kernel移植——从三星官方内核开始移植

以下内容源于朱有鹏嵌入式课程的学习，如有侵权，请告知删除。

一、内核移植初体验

1、获取三星官方的内核源码包

三星SMDKV210开发板附带的光盘里有内核源码包：下载地址。

2、构建移植环境

（1）Windows下建立SI工程（用来分析）

  • 为了简单与方便，建立SI工程前先删除不必要的目录和文件，包括arch目录下非arm架构的目录文件，以及arch/arm目录下不是三星的mach-xxx、plat-xxx目录。

（2）在ubuntu下解压一份源码包（根据分析进行修改）

3、内核配置与编译

（1）在主Makefile文件的193行之后添加以下内容：

#added by xjh 
ARCH = arm
CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/arm-2009q3/bin/arm-none-linux-gnueabi-

（2）执行“make smdkv210_android_defconfig”。

  • 在arch/arm/configs目录下有很多配置文件，我们从中找到与三星相关的、与我们开发板最像的“smdkv210_android_defconfig”。

（3）执行“make menuconfig”。

  • 忽略弹出的配置界面，因为目前还不知道修整哪些内容。

（4）执行“make -j4”。

  • 直接执行make则会直接单线程编译，如果make -j4则会4线程编译，编译效率会提高。
  • 多少线程编译则要看是多少核的cpu：四核则可以4线程，双核则2线程。

4、通过tftp将编译得到的zImage下载到开发板

  • 编译得到的内核镜像在arch/arm/boot目录下。
  • 通过tftp将镜像下载到开发板的方法见博客：利用tftp将镜像下载到开发板_天糊土的博客

5、运行结果与分析

（1）运行结果

没有显示linux自解压代码打印出的“Uncompressing Linux... done, booting the kernel.”。

（2）现象分析

1）这个现象说明zImage没有被解压成功，因此问题出在解压相关的部分。

2）进一步分析，问题可能与“内核解压后的代码放在哪个内存地址处（暂且叫“解压地址”）”有关。这个解压地址可以由内核配置，如果不对，则内核不能运行。

3）内核的链接地址是一个虚拟地址，而自解压代码解压内核时需要物理地址（即解压地址是物理地址，因为此时mmu还没开，内核还没有开始运行），因此链接地址对应的物理地址必须等于解压地址，否则自解压之后内核无法运行。

4）因此现在问题变成：内核的链接等于多少？内核配置的解压地址是多少？

5）内核的链接地址与对应的物理地址，可以在arch/arm/kernel/head.S中可以查到。

PAGE_OFFSET这个宏定义在/arch/arm/include/asm/memory.h文件中，内容如下。

#define PAGE_OFFSET		UL(CONFIG_PAGE_OFFSET)

而在配置内核时生成的.config文件中，CONFIG_PAGE_OFFSET赋值为0xC0000000。

CONFIG_PAGE_OFFSET=0xC0000000

所以PAGE_OFFSET=0xC000_0000。

在/arch/arm/mach-s5pv210/include/mach/memory.h文件中，对PHYS_OFFSET这个宏有如下定义：

根据下面“（5）现象分析”，PHYS_OFFSET这个宏的值应该为0x30000000。

而TEXT_OFFSET这个宏的值应该为0x00008000。（待求证）

经上述分析得知，内核的链接地址KERNEL_RAM_VADDR为0xC0008000，对应的物理地址KERNEL_RAM_PADDR是0x30008000，那么解压地址应该是30008000。

（3）修改解压地址

解压地址定义在/arch/arm/mach-s5pv210/Makefile.boot文件中。

我们在该文件末尾添加以下内容：

（4）编译后重新下载，查看运行结果

因为只修改了一些链接参数，不需要重新配置编译，所以make很快完成。

运行结果如下图所示，自解压代码的解压信息已经显示出来，但内核还是没有运行。

（5）现象分析

1）我们在uboot中配置的地址空间是从3000 0000开始的，而不是2000 0000开始的。

2）但在/arch/arm/mach-s5pv210/include/mach/memory.h文件中，PHYS_OFFSET却定义为2000 0000。

3）因此需要将PHYS_OFFSET从20000000改到30000000，如下所示：

（6）重新编译，运行结果

内核打印出很多运行信息。

二、内核中的机器码

内核支持什么架构、支持哪款cpu，这是如何确定的？主要是通过机器码来确定的。内核中定义了一份机器码，uboot也会给内核传递一个机器码。在内核启动的汇编阶段，head.S文件对比uboot传给内核的机器码和内核定义的机器码，如果匹配则继续启动。

