Linux下machine_desc結構體中的phys_io與io_pg_offst 的作用及使用方法

1. phys_io 與 io_pg_offst

我們在移植BSP的時候需要填充 machine_desc 結構體，其中有兩個字段 phys_io 和 io_pg_offst，如下紅色加粗部分：

MACHINE_START(W90P950EVB, "W90P950EVB")
.phys_io = W90X900_PA_UART,
.io_pg_offst = (((u32)W90X900_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
.boot_params =  0x100,
.map_io  = nuc950evb_map_io,
.init_irq = nuc900_init_irq,
.init_machine = nuc950evb_init,
.timer  = &nuc900_timer,
MACHINE_END

在linux2.6.38中已經沒有phys_io與io_pg_offs這兩個變量，後面的文章會分析這個問題，現在就來分析linux2.6.35中在machine_desc結構體中，有關phys_io和io_pg_offst變量的作用以及使用方法，在介紹phys_io和io_pg_offst變量的作用之前，我們先來熟悉一些machine_desc這結構體：

1. struct machine_desc {  
2.  /* 
3.   * Note! The first four elements are used 
4.   * by assembler code in head.S, head-common.S 
5.   */  
6.  unsigned int  nr;  /* architecture number */  
7.  unsigned int  phys_io; /* start of physical io */  
8.  unsigned int  io_pg_offst; /* byte offset for io  
9.        * page tabe entry */  
10.   
11.  const char  *name;  /* architecture name */  
12.  unsigned long  boot_params; /* tagged list  */  
13.   
14.  unsigned int  video_start; /* start of video RAM */  
15.  unsigned int  video_end; /* end of video RAM */  
16.   
17.  unsigned int  reserve_lp0 :1; /* never has lp0 */  
18.  unsigned int  reserve_lp1 :1; /* never has lp1 */  
19.  unsigned int  reserve_lp2 :1; /* never has lp2 */  
20.  unsigned int  soft_reboot :1; /* soft reboot  */  
21.  void   (*fixup)(struct machine_desc *,  
22.       struct tag *, char **,  
23.       struct meminfo *);  
24.  void   (*map_io)(void);/* IO mapping function */  
25.  void   (*init_irq)(void);  
26.  struct sys_timer *timer;  /* system tick timer */  
27.  void   (*init_machine)(void);  
28. };  

在行7和行8定義了這兩個變量，phys_io：物理IO的起始地址，io_pg_offst：IO頁表的偏移字節的地址（MMU頁表）。phys_io 用來保存 UART 的物理地址，io_pg_offst 用來保存 UART 的內核空間虛擬地址。兩者的映射關系在 arch/arm/kernel/head.S 中建立。這樣，在 kernel 沒有初始化完 MMU 時，就可以通過寫 io_pg_offst 向 UART 打印調試信息。這主要在 low level 的調試函數中使用，比如 printascii。

