trace linux kernel source - ARM - 02

gogojesse

開始跳進去head.S之前
; j) Y5 l; u# @) o+ M先來看看bootloader
* }1 G( j4 H; q: L: E2 i! X5 |) g當板子通電,最先被執行到的通常是bootloader
透過它才有機會去改變載入過程
例如更換這次使用的kernel image
或者是選擇要用tftp download image還是從flash上的某個image跑起來
& ?5 ^' C0 P" _) a. @kernel為了讓這個變數盡量單純
因此linux也有限制bootloader必須在進入到kernel之前必須設置好的狀態

1. r0 = 0
2. r1 = architecture ID
3. r2 = atag list
4 R- i) @- a, B. o4. mmu off
5. I&D cache off

: o* L' u& Z3 V4 }$ M4 z# e如此一來kernel就可以在已知的狀態去講好的暫存器拿資料，有了這個概念有助於看head.S。
我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   
2.     115         .type   start,#function
   5 E- v) ?2 ~, O1 R
3.     116         .rept   8
   
4.     117         mov r0, r0
   ) g" k* q: ]& I
5.     118         .endr
   1 j+ i1 f0 t4 f$ D" J6 j1 Q# U! c
6.     119
   
7.     120         b   1f
   
8.     121         .word   0x016f2818      @ Magic numbers to help the loader
   
9.     122         .word   start           @ absolute load/run zImage address
   
10.     123         .word   _edata          @ zImage end address
    0 [; Q6 C8 t8 s" C; V
11.     124 1:      mov r7, r1          @ save architecture ID
    : V; l  r+ L1 r$ L, \8 c5 H
12.     125         mov r8, r2          @ save atags pointer

複製代碼

line 116~118, rept = repeat, endr = end of repeat, 意思是將move r0, r0的程式碼
( Y5 h2 M; _  d, e6 o6 y重複八次，也就是說build成kernel image的時候這邊一開始的code會有8個指令都在作
『move r0, r0』的事情，很怪!!還看不出是做什麼的。可能之後會看到如何被運用。
(有些文章寫說是作出中斷向量表的空間，我們這邊先不預先作猜測~)
& a9 b" W" [" i. Y  d
line 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。

! e  \' N) [4 @- D' ~0 F6 Iline 124, 125, 分別將r1, r2的資料丟到r7, r8存起來，回想兩件事情。
1. init.S執行的過程中，始終沒有用到r1, r2，那r1, r2的資料到底放著什麼東西。
7 a6 G6 Z1 ^& G* U8 o2. 一開始我們提到，bootloader會預先設定好狀態才跳到kernel，原來!!
  V7 m/ ~$ r" i/ ]0 E1 \) ]$ Ir1, r2就是bootloader準備好的。  

  B0 F) m5 f# _1 d這讓我想到一個問題，假設我們不想跑bootloader，是不是可以寫一小段程式碼，直接將
狀態設置好，就直接進入linux kernel呢??

1 @3 _: V" e. [# O  t" [6 _! Eline 121~123, 純粹將一些資訊記住，.start就是 kernel 起始位置，這邊看起來是
忽略掉init.S和initrd.S佔去的位置，直接將.start這個section當成kernel image的開始起點。
4 j2 U! O7 @: `% b! p# i' P9 K. t4 E
2 I8 ?* J* p" H4 Y/ i. J; u接著繼續往下看(我們預設arch已經超過v2，現在應該大多是v4以上)

1. 133         mrs r2, cpsr        @ get current mode
   % e) o. v) G2 j7 g3 g
2.     134         tst r2, #3          @ not user?
   8 t1 |2 g; j, m) z
3.     135         bne not_angel
   
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   
6.     138 not_angel:
   7 s8 s2 a: H& v0 _9 i
7.     139         mrs r2, cpsr        @ turn off interrupts to
   
8.     140         orr r2, r2, #0xc0       @ prevent angel from running
   
9.     141         msr cpsr_c, r2
   8 h+ x: c2 j6 T" y, `* ~
10.    

複製代碼

line 133, mrs 是特殊用來讀取cpsr和spsr暫存器裡頭紀錄processor模式值的指令，這兩個reg是
0 |$ A( R+ K. d4 o' D  @用來控制和表示processor目前狀態的。
1ine 134, tst = test, 看看r2是不是等於3。
/ {% |+ g5 Q5 i) d: z/ Tline 135, r2不等於3的話就跳到 not_angel 這個地方開始執行，記得以前有個angelboot可以用
. @8 Q6 d3 Y) z- B; ^1 N( k來boot armlinux，應該是angelboot會特別跑在3這個mode。
* J' O& Y" @* u- [: Tline 136, 137, 用來觸發angelboot裡頭的swi的function，作用應該是要切回去SVC mode。SVC mode
5 H" f6 Z- B. n0 l( Q是一開始ARM processor預設執行模式。

line 139~141, 用來關掉interrupt，避免被中斷booting的過程。(因為複雜一點的bootloader通
常會已經support很多driver，中斷也很頻繁。

jacky002

補充資料 - ARCH: ARM11 -> v5
4 U7 s1 ~# V- H# G可參考
7 \/ N1 ]% Z8 X. M% a0 Ahttp://tech.digitimes.com.tw/pri ... FE2482571DD006E9DC5
# a- L7 v* M- m- _5 O
建議可在加上UBoot or Redboot的部分，應該可以造福更多初學者。

gogojesse

原帖由 jacky002 於 2008-8-9 07:40 AM 發表
+ V' O9 b8 `/ }: a$ L0 h* D9 B建議可在加上UBoot or Redboot的部分，應該可以造福更多初學者。

