1.3.1 汇编语言部分

ARM64架构的内核的入口是标号_head，直接跳转到标号stext。

    arch/arm64/kernel/head.S
    1   _head:
    2   #ifdef CONFIG_EFI
    3    add  x13, x18, #0x16
    4    b    stext
    5   #else
    6    b    stext       // 跳转到内核起始位置
    7    .long0            // 保留
    8   #endif

配置宏CONFIG_EFI表示提供UEFI运行时支持，UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）是统一的可扩展固件接口，用于取代BIOS。

标号stext开始的代码如下：

    arch/arm64/kernel/head.S
    1   ENTRY(stext)
    2    bl   preserve_boot_args
    3    bl   el2_setup        // 降级到异常级别1, 寄存器w0存放cpu_boot_mode
    4    adrp x23, __PHYS_OFFSET
    5    and  x23, x23, MIN_KIMG_ALIGN - 1    // KASLR偏移，默认值是0
    6    bl   set_cpu_boot_mode_flag
    7    bl   __create_page_tables
    8    /*
    9     * 下面调用设置处理器的代码，请看文件“arch/arm64/mm/proc.S”
    10    * 了解细节。
    11    * 返回的时候，处理器已经为开启内存管理单元做好准备，
    12    * 转换控制寄存器已经设置好。
    13    */
    14   bl    __cpu_setup        // 初始化处理器
    15   b    __primary_switch
    16  ENDPROC(stext)

第2行代码，调用函数preserve_boot_args，把引导程序传递的4个参数保存在全局数组boot_args中。

第3行代码，调用函数el2_setup：如果处理器当前的异常级别是2，判断是否需要降级到异常级别1。

第6行代码，调用函数set_cpu_boot_mode_flag，根据处理器进入内核时的异常级别设置数组__boot_cpu_mode[2]。__boot_cpu_mode[0]的初始值是BOOT_CPU_MODE_EL2,__boot_cpu_mode[1]的初始值是BOOT_CPU_MODE_EL1。如果异常级别是1，那么把__boot_cpu_mode[0]设置为BOOT_CPU_MODE_EL1；如果异常级别是2，那么把__boot_cpu_mode[1]设置为BOOT_CPU_MODE_EL2。

第7行代码，调用函数__create_page_tables，创建页表映射。

第14行代码，调用函数__cpu_setup，为开启处理器的内存管理单元做准备，初始化处理器。

第15行代码，调用函数__primary_switch，为主处理器开启内存管理单元，搭建C语言执行环境，进入C语言部分的入口函数start_kernel。

1．函数el2_setup

进入内核的时候，ARM64处理器的异常级别可能是1或者2，函数el2_setup的主要工作如下。

（1）如果异常级别是1，那么在异常级别1执行内核。

（2）如果异常级别是2，那么根据处理器是否支持虚拟化宿主扩展（Virtualization Host Extensions, VHE），决定是否需要降级到异常级别1。

1）如果处理器支持虚拟化宿主扩展，那么在异常级别2执行内核。

2）如果处理器不支持虚拟化宿主扩展，那么降级到异常级别1，在异常级别1执行内核。

下面介绍ARM64处理器的异常级别和虚拟化宿主扩展。

如图1.4所示，通常ARM64处理器在异常级别0执行进程，在异常级别1执行内核。

图1.4 普通的异常级别切换

虚拟机是现在流行的虚拟化技术，在计算机上创建一个虚拟机，在虚拟机里面运行一个操作系统，运行虚拟机的操作系统称为宿主操作系统（host OS），虚拟机里面的操作系统称为客户操作系统（guest OS）。

现在常用的虚拟机是基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine, KVM）, KVM的主要特点是直接在处理器上执行客户操作系统，因此虚拟机的执行速度很快。KVM是内核的一个模块，把内核变成虚拟机监控程序。如图1.5所示，宿主操作系统中的进程在异常级别0运行，内核在异常级别1运行，KVM模块可以穿越异常级别1和2；客户操作系统中的进程在异常级别0运行，内核在异常级别1运行。