本节内容，主要讲内核如何定义机器码的。其实在内核源码——C语言阶段的start_kernel函数的第二点的第3点的第（4）点也有提及。

1、MACHINE_START宏

这个宏的内容如下：

（1）这个宏用来定义一个数据类型为struct machine_desc的变量，而且这个变量会被定义到一个特定段.arch.info.init，因此这个变量将来会被链接器链接到这个.arch.info.init段中。

（2）比如在/arch/arm/mach-s5pv210/mach-smdkv210.c中，有MACHINE_START(SMDKV210, "SMDKV210")，这就定义了一个数据类型为struct machine_desc的变量，这个变量名为__mach_desc_SMDKV210。这个变量是smdkv210这个开发板的抽象或者说表征。

static const struct machine_desc __mach_desc_SMDKV210	\__used							\__attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {	\.nr		= MACH_TYPE_SMDKV210,//机器码2456		\.name		= "SMDKV210",.phys_io	= S3C_PA_UART & 0xfff00000,.io_pg_offst	= (((u32)S3C_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,.boot_params	= S5P_PA_SDRAM + 0x100,.init_irq	= s5pv210_init_irq,.map_io		= smdkv210_map_io,.init_machine	= smdkv210_machine_init,.timer		= &s5p_systimer,
};

  • 结构体成员.nr=MACH_TYPE_SMDKV210就是这个开发板的机器码。机器码值“MACH_TYPE_SMDKV210”在/include/generated/mach-types.h文件中定义，该文件在内核配置过程中自动生成。mach-types.h文件维护着该版本内核所支持的全部机器码。

  • 结构体成员“.name= "SMDKV210"”，表示该开发板的名称。

  • 结构体成员“.init_machine = smdkv210_machine_init”，定义了一个函数smdkv210_machine_init，该函数是一个硬件初始化函数，包含了内核中各种硬件的初始化信息。

（3）在/arch/arm/目录下有许多mach-xxx目录（不同目录代表不同CPU），这些mach-xxx目录中又有许多mach-xxx文件（同目录下的不同文件，表示相同CPU的不同开发板）。分析发现，每个mach-xxx.c文件中，都通过MACHINE_START宏，定义了一个表征某个开发板的struct machine_desc类型的变量。这些结构体变量都放到了.arch.info.init段，表示当前内核可以支持这些机器码对应的开发板。

（4）我们的目标开发板叫做X210，采用S5PV210这款CPU。在三星版本内核中到不到X210开发板对应的mach-x210.c文件，但为了减少移植工作量，在三星版本内核的/arch/arm/mach-s5pv210目录下寻找一个mach-xxx.c文件，使得该文件对应的开发板与X210开发板最为接近（使用相同的CPU），并以此文件为基础进行移植。

（5）九鼎的X210开发板是根据三星SMDKV210开发板进行设计的，因此要找SMDKV210开发板对应的文件，按理应该是mach-smdkv210.c文件。但分析/arch/arm/mach-s5pv210/Makefile文件后得知，内核配置生成的.config文件中定义CONFIG_MACH_SMDKV210后，实际绑定的是mach-smdkc110.c这个文件。因此实际上mach-smdkv210.c这个文件根本没用到。

（6）所以后续将以/arch/arm/mach-s5pv210/mach-smdkc110.c这个文件为基础进行移植。

2、硬件驱动的加载和初始化函数执行

/arch/arm/mach-s5pv210/mach-smdkc110.c文件中，有MACHINE_START(SMDKV210, "SMDKV210")，它展开后内容如下：

static const struct machine_desc __mach_desc_SMDKV210	\__used							\__attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {	\.nr		= MACH_TYPE_SMDKV210,//机器码2456		\.name		= "SMDKV210",.phys_io	= S3C_PA_UART & 0xfff00000,.io_pg_offst	= (((u32)S3C_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,.boot_params	= S5P_PA_SDRAM + 0x100,.init_irq	= s5pv210_init_irq,.map_io		= smdkv210_map_io,.init_machine	= smdkv210_machine_init,//初始化各种硬件.timer		= &s5p_systimer,
};

注意“.init_machine    = smdkv210_machine_init,”，init_machine这个成员指向一个机器硬件初始化函数smdkv210_machine_init，这个函数绑定了内核启动过程中会初始化的各种硬件的信息，在此函数中添加的硬件才会被初始化，没有在此函数中添加的硬件不会被初始化。

关于smdkv210_machine_init的更多介绍，见下文第五点“网卡的问题与解决”，或者驱动栏目中的“Linux设备驱动模型”的内容。

三、电源管理IC的问题与解决

1、OOPS信息（内核死亡信息）

（1）内核启动后会有打印信息，这些信息隐藏了问题所在。认真分析这些信息，从中找到对的或者错误的一些信息片段，才能帮助我们找到问题，从而解决问题。

（2）内核启动过程的错误信息的特征

由PC和LR的值可以看出，程序执行到dev_driver_string或者max8698_pmic_probe（这两个是函数或者汇编中的标号）符号部分的时候出错了。我们从这两个符号出发去寻找、思考可能出错的地方，然后试图解决。

