a! t( P5 Z0 e, M2 d9 c5 O
6.     161     add r5, r5, r3          @ convert virt addresses to
   
7.     162     add r6, r6, r3          @ physical address space
   : P" R! ^5 u& F, J
8.     163 1:  ldmia   r5, {r3, r4}            @ value, mask
   
9.     164     and r4, r4, r9          @ mask wanted bits
   
10.     165     teq r3, r4
    
11.     166     beq 2f
    ) t6 S' z% q7 u7 o5 K
12.     167     add r5, r5, #PROC_INFO_SZ       @ sizeof(proc_info_list)
    
13.     168     cmp r5, r6
    
14.     169     blo 1b
    
15.     170     mov r5, #0              @ unknown processor
    ) A/ b! O  E. l- X
16.     171 2:  mov pc, lr
    5 b% N# @; R- s9 t. s, G# V
17. 
    
18.     187     .long   __proc_info_begin
    
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複製代碼

跳了很多檔案，建議指令和object code如何link的概念要有，就會很清楚了。