9 s1 ]7 A& i, X, l- D! ?看完kernel應該會花上一些時間
8 S* ^( E# h0 z看看有沒有哪位大大要認領
. ^% \8 t" i' J! P開一篇bootloader的文章   

6 q) U, ~9 ^, u另外，有人要trace x86 or MIPS的架構應該也不錯
這樣主要的幾種processor都可以搞定
這樣要跨平台  跳槽也容易許多

gogojesse

程式繼續往下跑
這邊插點符號跳過文繞圖
5 q) C6 w) N3 ~.
& k( m7 G3 A: @9 U! B8 s.
; b% M0 M/ h9 i9 ]6 i! R.
.
  C0 n+ I" B4 Y3 y. M.
.
.
.
.
.

1. 157         adr r0, LC0
   
2.     158         ldmia   r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}
   
3.     159         subs    r0, r0, r1      @ calculate the delta offset
   
4.     160
   + W! ~& L* ]) ~+ j3 A& n" X! K
5.     161                         @ if delta is zero, we are
   
6.     162         beq not_relocated       @ running at the address we
   ' C. Q9 I$ q3 ^
7.     163                         @ were linked at.

複製代碼

1.     288         .type   LC0, #object
   # n/ a& f& |* Z
2.     289 LC0:        .word   LC0         @ r1
   
3.     290         .word   __bss_start     @ r2
   
4.     291         .word   _end            @ r3
   
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   
6.     293         .word   _start          @ r5
   - K5 k  }1 P* ?% N2 V- b0 |/ j
7.     294         .word   _got_start      @ r6
   2 \3 E$ j1 |  Y  t
8.     295         .word   _got_end        @ ip
   
9.     296         .word   user_stack+4096     @ sp
   0 G$ }, N8 S% M- ^
10.     297 LC1:        .word   reloc_end - reloc_start
    $ v4 z+ c/ x0 F& p
11.     298         .size   LC0, . - LC0

複製代碼

line 157, 將LC0的位址當作值放到r0。
line 158, 從r0指到的位址開始，將值依序讀到r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp, 其中 ip=r12, sp=r13
! M6 F( f2 X: Y; `: Q  z1 Eline 159, 將r0-r1，這邊的意思是說r0是真正被載入到記憶體上的address,r1是被compile完就已經決定好的位
. h/ I4 p$ W1 c1 ?址(也就是line 289中LC0這個symbole的address)，兩個相減，剛好可以算出『compile好』跟『被load到位址』
之間的offset，這樣做有什麼意義? 繼續往下看。
5 J, P- R+ a2 f( z6 I, a4 m
line 162, 如果相減等於0，表示載入的位址和complie好的位址是一樣的，那程式碼就可以被直接執行，要是不為0
) m9 R9 n6 H% O* A9 o4 T  J* V$ V的話，表示compile本來以為這些執行碼會被放到 r1 的位址，可是卻被放到r0的位址去，這樣一來，有一些預先compile好的程式碼，可以會找不到一些symbol的所在位置，因為整個image被load到不對的offset的地方。那...
6 z1 [+ r  N5 z$ x, O# U9 _. L$ k$ c1 i怎麼辦勒??

" Q" s) E6 p% _# X往下看

1.     172         add r5, r5, r0
   
2.     173         add r6, r6, r0
   
3.     174         add ip, ip, r0
   
4. 
   7 S1 ~; j: {1 l) @( P0 ]
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   0 M& H& F/ n2 [1 X) }1 L  s
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   # y& N! Y* q$ t5 @: l
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
   " T6 Y6 q- G% @! a4 f  j3 N: j
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   9 c+ ^$ k. r0 D0 |6 w* N* l: U' j
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   
10.     207         cmp r6, ip
    : a" D9 p6 m' F9 D, D
11.     208         blo 1b