2、错误分析

（1）max8698_pmic_probe，看名字是max8698这个电源管理IC的驱动安装函数那部分出错了，应该是开发板系统中配置了支持这个电源管理IC，于是启动时去加载它的驱动，结果驱动在加载执行的过程中出错了OOPS。

（2）这个驱动加载时为什么会出错？结合X210开发板的硬件实际情况来分析，X210开发板上根本就没有max8698这个电源管理IC，既然硬件都没有，执行驱动肯定会出错。之前移植三星版本uboot时，在lowlevel_init.S中也调用了电源管理IC初始化函数（PMIC_init），结果报错，我们屏蔽掉该函数的调用后，uboot就可以成功运行下去。

（3）为什么uboot和内核，都默认调用这个电源管理IC的初始化代码？因为三星SMDKV210开发板中用了max8698这个电源管理IC，因此三星的uboot和kernel中都默认支持这个。但是X210中是没用的，因此uboot和内核中都需要去掉该代码模块。

3、错误解决

（1）如何解决错误

在uboot中是直接改源代码，屏蔽掉那个初始化函数解决的。但在内核中不能这么干，因为linux kernel是高度模块化、高度可配置的，内核中每一个模块都是被配置项条件编译的，因此要去掉某个模块的支持，只需要重新配置去掉选项即可，不用改源代码。所以我们的关键就是要找它对应的配置项。

（2）解决错误的过程

先make menuconfig，然后输入/，搜索"MAX8698"这几个关键字，然后看到这个配置项的路径，然后到路径下去按N键去掉这个模块的支持，保存，重新编译即可。

 （3）运行结果

重新编译后下载运行，发现此问题被解决，内核再次启动后直接运行到挂载rootfs才出错。

4、心得体会

（1）CONFIG_MFD_MAX8698这个配置宏，决定了drivers目录下的max8698对应的驱动程序源代码是否被编译，决定了kernel启动过程中是否会调用一些max8698的相关的代码。

（2）kernel是高度模块化和可配置化的，所以在内核中做任何事情（添加、更改、去掉一个模块）都必须按照内核设定的方案和流程。

四、iNand的问题与解决

1、OOPS信息

（1）内核试图挂载根文件系统时失败，失败原因是unknown-block（不能识别块设备）。

（2）分析backstrace，得知错误信息的来源于mount_block_root函数。

mount_block_root函数位于/init/do_mounts.c文件中，内容如下：

2、错误分析

（1）在kernel启动时，uboot给内核传递一个cmdline，其中“root=xxx”指定rootfs在哪个设备上，比如“root=/dev/mmcblk0p2”表示rootfs在mmc设备0的第2个分区（设备0，即在SD0通道上的设备，即iNand）。

（2）unknown-block(0,0)，意思是没找到mmc设备0的第2分区。

（3）为什么没找到mmc设备0的第2分区？可能是kernel启动过程中加载mmc驱动时出现问题，驱动没有发现mmc设备0，于是问题定位在mmc相关的驱动方面。

（4）对比待移植的三星版本的内核启动信息、九鼎版本的内核启动信息，从中发现待移植的三星版本的内核启动时，没有找到MMC设备（内置的iNand和外置的SD卡都没有找到），这说明肯定是驱动的问题，因此要移植mmc驱动。

3、知识补充

（1）SD/iNand本身都是由一个一个的扇区组成的，裸机课程中X210的启动时，BL1在SD卡的1扇区开始往后存放，SD卡的0扇区是不用的。SD卡的0扇区是用来放置MBR的。

（2）MBR就是用来描述块设备的分区信息的，事先定义了一个通用的数据结构来描述块设备的分区，我们只要将分区信息写入MBR中即可对该设备完成分区。MBR默认就是在块设备的第0个扇区上存放的。

（3）uboot中的命令fdisk可以对iNand进行分区（执行“fdisk -c 0”即可），而且这个fdisk命令的内部已经用代码写死（将iNand分为多少个分区、每个分区的大小等等信息，已经用宏定义规定好，当然我们也可以修改这些宏定义）。内核通过读取iNand的MBR即可获取iNand的分区信息，不需要通过uboot给内核传参时传递这个分区信息。

