内存管理初始化源码1：setup_arch

Posted 2020-08-09 若离相惜

源码声明：基于Linux kernel 3.08

1. 在kernel/arch/mips/kernel/head.S中会做一些特定硬件相关的初始化，然后会调用内核启动函数：start_kernel；

2. start_kernel是通用的内核启动函数，但是在初始化内核过程中，必然有一些参数是特定于硬件体系结构的，这些特定于硬件体系结构的设置通过调用函数setup_arch函数；

3. 我们看看MIPS架构的setup_arch函数做了哪些特定于MIPS的设置：

/* kernel/arch/mips/kernel/setup.c */
void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
    cpu_probe();
    prom_init();

#ifdef CONFIG_EARLY_PRINTK
    setup_early_printk();
#endif
    cpu_report();
    check_bugs_early();

#if defined(CONFIG_VT)
#if defined(CONFIG_VGA_CONSOLE)
    conswitchp = &vga_con;
#elif defined(CONFIG_DUMMY_CONSOLE)
    conswitchp = &dummy_con;
#endif
#endif

　　 /* 这个是内存管理相关的，我们只关注该函数，其他的看看函数名，意淫一下就可以了 */
    arch_mem_init(cmdline_p);

    resource_init();
    plat_smp_setup();
}

4. arch_mem_init

/* 这么关键的注释，一定要仔细阅读 */
/*
 * arch_mem_init - initialize memory management subsystem（初始化 memory management subsystem）
 *
 *  o plat_mem_setup() detects the memory configuration and will record detected
 *    memory areas using add_memory_region.
 * plat_mem_setup()：探测memory配置，然后使用add_memory_region记录探测到的内存区域【低端内存，高端内存，DMA的区域】。
 *
 * At this stage the memory configuration of the system is known to the
 * kernel but generic memory management system is still entirely uninitialized.
 * 此时，kernel知道memory的配置，但是generic memory management sysetm依然没有被初始化。
 *
 *  o bootmem_init()
 *  o sparse_init()
 *  o paging_init()
 *
 * At this stage the bootmem allocator is ready to use.
 * 此时，bootmem allocator可以使用了。
 *
 * NOTE: historically plat_mem_setup did the entire platform initialization.
 *       This was rather impractical because it meant plat_mem_setup had to
 * get away without any kind of memory allocator.  To keep old code from
 * breaking plat_setup was just renamed to plat_setup and a second platform
 * initialization hook for anything else was introduced.
 *
 * NOTE：从历史上看，plat_mem_setup完成整个platform的初始化。
 *       这是不切实际啊的，因为这意味着plat_mem_setup必须在不使用memory allocator时完成所有工作。......

 */

static int usermem __initdata;

static int __init early_parse_mem(char *p)
{
    unsigned long start, size;

　　/* 该函数会被调用2次：
    * 第一次：p 是 "[email protected]"
    * 第二次：p 是 "[email protected]"
    * early_parse_mem的参数是如何传递的需要深入了解两个函数：early_parm和parse_eraly_param，这个还是有些复杂，我们就不去深入了解了。但是我们可以大体猜测出这些函数的目的，就是：
    * 从commandline中根据关键字"mem"提取物理内存的信息，即起始地址和大小。
    * 这里我们看到该函数被调用两次，是由于我们的command line包含两个"mem"信息，这是由于我们的板子使用是4+8的EMCP，那么RAM大小是512M，刚好是两个256M。
　　 *　　第一个变成了224M，可能是由于RAM不是精确的512M，也可能是uboot占用了一部分。具体就不太了解了。
   */

    /*
     * If a user specifies memory size, we
     * blow away any automatically generated
     * size.
     */
    if (usermem == 0) {
        boot_mem_map.nr_map = 0;
        usermem = 1;
     }
    start = 0;
    size = memparse(p, &p);
    if (*p == ‘@‘)
        start = memparse(p + 1, &p);   // 解析”mem“字符串，提取memory信息

    add_memory_region(start, size, BOOT_MEM_RAM);  // 记录memory信息，就是对boot_mem_map结构体的赋值，代码我就不粘了
    return 0;
}
early_param("mem", early_parse_mem);