图1.5 支持虚拟化的异常级别切换

常用的开源虚拟机管理软件是QEMU, QEMU支持KVM虚拟机。使用QEMU创建一个KVM虚拟机，和KVM的交互过程如下。

（1）打开KVM字符设备文件。

    fd = open("/dev/kvm", O_RDWR);

（2）创建一个虚拟机，QEMU进程得到一个关联到虚拟机的文件描述符。

    vmfd = ioctl(fd, KVM_CREATE_VM, 0);

（3）QEMU为虚拟机模拟多个处理器，每个虚拟处理器就是一个线程，调用KVM提供的命令KVM_CREATE_VCPU, KVM为每个虚拟处理器创建一个kvm_vcpu结构体，QEMU进程得到一个关联到虚拟处理器的文件描述符。

    vcpu_fd = ioctl(vmfd, KVM_CREATE_VCPU, 0);

从QEMU切换到客户操作系统的过程如下。

（1）QEMU进程调用“ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, 0)”，陷入到内核。

（2）KVM执行命令KVM_RUN，从异常级别1切换到异常级别2。

（3）KVM首先把调用进程的所有寄存器保存在kvm_vcpu结构体中，然后把所有寄存器设置为客户操作系统的寄存器值，最后从异常级别2返回到异常级别1，执行客户操作系统。

如图1.6所示，为了提高切换速度，ARM64架构引入了虚拟化宿主扩展，在异常级别2执行宿主操作系统的内核，从QEMU切换到客户操作系统的时候，KVM不再需要先从异常级别1切换到异常级别2。

图1.6 支持虚拟化宿主扩展的异常级别切换

2．函数__create_page_tables

函数__create_page_tables的主要工作如下。

（1）创建恒等映射（identity mapping）。

（2）为内核镜像创建映射。

恒等映射的特点是虚拟地址和物理地址相同，是为了在开启处理器的内存管理单元的一瞬间能够平滑过渡。函数__enable_mmu负责开启内存管理单元，内核把函数__enable_mmu附近的代码放在恒等映射代码节（.idmap.text）里面，恒等映射代码节的起始地址存放在全局变量__idmap_text_start中，结束地址存放在全局变量__idmap_text_end中。

恒等映射是为恒等映射代码节创建的映射，idmap_pg_dir是恒等映射的页全局目录（即第一级页表）的起始地址。

在内核的页表中为内核镜像创建映射，内核镜像的起始地址是_text，结束地址是_end, swapper_pg_dir是内核的页全局目录的起始地址。

3．函数__primary_switch

函数__primary_switch的主要执行流程如下。

（1）调用函数__enable_mmu以开启内存管理单元。

（2）调用函数__primary_switched。

函数__enable_mmu的主要执行流程如下。

（1）把转换表基准寄存器0（TTBR0_EL1）设置为恒等映射的页全局目录的起始物理地址。

（2）把转换表基准寄存器1（TTBR1_EL1）设置为内核的页全局目录的起始物理地址。

（3）设置系统控制寄存器（SCTLR_EL1），开启内存管理单元，以后执行程序时内存管理单元将会把虚拟地址转换成物理地址。

函数__primary_switched的执行流程如下。

（1）把当前异常级别的栈指针寄存器设置为0号线程内核栈的顶部（init_thread_union +THREAD_SIZE）。

（2）把异常级别0的栈指针寄存器（SP_EL0）设置为0号线程的结构体thread_info的地址（init_task.thread_info）。

（3）把向量基准地址寄存器（VBAR_EL1）设置为异常向量表的起始地址（vectors）。（4）计算内核镜像的起始虚拟地址（kimage_vaddr）和物理地址的差值，保存在全局变量kimage_voffset中。

（5）用0初始化内核的未初始化数据段。

（6）调用C语言函数start_kernel。