ARM平台设备树配置与内核移植工程案例详解 - 第4节

4.1 内核编译步骤与配置体系

ARM Linux 内核的编译并非简单的 make，而是一个包含配置、依赖生成、交叉编译、目标格式转换的多阶段过程。对于嵌入式平台，编译前必须通过设备树（DTS）和内核配置（Kconfig）完成硬件描述与功能裁剪。

4.1.1 内核源码树结构概览

4.1.2 标准编译步骤

1. 清理：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
2. 配置：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- xxx_defconfig
3. 菜单配置（可选）：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
4. 编译内核与设备树：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage dtbs -j4
5. 生成 uImage（如需要）：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- uImage
6. 编译模块：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- modules
7. 安装模块：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- modules_install INSTALL_MOD_PATH=/path/to/rootfs

4.2 zImage 与 uImage 生成原理

4.2.1 编译链接与镜像生成流程

内核编译的最终产物是压缩后的自解压镜像。其生成链路如下：

4.2.2 zImage 与 uImage 对比

4.3 内核启动第一阶段汇编代码分析

ARM 内核启动的第一阶段由汇编语言编写，位于 arch/arm/kernel/head.S 和 arch/arm/boot/compressed/head.S。这一阶段负责从 Bootloader 接管控制权，完成最低限度的硬件初始化，并跳转到 C 语言入口 start_kernel。

4.3.1 启动阶段划分

4.3.2 关键汇编代码段解析

以下代码取自 arch/arm/kernel/head.S，是内核启动入口 stext 的核心逻辑：

/*
 * 内核入口点 stext
 * r0 = 0 (sb 值)
 * r1 = 机器类型号 (传统 ATAG 方式)
 * r2 = 设备树 DTB 物理地址 (FDT 方式)
 */
ENTRY(stext)
    /* 设置当前 CPU 为 SVC 模式，关中断 */
    msr    cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE

    /* 查找当前 CPU 的 proc_info 结构 */
    bl    __lookup_processor_type
    /* 若未找到，跳转错误 */
    teq    r10, #0
    beq    __error_p

    /* 查找机器类型或 FDT 匹配的 machine_desc */
    bl    __lookup_machine_type
    teq    r8, #0
    beq    __error_a

    /* 创建一级页表（段映射） */
    bl    __create_page_tables

    /* 使能 MMU，跳转到 __mmap_switched */
    ldr    r13, =__mmap_switched
    adr    lr, BSYM(__enable_mmu)
    mov    pc, lr
ENDPROC(stext)

4.3.3 页表创建与 MMU 使能

__create_page_tables 是启动阶段最关键的汇编函数之一。它建立恒等映射（identity mapping）和内核虚拟地址映射：

__create_page_tables:
    /* 页表基址存放在 r4 (swapper_pg_dir) */
    pgtbl    r4, r8

    /* 清空 16KB 页表空间 */
    mov    r0, r4
    mov    r3, #0
    add    r6, r0, #0x4000
1:    str    r3, [r0], #4
    str    r3, [r0], #4
    str    r3, [r0], #4
    str    r3, [r0], #4
    teq    r0, r6
    bne    1b

    /* 建立恒等映射：物理地址 = 虚拟地址 (前 1MB) */
    ldr    r7, [r10, #PROCINFO_IO_OFFSET]
    orr    r3, r7, #MMU_SECTION_FLAGS
    str    r3, [r4, r7, lsr #18]

    /* 建立内核虚拟地址映射 (PAGE_OFFSET) */
    ldr    r6, =PAGE_OFFSET
    orr    r3, r7, #MMU_SECTION_FLAGS
    str    r3, [r4, r6, lsr #18]

    /* 映射 DTB 区域（确保 MMU 开启后仍可访问） */
    mov    r6, r2
    orr    r3, r6, #MMU_SECTION_FLAGS
    str    r3, [r4, r6, lsr #18]

    mov    pc, lr
ENDPROC(__create_page_tables)

4.3.4 跳转到 start_kernel

MMU 使能后，通过 __mmap_switched 完成数据段复制、BSS 清零、保存处理器 ID 和机器类型，最终跳转到 C 入口：

__mmap_switched:
    /* 复制数据段 */
    adr    r3, __data_loc
    ldmia    r3!, {r4, r5, r6}
    sub    r3, r3, #12
    cmp    r4, r5
    beq    2f
1:    ldr    r6, [r3], #4
    str    r6, [r4], #4
    cmp    r4, r5
    blo    1b
2:    /* 清零 BSS */
    mov    r0, #0
    ldr    r3, =__bss_start
    ldr    r4, =__bss_stop
3:    str    r0, [r3], #4
    cmp    r3, r4
    blo    3b

    /* 保存启动参数 */
    ldr    r0, =__machine_arch_type
    str    r1, [r0]        @ 保存机器类型
    ldr    r0, =__atags_pointer
    str    r2, [r0]        @ 保存 DTB 指针

    /* 跳转到 start_kernel */
    b    start_kernel
ENDPROC(__mmap_switched)

4.4 设备树在启动流程中的传递

在支持设备树（FDT）的启动方式中，Bootloader 将 DTB 物理地址通过 r2 寄存器传递给内核。内核在汇编阶段完成以下操作：

1. 保存 r2：在 __mmap_switched 中将 r2 存入 __atags_pointer 全局变量。
2. 映射 DTB 区域：在 __create_page_tables 中为 DTB 所在物理页建立段映射，确保 MMU 开启后仍可访问。
3. 解析 DTB：C 语言阶段 setup_arch → early_init_dt_scan 解析 DTB，获取内存大小、中断控制器、时钟等基础信息。

4.5 常见编译与启动问题排查