trace linux kernel source - ARM - 01

gogojesse

昨天下載了linux-2.6.26的kernel source
3 j, o: C+ ~( m$ d/ J' ]打算trace一下 (以ARM為例子)
看看能不能多了解一下kernel booting時候的一些動作
一些文章提到是從/arch/arm/boot/bootp/init.S開始
所以節錄了一些下來

     19         .section .start,#alloc,#execinstr
$ N; ]+ l( S* u& j     20         .type   _start, #function
) ]1 B: E: f" A+ N3 @4 Q     21         .globl  _start
( }- f  Z$ ?( y5 @     22
7 q2 t4 @$ A6 i1 q2 J' }5 i     23 _start:     add lr, pc, #-0x8       @ lr = current load addr
* b5 n( _) v, l* J* F. p     24         adr r13, data
$ g# _+ g% [& w, h3 S6 U     25         ldmia   r13!, {r4-r6}       @ r5 = dest, r6 = length
     26         add r4, r4, lr      @ r4 = initrd_start + load addr
! [, ^# R4 S- X, A     27         bl  move            @ move the initrd
     .....
     76         .type   data,#object
     77 data:       .word   initrd_start        @ source initrd address
$ c, k5 n+ l: h* }' |* |     78         .word   initrd_phys     @ destination initrd address
     79         .word   initrd_size     @ initrd size
     80
3 y5 d( H5 W- _+ ?8 U9 t' ~
  i# _9 |2 ?" C/ S5 B4 {- G4 yline 19,宣告了叫做.start的section
9 {4 A7 j& D5 E8 [$ sline 20,21宣告了一個叫做_start的function
5 c. k- I. {0 f  r# N程式碼似乎從line 23開始
1 y  K. w( o, r# H! cline 23, 『add lr, pc, #-0x8』
add就是將pc+(-0x8)的結果放到lr之中，pc和lr都是ARM裡頭暫存器
pc就是program counter，CPU用來指著目前要執行的指令，執行完CPU就會自動把PC+1
這樣就會拿到下一道指令，lr通常是第14個register, r14，常被用來繼續function
2 h2 ~& c% Z! O' C  ^- h2 K- Breturn時候的返回位置。奇怪的是為什麼要-0x8??
原因應該是ARM本身有pipeline的設計，prefetch->decode->execution，當指令被執行
的時候，其實已經預先去偷偷抓下一道，所以PC值不是真的指在目前執行的地方，三級
pipeline剛好多了兩個cycle所以4 bytes x 2必須要-8才是正在執行指令的位址。

line 24, 『adr r13, data』
9 L6 n4 D; N/ Q9 Xadr會去讀取data所在的位址當作值，寫道r13裡頭。r13通常是用來放stack pointer，
5 c4 C, a, ]+ v! P' N" `1 H常縮寫成sp，所以現在r13就指到data所在的位置上去。

4 }( y0 B* V+ |8 c: y6 F3 g# ^! Mline 25, 『ldmia   r13!, {r4-r6}』
) t9 H  l0 c* {ldmia, load multiple increment after,顧名思義就是可以做很多次load的動作，每此
- O0 E& x* o# ^load完就把位址+1，執行完之後
r4 = initrd_start
r5 = initrd_phys
r6 = initrd_size

line 26, 『add r4, r4, lr』
r4 = r4+lr, lr是剛剛我們算過的，指到一開始執行指令的地方，看程式碼的解釋，被當
成載入的位址，所以執行完 r4 = initrd_start+程式被載入的位置，用途不明，看看之
$ j* x# _. b+ P4 ^7 y後有沒有被用到。
) V% Z  ^  M, x4 d7 e/ x7 d6 y
line 27, 『bl  move』
bl, b是branch，相當於C語言goto的動作，l就是goto之前，先把目前位置存放到lr裡面，
3 [/ D5 `7 ?0 \( b& O. y所以bl除了goto之外，也改寫了lr，應該是有利於等一下返回的時候，可以用lr的值。