（4）如果开发板使用的是nandFlash，分区表一般是在内核中用代码构建的。因此nand版本的内核移植时，一般都需要移植、更改nand分区表。

3、解决错误

暂略。因为涉及到驱动的内容，后续会补充。

五、网卡的问题与解决

1、OOPS信息

内核启动时，关于网卡部分的错误信息显示如下：

2、错误分析

（1）出错的原因是三星版本的内核还没有移植网卡驱动（有网卡驱动但没有移植）。

（2）在/arch/arm/mach-s5pv210/mach-smdkc110.c文件中，smdkc110_machine_init()函数是整个开发板所有硬件的初始化函数。此函数通过platform_add_devices()函数加载的硬件，将来启动时就会被初始化，没有被加载的硬件将来启动时就不管。所以网卡这个硬件相关的初始化内容，肯定位于smdkc110_machine_init()函数中。

（3）分析得知与网卡DM9000有关的是：smdkc110_devices结构体和smdkc110_dm9000_set()函数，需要分别做移植。

（4）smdkc110_dm9000_set()函数用来设置DM9000相关的SROM bank的寄存器，它相当于uboot中dm9000移植时的dm9000_pre_init函数，只是读写寄存器的函数名称不同而已。

（5）smdkc110_devices结构体中与网卡DM9000有关的设置，追踪如下。

在/arch/arm/mach-s5pv210/mach-smdkc110.c文件中有：

在/arch/arm/plat-s5p/devs.c中有：

在/arch/arm/plat-s5p/devs.c中有：

3、错误解决

（1）首先，在make menuconfig中添加DM9000支持。

通过在弹出的界面按/搜索“DM9000”，找到配置项所在路径，然后选择Y。其实这一步本来就是Y，因此这里不用设置。但是有些内核可能默认不是Y，因此要设置。

（2）接着，将九鼎移植好的/arch/arm/mach-s5pv210/mach-x210.c文件中的smdkc110_dm9000_set()函数，覆盖掉三星版本内核的/arch/arm/mach-s5pv210/mach-smdkc110.c文件中的smdkc110_dm9000_set()函数。

这主要是为了减少工作量，但修改的过程需要理解。

（3）接着，在arch/arm/plat-s5p/devs.c中修改DM9000相关的数据配置。

1）上图的S5P_PA_DM9000，定义在/arch/arm/mach-s5pv210/include/mach/map.h中，它表示DM9000的IO基地址，具体的值是与 DM9000接在哪个bank有关的。根据实际情况，将其改为0x88000300，如下所示。

2）因为九鼎的uboot源码/include/configs/x210_sd.h中有如下内容：

所以根据uboot的设置情况，下面的+2改为+4，如下所示。

3）根据实际情况，将两个IRQ_EINT9改成IRQ_EINT10。

（4）重新编译后下载运行，查看结果

网卡移植成功后，其启动信息显示如下：

六、内核启动汇编阶段的调试

1、调试的原因

（1）由之前的内容可知，内核启动汇编阶段主要体现在arch/arm/kernel/head.S文件。该文件中首先进行三个校验（CPU id的校验、机器码的校验、tag的校验），接着创建页表，然后构建C语言运行环境，最后跳转到start_kernel函数。基本上能运行到start_kernel，内核移植就不太会出问题了。

（2）但有时候移植的内核启动后，根本没有启动信息出来。针对这个问题，希望能有一种调试手段来确定问题所在。

2、调试的方法

（1）将led点亮和熄灭的汇编代码，复制粘贴到head.S文件中的合适位置，内核启动后根据led的表现来标明代码有无运行。

（2）典型的led函数如下所示。

/**************************************************************************
*函数作用：熄灭X210开发板的三颗LED灯
*函数说明
（1）寄存器r0,r1,r2在head.s文件中是用来给内核传参的，类似于全局变量。
因此不能用这些寄存器，我们可以使用那些没有被使用的寄存器，这里用r3，r4。
（2）X210开发板有四颗LED灯，启动时四颗都是半亮的。这个函数用来熄灭其中的三颗。
我们可以通过LED是否熄灭得知该函数之前的内核代码是否运行正常。
***************************************************************************/led:// 第一步：把0x11111111写入0xE0200240(GPJ0CON)位置ldr r3, =0x11111111	 ldr r4, =0xE0200240		str r3, [r4]  // 把r3中的数写入到r4中的数为地址的内存中去    // 第二步：把0xff写入0xE0200244(GPJ0DAT)位置ldr r3, =0xff // 开发板启动时led半亮ldr r4, =0xE0200244str r3, [r4]  // 把ff写入到GPJ0DAT寄存器中，引脚即输出高电平，三颗LED熄灭// 函数需要返回mov pc,lr

3、动手测试

首先，在head.S文件中合适的地方（函数集中域处）定义这个led这个函数；

然后，在head.S文件中的某个地方调用这个led函数；

最后，重新编译内核并下载至开发板，通过查看LED的亮灭情况判断这段代码是否被运行。如果运行了，则说明调用这个led函数之前的内容都没有问题的；如果没有运行，则说明错误发生在调用这个led函数之前。

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