2. phys_io 與 io_pg_offst 的映射關系如何建立

現在可以進入arch\arm\kernel\head.S中分析這兩個變量的具體調用情況：

1. /* 
2.  *  linux/arch/arm/kernel/head.S 
3.  * 
4.  *  Copyright (C) 1994-2002 Russell King 
5.  *  Copyright (c) 2003 ARM Limited 
6.  *  All Rights Reserved 
7.  * 
8.  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify 
9.  * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as 
10.  * published by the Free Software Foundation. 
11.  * 
12.  *  Kernel startup code for all 32-bit CPUs 
13.  */  
14. ............  
15. ............  
16. ............  
17. /* 
18.  * Kernel startup entry point. 
19.  * --------------------------- 
20.  * 
21.  * This is normally called from the decompressor code.  The requirements 
22.  * are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0, 
23.  * r1 = machine nr, r2 = atags pointer. 
24.  * 
25.  * This code is mostly position independent, so if you link the kernel at 
26.  * 0xc0008000, you call this at __pa(0xc0008000). 
27.  * 
28.  * See linux/arch/arm/tools/mach-types for the complete list of machine 
29.  * numbers for r1. 
30.  * 
31.  * We're trying to keep crap to a minimum; DO NOT add any machine specific 
32.  * crap here - that's what the boot loader (or in extreme, well justified 
33.  * circumstances, zImage) is for. 
34.  */  
35.     __HEAD  
36. ENTRY(stext)  
37.     setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ ensure svc mode  
38.                         @ and irqs disabled  
39.     mrc p15, 0, r9, c0, c0      @ get processor id  
40.     bl  __lookup_processor_type     @ r5=procinfo r9=cpuid  
41.     movs    r10, r5             @ invalid processor (r5=0)?  
42.     beq __error_p           @ yes, error 'p'  
43.     bl  __lookup_machine_type       @ r5=machinfo  
44.     movs    r8, r5              @ invalid machine (r5=0)?  
45.     beq __error_a           @ yes, error 'a'  
46.     bl  __vet_atags  
47.     bl  __create_page_tables  
48.   
49.     /* 
50.      * The following calls CPU specific code in a position independent 
51.      * manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S for details.  r10 = base of 
52.      * xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type 
53.      * above.  On return, the CPU will be ready for the MMU to be 
54.      * turned on, and r0 will hold the CPU control register value. 
55.      */  
56.     ldr r13, __switch_data      @ address to jump to after  
57.                         @ mmu has been enabled  
58.     adr lr, BSYM(__enable_mmu)      @ return (PIC) address  
59.  ARM(   add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )  
60.  THUMB( add r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC    )  
61.  THUMB( mov pc, r12             )  
62. ENDPROC(stext)  
63. .....  
64. .....  
65. .....  
66. /* 
67.  * Setup the initial page tables.  We only setup the barest 
68.  * amount which are required to get the kernel running, which 
69.  * generally means mapping in the kernel code. 
70.  * 
71.  * r8  = machinfo 
72.  * r9  = cpuid 
73.  * r10 = procinfo 
74.  * 
75.  * Returns: 
76.  *  r0, r3, r6, r7 corrupted 
77.  *  r4 = physical page table address 
78.  */  
79. __create_page_tables:  
80.     pgtbl   r4              @ page table address  
81.   
82.     /* 
83.      * Clear the 16K level 1 swapper page table 
84.      */  
85.     mov r0, r4  
86.     mov r3, #0  
87.     add r6, r0, #0x4000  
88. 1:  str r3, [r0], #4  
89.     str r3, [r0], #4  
90.     str r3, [r0], #4  
91.     str r3, [r0], #4  
92.     teq r0, r6  
93.     bne 1b  
94.   
95.     ldr r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags  
96.   
97.     /* 
98.      * Create identity mapping for first MB of kernel to 
99.      * cater for the MMU enable.  This identity mapping 
100.      * will be removed by paging_init().  We use our current program 
101.      * counter to determine corresponding section base address. 
102.      */  
103.     mov r6, pc  
104.     mov r6, r6, lsr #20         @ start of kernel section  
105.     orr r3, r7, r6, lsl #20     @ flags + kernel base  
106.     str r3, [r4, r6, lsl #2]        @ identity mapping  
107.   
108.     /* 
109.      * Now setup the pagetables for our kernel direct 
110.      * mapped region. 
111.      */  
112.     add r0, r4,  #(KERNEL_START & 0xff000000) >> 18  
113.     str r3, [r0, #(KERNEL_START & 0x00f00000) >> 18]!  
114.     ldr r6, =(KERNEL_END - 1)  
115.     add r0, r0, #4  
116.     add r6, r4, r6, lsr #18  
117. 1:  cmp r0, r6  
118.     add r3, r3, #1 << 20  
119.     strls   r3, [r0], #4  
120.     bls 1b  
121.   
122. #ifdef CONFIG_XIP_KERNEL   
123.     /* 
124.      * Map some ram to cover our .data and .bss areas. 
125.      */  
126.     orr r3, r7, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0xff000000)  
127.     .if (KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)  
128.     orr r3, r3, #(KERNEL_RAM_PADDR & 0x00f00000)  
129.     .endif  
130.     add r0, r4,  #(KERNEL_RAM_VADDR & 0xff000000) >> 18  
131.     str r3, [r0, #(KERNEL_RAM_VADDR & 0x00f00000) >> 18]!  
132.     ldr r6, =(_end - 1)  
133.     add r0, r0, #4  
134.     add r6, r4, r6, lsr #18  
135. 1:  cmp r0, r6  
136.     add r3, r3, #1 << 20  
137.     strls   r3, [r0], #4  
138.     bls 1b  
139. #endif   
140.   
141.     /* 
142.      * Then map first 1MB of ram in case it contains our boot params. 
143.      */  
144.     add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> 18  
145.     orr r6, r7, #(PHYS_OFFSET & 0xff000000)  
146.     .if (PHYS_OFFSET & 0x00f00000)  
147.     orr r6, r6, #(PHYS_OFFSET & 0x00f00000)  
148.     .endif  
149.     str r6, [r0]  
150.   
151. #ifdef CONFIG_DEBUG_LL   
152.     ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags  
153.     /* 
154.      * Map in IO space for serial debugging. 
155.      * This allows debug messages to be output 
156.      * via a serial console before paging_init. 
157.      */  
158.     ldr r3, [r8, #MACHINFO_PGOFFIO]  
159.     add r0, r4, r3  
160.     rsb r3, r3, #0x4000         @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)  
161.     cmp r3, #0x0800         @ limit to 512MB  
162.     movhi   r3, #0x0800  
163.     add r6, r0, r3  
164.     ldr r3, [r8, #MACHINFO_PHYSIO]  
165.     orr r3, r3, r7  
166. 1:  str r3, [r0], #4  
167.     add r3, r3, #1 << 20  
168.     teq r0, r6  
169.     bne 1b  
170. #if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)   
171.     /* 
172.      * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map 
173.      * in the 16550-type serial port for the debug messages 
174.      */  
175.     add r0, r4, #0xff000000 >> 18  
176.     orr r3, r7, #0x7c000000  
177.     str r3, [r0]  
178. #endif   
179. #ifdef CONFIG_ARCH_RPC   
180.     /* 
181.      * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE 
182.      * Similar reasons here - for debug.  This is 
183.      * only for Acorn RiscPC architectures. 
184.      */  
185.     add r0, r4, #0x02000000 >> 18  
186.     orr r3, r7, #0x02000000  
187.     str r3, [r0]  
188.     add r0, r4, #0xd8000000 >> 18  
189.     str r3, [r0]  
190. #endif   
191. #endif   
192.     mov pc, lr  
193. ENDPROC(__create_page_tables)  