( ~  u, A1 F( h( A以上，好像還沒開始什麼重點，有空再繼續，有想錯的地方或是需要補充的地方，多多指教~

gogojesse

上面的 code 裡面出現了一些還沒定義的symbol
* S' \* i$ p! ~3 y; {5 z2 a例如 initrd_start, initrd_size等等
, d3 T3 d% d, g  B3 X) _; J其實是被定義在另外一個檔 ./arch/arm/boot/bootp/initrd.S
: n) A% S, t$ X) o) \2 q% N
      1     .type   initrd_start,#object
      2     .globl  initrd_start
      3 initrd_start:
      4     .incbin INITRD
2 j0 S' Y- k1 X% G9 {, W      5     .globl  initrd_end
7 d0 J" W" o  M  `      6 initrd_end:
8 Q' A; y, |) C
/ a# {" p8 H% l8 o  t$ fline 2, 3, 5, 6定義了兩個symbol initrd_start和initrd_end
中間還用.incbin INITRD 將 ramdisk 的 image include進來
這邊有點複雜
! y( ^9 o$ ~3 C假如compiler kernel的時候
/ y% s6 F& Y' c( d2 L有選擇使用ramdisk當成boot device的話
# W9 E: |( ^  p會對從環境變數去設置 INITRD
這個檔名會被帶入到MAKEFILE
4 W* {3 K) t8 p# Z* I5 M* c* w並且在做assembler動作的丟進來
5 \0 _! F7 D; j, |& G假如沒有使用initrd
那就.incbin應該就包不到東西
2 C" B% u  V- e6 Dinitrd_start 和 initrd_end 就會相等
2 ^8 f3 y- _- I/ V( {
另外有個 script ./arch/arm/boot/bootp/bootp.lds
它規範了所有link起來的object code裡面的section要怎麼編排
' M3 B+ \8 h* _+ B% m( N' V% s這樣撰寫kernel的時候
可以到特定的section取得想要的資料或是計算某個section的大小
& A( A5 g  @- |- z! f7 z. c) e
     10 OUTPUT_ARCH(arm)
     11 ENTRY(_start)
5 q3 s2 z5 l* G  X+ s5 P8 M     12 SECTIONS
     13 {
) e" o! c/ R* s     14   . = 0;
1 |- h: e( C' t! X& k& H* I' f. L5 G     15   .text : {
7 g! I% F8 G; @' j2 o2 u+ P0 J     16    _stext = .;
     17    *(.start)
' j) r8 ]4 g0 M" S, A" n" k     18    *(.text)
8 U/ _6 {$ Y6 X6 h/ c     19    initrd_size = initrd_end - initrd_start;
     20    _etext = .;
     21   }
     22
/ W" H; J: k* T1 q0 s/ h     23   .stab 0 : { *(.stab) }
+ m( ?8 j' u0 ]  C     24   .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
, L; a$ V" D" C7 F8 y7 ?( ~     25   .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
& g# [% w/ i0 I9 L& i' u     26   .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
- G; D# Q9 T7 }2 X8 l* `     27   .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
     28   .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
     29   .comment 0 : { *(.comment) }
  ^+ T' I8 M# D7 e. W1 z     30 }

對於object file的格式不熟悉的話
可以參考ELF format的相關文件

gogojesse

接著繼續看 init.S
, r7 e4 g9 i/ E& Y9 m& `之前的code已經goto到move這邊來
: k: r# w. z7 M. c# W# A所以貼一些move的程式碼

     66 move:       ldmia   r4!, {r7 - r10}     @ move 32-bytes at a time
     67         stmia   r5!, {r7 - r10}
0 I; F/ @- r. V1 ~/ k     68         ldmia   r4!, {r7 - r10}
     69         stmia   r5!, {r7 - r10}
! M# }& p$ h5 y3 Y- x; V' X, \: ?     70         subs    r6, r6, #8 * 4
     71         bcs move
     72         mov pc, lr