#ifdef CONFIG_android_PMEM
#ifdef CONFIG_SOC_4775
//unsigned long start, size;
static unsigned long  g_pmem_total_size=0;
static unsigned long  g_pmem_start=0;

/* called in arch/mips/xburst/soc-4775/common/setup.c */
unsigned long set_reserved_pmem_total_size(unsigned long size)
{
    g_pmem_total_size = size;
    return 0;
}

unsigned long get_reserved_pmem_size(void)
{
    return g_pmem_total_size;
}

unsigned long get_reserved_pmem_start(void)
{
    return g_pmem_start;
}

#endif    /* CONFIG_SOC_4775 */
#endif    /* CONFIG_ANDROID_PMEM  */


static void __init arch_mem_init(char **cmdline_p)
{
    extern void plat_mem_setup(void);

    /* call board setup routine */
    plat_mem_setup();

    pr_info("Determined physical RAM map:\n");

    strlcpy(boot_command_line, arcs_cmdline, COMMAND_LINE_SIZE);  
    strlcpy(command_line, boot_command_line, COMMAND_LINE_SIZE);

// arcs_cmdline : console=tty3,115200n8 [email protected] [email protected] ip=off root=/dev/ram0 rw rdinit=/init rd_start=0x81A00000 rd_size=0x0012E720
// 这个command line是由uboot传递过来的一些启动参数，具体如何过来的不再深入追了，最后kernel会从这里提取内存信息，串口信息，其他信息（不懂）

*cmdline_p = command_line;

    parse_early_param();  // 内核一种看起来很牛逼的函数调用，具体流程忽略，最后结果就是调到了：early_parse_mem

    if (usermem) {
        pr_info("User-defined physical RAM map:\n");
        print_memory_map(); // 打印内存信息，如下

　　/*
　　　　memory: 0e000000 @ 00000000 (usable)
　　   memory: 10000000 @ 30000000 (usable)

　　　　第一个字段是是size，第二个字段是起始地址
　　*/


    bootmem_init();
    device_tree_init();
    sparse_init();
    plat_swiotlb_setup();
    paging_init();
}

 

5. plat_mem_setup

　　该函数是针对每种不同的CPU进行的配置。/* kernel/arch/mips/xburst/soc-m200/common/setup.c *//* 针对m200这种mips架构的CPU，进行的配置 */

void __init plat_mem_setup(void)
{
    /* jz mips cpu special */
    __asm__ (
        "li    $2, 0xa9000000 \n\t"
        "mtc0  $2, $5, 4      \n\t"
        "nop                  \n\t"
        ::"r"(2));

    /* use IO_BASE, so that we can use phy addr on hard manual
     * directly with in(bwlq)/out(bwlq) in io.h.
     */
    set_io_port_base(IO_BASE);      // kernel/arch/mips/include/asm/mach-generic/spaces.h: #define IO_BASE _AC(0xa0000000, UL)

　　/*
　　　　kernel/kernel/resouce.c
　　　　struct resource ioport_resource = {
　　　　　　.name  = "PCI_IO",
　　　　　　.start = 0,
　　　　　　.end   = IO_SPACE_LIMIT,
　　　　　　.flags = IORESOURCE_IO,
　　　　};
　　　　EXPORT_SYMBOL(ioport_resource);
　　*/
　　// 记录 io resource
    ioport_resource.start    = 0x00000000;
    ioport_resource.end    = 0xffffffff;
    iomem_resource.start    = 0x00000000;
    iomem_resource.end    = 0xffffffff;
    setup_init();     // 一些硬件相关的初始化
    init_all_clk();   // 初始化所有的始终。如：CCLK：1200MHZ L2CLK:300MHZ H0CLK：200MHZ H2CLK：200MHz PCLK：100MHZ

#ifdef CONFIG_ANDROID_PMEM
    /* reserve memory for pmem. */
    board_pmem_setup();
#endif
    return;
}

 　　set_io_port_base:

/*
 * Gcc will generate code to load the value of mips_io_port_base after each
 * function call which may be fairly wasteful in some cases.  So we don‘t
 * play quite by the book.  We tell gcc mips_io_port_base is a long variable
 * which solves the code generation issue.  Now we need to violate the
 * aliasing rules a little to make initialization possible and finally we
 * will need the barrier() to fight side effects of the aliasing chat.
 * This trickery will eventually collapse under gcc‘s optimizer.  Oh well.
 */
/*
 * GCC会在每个函数的调用之后，产生Code来加载mips_io_port_base的值，这有时完全是浪费的。因此，我们不完全按照手册。我们告诉gcc，mips_io_port_base是一个长整型变量，这将会解决code generation问题。
 * 现在，我们需要违反aliasing(别名)规则，来完成初始化，最后我们需要barrier()来fight side effects of the aliasing chat.
 * 这种欺诈行为最终将会随着gcc的优化而崩塌。Oh well。
*/

static inline void set_io_port_base(unsigned long base)
{
    * (unsigned long *) &mips_io_port_base = base;  // 简单地赋值语句
    barrier();  // 内存屏障，下边我们简单看看
}

/* kernel/include/linux/compiler-gcc.h */

/* Optimization barrier */
/* The "volatile" is due to gcc bugs */
#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

/*
 * 1. __asm__用于指示编译器在此插入汇编语句
 * 2. __volatile__用于告诉编译器，严禁将此处的汇编语句与其它的语句重组合优化。即：原原本本按原来的样子处理这这里的汇编。
 * 3. memory强制gcc编译器假设RAM所有内存单元均被汇编指令修改，这样cpu中的registers和cache中已缓存的内存单元中的数据将作废。cpu将不得不在需要的时候重新读取内存中的数据。这就阻止了cpu又将registers，cache中的数据用于去优化指令，而避免去访问内存。
 * 4. "":::表示这是个空指令。
*/

 

6. print_memory_map

　　再次回顾我们的主线：start_kernel—>setup_arch—>arch_mem_init。

　　刚才我们分析了arch_mem_init调用的第一个函数：plat_mem_setup。

　　　　该函数就是和具体的CPU相关，该函数做了这么几件事：1. set_io_port_base： mips_io_port_base = 0xa0000000.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2. 记录io resource.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   3. 一些硬件初始化和始终初始化

　　接着，我们继续看arch_mem_init调用的第二个函数：print_memory_map。

　　很明显，这个函数是打印当前的内存信息，但是我们也详细去看看，因为内部有很重要的数据结构。

static void __init print_memory_map(void)
{
    int i;
    const int field = 2 * sizeof(unsigned long);

    for (i = 0; i < boot_mem_map.nr_map; i++) {    // boot_mem_map：是一个类型为struct boot_mem_map的全局变量
        printk(KERN_INFO " memory: %0*Lx @ %0*Lx ",
               field, (unsigned long long) boot_mem_map.map[i].size,
               field, (unsigned long long) boot_mem_map.map[i].addr);

        switch (boot_mem_map.map[i].type) {
        case BOOT_MEM_RAM:
            printk(KERN_CONT "(usable)\n");
            break;
        case BOOT_MEM_ROM_DATA:
            printk(KERN_CONT "(ROM data)\n");
            break;
        case BOOT_MEM_RESERVED:
            printk(KERN_CONT "(reserved)\n");
            break;
        default:
            printk(KERN_CONT "type %lu\n", boot_mem_map.map[i].type);
            break;
        }
    }
}

　　没错，我们说的重要的数据结构就是：boot_mem_map.

/* kernel/arch/mips/include/asm/bootinfo.h */
/*
 * A memory map that‘s built upon what was determined
 * or specified on the command line.
 */
struct boot_mem_map {
    int nr_map;
    struct boot_mem_map_entry {
        phys_t addr;    /* start of memory segment */
        phys_t size;    /* size of memory segment */
        long type;        /* type of memory segment */
    } map[BOOT_MEM_MAP_MAX];
};

 

7. 在arch_mem_init我们还有bootmem_init之后的几个调用，具体分析见下篇文章