在47行中我們可以看到：bl  __create_page_tables  就進入到了create_page_tables函數中去了，這個函數在上面的79行，將151行開始的代碼拿出來單獨分析：
#ifdef CONFIG_DEBUG_LL
 ldr r7, [r10, #PROCINFO_IO_MMUFLAGS] @ io_mmuflags
 /*
  * Map in IO space for serial debugging.
  * This allows debug messages to be output
  * via a serial console before paging_init.
  */
 ldr r3, [r8, #MACHINFO_PGOFFIO]
 add r0, r4, r3
 rsb r3, r3, #0x4000   @ PTRS_PER_PGD*sizeof(long)
 cmp r3, #0x0800   @ limit to 512MB
 movhi r3, #0x0800
 add r6, r0, r3
 ldr r3, [r8, #MACHINFO_PHYSIO]
 orr r3, r3, r7
1: str r3, [r0], #4   //這個循環把 phys_io 填充到 io_pg_offst 對應的 MMU 表項中
 add r3, r3, #1 << 20
 teq r0, r6
 bne 1b
#if defined(CONFIG_ARCH_NETWINDER) || defined(CONFIG_ARCH_CATS)
 /*
  * If we're using the NetWinder or CATS, we also need to map
  * in the 16550-type serial port for the debug messages
  */
 add r0, r4, #0xff000000 >> 18
 orr r3, r7, #0x7c000000
 str r3, [r0]
#endif
#ifdef CONFIG_ARCH_RPC
 /*
  * Map in screen at 0x02000000 & SCREEN2_BASE
  * Similar reasons here - for debug.  This is
  * only for Acorn RiscPC architectures.
  */
 add r0, r4, #0x02000000 >> 18
 orr r3, r7, #0x02000000
 str r3, [r0]
 add r0, r4, #0xd8000000 >> 18
 str r3, [r0]
#endif
#endif

上面藍色加粗部分的代碼是在哪裡定義的呢？它是在arch\arm\kernel\asm-offsets.c定義的，請看下面加粗的代碼：

int main(void)
{
  DEFINE(TSK_ACTIVE_MM,  offsetof(struct task_struct, active_mm));
  BLANK();
  DEFINE(TI_FLAGS,  offsetof(struct thread_info, flags));
  DEFINE(TI_PREEMPT,  offsetof(struct thread_info, preempt_count));
  ........
  ........

  DEFINE(SYS_ERROR0,  0x9f0000);
  BLANK();
  DEFINE(SIZEOF_MACHINE_DESC, sizeof(struct machine_desc));
  DEFINE(MACHINFO_TYPE,  offsetof(struct machine_desc, nr));
  DEFINE(MACHINFO_NAME,  offsetof(struct machine_desc, name));
  DEFINE(MACHINFO_PHYSIO, offsetof(struct machine_desc, phys_io));
  DEFINE(MACHINFO_PGOFFIO, offsetof(struct machine_desc, io_pg_offst));
  BLANK();
  ........
  .........

  return 0;
}

通過以上的DEFINE宏定義取出phys_io與io_pg_offst分別賦給了MACHINE_PHYSIO和MACHINE_PGOFFIO，這樣， phys_io 和 io_pg_offst 就建立了映射關系。

3. printascii 與 uart
printascii 函數調用了一個 匯編宏 addruart。 這個宏在 arch/arm/mach-XXX/include/mach/debug-macro.S 中定義。它的代碼一般是這種形式：
    .macro    addruart,rx
    @ see if the MMU is enabled and select appropriate base address
    mrc    p15, 0, \rx, c1, c0
    tst    \rx, #1
    ldreq    \rx, =SUART_BASE_PA
    ldrne    \rx, =SUART_BASE_UA
    .endm

顯然，這裡用到了在 head.S 中建立的映射關系。這個函數有些芯片並沒有去實現。這個函數只用於low level 的調試函數。