; d% V) m% R" S3 Jline 66, 將r4所指到的位置，分別將值讀出來放到r7, r8, r9, r10, 可以發現剛剛計算過的r4這邊被
用到了，但是為什麼r4不是用initrd_start，卻還要加上load addr??
原因應該是bootp.lds的14行『. = 0;』表示最後被link好的address會從0x0開始
0 ]* O- U2 W8 ~, j所以 initrd_start 所記錄的位置可以當成是offset
/ l% w3 P3 ^6 h# W1 u% |3 N  ~* d加上load到DRAM或是擺在flash上的位址後
0 \6 E& j9 s$ \% C2 y$ Z5 X就剛好是initrd所在的地方
* n, }( b3 L( ?1 x- D
line 67, 『stmia   r5!, {r7 - r10}』
8 {& G& u3 ?3 a8 S& W! qstmia, store multiple increment after, 和ldmia動作相同，只是用來寫資料。
r5是存放著initrd要擺放的位置
猜測應該是為了一開始image放在flash上，但是可以將initrd拷貝到DRAM上
5 o' B# t" P( @( P/ Or7寫到r5指到的位置
+ E. V/ N' n4 _% B" l7 j  p7 P2 Cr8->r5+1
r9->r5+2
' b; c" Z( ?0 n8 Ar10->r5+3
所以我們發現，66,67行就是將r4所指的東西搬到r5。

line 68, 69也是一樣copy了4x4bytes，一共是32bytes。
) P: F0 ^4 h! Y! W) Q& Y* S5 ]line 70,『subs    r6, r6, #8 * 4』，將length - 32bytes
line 71,『bcs move』，b是branch的意思，cs是表示condition的條件，要是條件符合的話，
) k8 ^5 s* I' f: p) m; R8 ?' y9 J( [; B就做branch的動作，這邊的用意是判斷前一個length是不是已經到0，如果不為零就繼續copy。
line 72,『mov pc, lr』
: l" x, m7 P3 A接著就把剛剛bl指令預先存放好的lr 填入pc，這樣CPU就會跳回去原本的return address。
, D, q( c' s+ H- i0 A
1 W! ^. _. g( P, A( \. [9 h以上的動作，慢慢看得出來有在做些什麼事
2 R) Q8 p2 U0 t1 z1. 找出initrd的所在位置
2. 將它copy到一個指定的destination去

gogojesse

程式返回之後
' _* E' E1 L0 M1 @) @我們接著看下一行

1.      33         ldmia   r13, {r5-r9}        @ get size and addr of initrd
   
2.      34                         @ r5 = ATAG_CORE
   6 w, Z7 e7 l7 @
3.      35                         @ r6 = ATAG_INITRD2
   % h4 K* C+ \& U. u
4.      36                         @ r7 = initrd start
     q3 U7 b  ]+ }- v% L8 V' H/ y
5.      37                         @ r8 = initrd end
   
6.      38                         @ r9 = param_struct address
   ) P1 Y& G" H( i2 M3 T6 O
7.      39
   
8.      40         ldr r10, [r9, #4]       @ get first tag
   5 |  C8 t0 H0 p8 v$ B7 K
9.      41         teq r10, r5         @ is it ATAG_CORE?

複製代碼

line 33, 繼續從r13的地方取出資料到r5, r6, r7 ,r8, r9，註解的說明有提到各個資料
的意義，注意一下這邊的r7是initrd的destination address不是source address。

& t: j; M# }3 tline 40, 讀入第一個tag，這邊的tag是指bootloader丟給kernel的一個boot arguments，
, U. W: ?! ?8 w會被用一個叫做ATAG的structure包起來，並且放到系統的某個地方。然後kernel跑init.S，
& Q- d. h6 t9 n  z的時候就會去這個地方拿ATAG的資料，這些資訊包括記憶體要使用多大，螢幕的解析度多大等等。

line 41, t是test, eq是equal, 判斷拿到的第一個tag是不是等於atag core. 應該是看
atag list 是不是成立的。
6 F/ k( H6 @! ~& N0 ^$ C1 ~
: b2 n+ ~; h& {5 ]5 d1 A; s. G7 T繼續接著看

1.      45         movne   r10, #0         @ terminator
   
2.      46         movne   r4, #2          @ Size of this entry (2 words)
   
3.      47         stmneia r9, {r4, r5, r10}   @ Size, ATAG_CORE, terminator

複製代碼

發現45, 46, 47的指令都帶有condition "ne", not equal,表示是剛剛 line 41發現atag不成立
所做的事情，注釋是寫『If we didn't find a valid tag list, create a dummy ATAG_CORE entry.』
所以以上三行就是用來創造一個假的entry，假設一切順利這三行指令會bypass過去不會被執行到。

- T8 H! U- C/ G+ u1 K接著來看init.S最後一段程式碼 (終於~)

1.      54 taglist:    ldr r10, [r9, #0]       @ tag length
   1 W& m; |% [; U  b9 \
2.      55         teq r10, #0         @ last tag (zero length)?
   % M- k3 ]) b- q- f/ N' C5 Y& `
3.      56         addne   r9, r9, r10, lsl #2
   $ M! g/ F! k: v
4.      57         bne taglist
   8 e0 u/ G2 E* f
5.      58
   8 f2 J3 o1 p5 p% _
6.      59         mov r5, #4          @ Size of initrd tag (4 words)
   
7.      60         stmia   r9, {r5, r6, r7, r8, r10}
   
8.      61         b   kernel_start        @ call kernel

複製代碼

line 54, 將r9指到的位址的offset 0x0的值載入到r10。看註解是tag length，所以這邊得要去翻翻atag的規範
/ S! e% @* C5 F這邊有個文章有提到 http://www.simtec.co.uk/products ... ooting_article.html ，一開
! M8 W$ c8 @4 n- s- l/ _2 u始應該是去讀atag_header所看第一個欄位，確認一下是size，應該沒問題。

1. struct atag_header {
   / G; j9 w( W( q3 S3 {
2.         u32 size; /* legth of tag in words including this header */
   
3.         u32 tag;  /* tag value */
   
4. };

複製代碼

line 55,測試一下size是不是0。
# T: |+ q+ d" O# ]1 c6 }line 56, 57也有condition ne,表示是不為0的時候做的。將拿到的length(r10)乘以4，這邊的lsl是將r10往
+ k- D+ V$ h0 K. H8 |左shift的意思,因為一個欄位是4bytes，所以乘4之後就跳到下一個tag，一直跳到最後沒東西。
* c" M! K5 g7 b1 [7 e1 H' H2 q
! _+ `+ z7 S* w+ d: hline 59, 將r5設成4
' F/ _! d) E( k9 [. M$ a2 \4 Lline 60, 將r5, r6, r7, r8 ,r10存到r9所指到的位置，應該就是跟在atag list的後面。
7 s& Q7 V$ d. m2 n8 |8 D  ^: c3 aline 61, jump 到 kernel_start ，注意這邊是用b而不是bl，因為跳過去kernel就不需要返回了。BL會用到
1 ?0 ]' N+ Z# U- y6 o0 Llr紀錄返回位置。
$ y8 ^0 g6 `% Y  T2 P8 c3 _$ T
以上，走過一整個init.S,接著會跳到./arch/arm/boot/compressed/head.S。

kernel_start的定義方式跟initrd_start有點類似，中間有透過 kernel.S去用.incbin把kernel image包進來。

jacky002

好一段時間沒有碰程式了，看到你的分析讓我想起年輕時候的我 ~~~~ 還是不要透漏年齡

gogojesse

原帖由 jacky002 於 2008-8-9 07:44 AM 發表
好一段時間沒有碰程式了，看到你的分析讓我想起年輕時候的我 ~~~~ 還是不要透漏年齡

$ U. ^8 f( `* e9 h& \7 u9 e9 w
& U+ n8 R, g2 a6 ?9 d有些時候  東西是越陳越香啊~~
...........

gogojesse

剛剛發現一個大陸網站的blog貼了我的文章
% ]8 T4 h. C6 I6 j但是沒表明出處 = =
還把標題改過，感覺像是他自己寫的
真是麻煩~

已經好幾次這樣的經驗
2 _- e3 R5 Z5 q- N4 h. z2 K以前幫忙有弄網站也是這樣
抄襲得很嚴重
* z9 q1 ?1 v0 h內地那邊到底有沒有在管啊!!