複製代碼

line 172~174, 將r0這個offset，加到r5, r6, ip,也就是r5=zImage base address, r6=GOT start, ip=GOT end. GOT全名是global offset table, 它是ELF format執行檔裡面用來放一些和位址無關的code的地方。詳細的東西可以參照http://www.itee.uq.edu.au/~emmerik/elf.html。總之，可以看得出來我們將一些位址加上
了offset，很明顯的是因為我們載入的位置跟原本執行碼所預期的位址不同，因此必須做一些relocate的動作，若是不
做的話，很可能程式碼會拿到不對的資料，我是jump到錯誤的地方執行。

line 202~208, r1指向GOT table start，在沒有寫錯到bss區塊的情況下，將GOT裡面的資料都作relocate的動作。
line 203, 204,應該是用來避免r1只到bss區塊。關於BSS也必須參考ELF format的東西, BSS是用來放置，未經初始
化的變數的地方。
# t( O- K9 e( j3 {- F
1 S% e  I3 h7 g# [" T2 t4 @' Y以上，我們發現kernel意識到自己被載入到某個地方，並且查看被載入到的地方是不是和compile
time決定一樣，不一樣的話，自己手動修改一些需要做offset的資訊，等於是手動作relocate的事情。

gogojesse

放了兩天假出去happy  
" O" Z' |! B. _* S3 k4 [1 p2 u接著繼續trace

1.     211 not_relocated:  mov r0, #0
   1 @4 J! ~" A2 x( ?2 s( D+ O3 P5 b$ b
2.     212 1:      str r0, [r2], #4        @ clear bss
   1 t7 f+ D5 I* S
3.     213         str r0, [r2], #4
   
4.     214         str r0, [r2], #4
   
5.     215         str r0, [r2], #4
   
6.     216         cmp r2, r3
   
7.     217         blo 1b
   
8.     218
   
9.     224         bl  cache_on

複製代碼

恢復記憶一下，上次trace到kernel做了一些判斷，如果被載入的位址和compile time決定的位址不同，就會
自己做relocate的動作，將一些ELF binary的特定pointer和value加上offset。那做完初步的relocate之後要做什麼?
; ]7 L% Q% \; t5 F6 G; y7 x" ^7 q
) G5 j# p; O3 g9 i4 Hline 212~215, 都是做store的動作，把r0存到r2所指到的位址，做完之後r2=r2+4。r2= bss start的位址.
換句話說，開始將bss裡頭的值都初始化成0。
lin3 216, 217, 確認一下是不是到了bss的底部,不到底部的話，jump到line 212繼續做搬移的動作。

5 T/ M! z" I! bline 224, 做完bss初始化，jump cache_on

1.     328 cache_on:   mov r3, #8          @ cache_on function
   
2.     329         b   call_cache_fn
   9 `4 @" f' k0 E6 G2 C
3. 
   
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   % Q# s0 l! R& [9 G
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   + t  y5 r( h/ Z) _+ o' E* X$ ~
6. 
   3 c0 O8 @0 Y9 F/ D& z
7.     543 1:      ldr r1, [r12, #0]       @ get value
   
8.     544         ldr r2, [r12, #4]       @ get mask
   / d+ I" f% }2 A6 A
9.     545         eor r1, r1, r6      @ (real ^ match)
   
10.     546         tst r1, r2          @       & mask
    
11.     547         addeq   pc, r12, r3     @ call cache function
    
12.     548         add r12, r12, #4*5
    $ n6 u2 s! s. ]. T9 L
13.     549         b   1b

複製代碼

line 328, 將r3填入8, 不知道r3會拿做什麼用，繼續看。
line 329, jump到call_cache_fn。
" S( i. b- g: {# C0 x# `' A6 kline 537, 將proc_types的位址讀到r12。
2 P( t# P6 g1 @' a1 {  r& [/ oline 539, 將coprocessor裡頭的CPU id讀出來放到r6
line 543, 544, 將r12所指到的第一個位址的資料放到r1, offset 4bytes的資料放到r2，我們可以先觀
察一下proc_types的長相(如下)，註解上面寫了很多arm的家族的名稱，例如arm 6, armv5te等等，而且不
7 a- E2 X" |8 l$ d9 I& a8 E) p# ?難發現都是先兩個.word，然後跟著三個『b xxxx_cache_xxx』，感覺很像是一組一組的資料。
line 545, 546, 將r6裡頭的CPU ID和讀出來的r1做exclusive OR，並且取mask，看看是否相等，相等的
2 X  S% J* I0 W話，就將pc設定r12+r3。換句話說，就是用CPU ID去確認值是否相等，值相等的話，就jump到r12+r3的位址。
line 548, 549, 不相等的話，就把r12加上5x4byte的offset跳回去繼續找。
整理一下，這邊的程式碼就是去proc_types的地方，比對CPU ID，比對成功的話，就呼叫該筆資料裡面的
9 m" _' G! F- J* \3 xcache function，至於呼叫第幾個function，就由r3控制，那所有CPU對應到的data structure就
從proc_types開始。
& ?! L0 z7 j3 J+ y! O( }# P
以ARMv5TE來說，r3=8，就剛好是cache_on的function。所以我們知道如果我自己發明了一個新的ARM CPU，也弄了一個新的id，這邊就需要修改出相對應的CPU的infomation，不然可能會找不到CPU ID。

1.     566 proc_types:
   . O8 @" p# F5 o
2.     567         .word   0x41560600      @ ARM6/610
   & O/ l4 v) X- ]3 [) u. q$ y
3.     568         .word   0xffffffe0
   
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   $ b1 P! f7 c9 ~& S- Q) t
6.     571         mov pc, lr
   ' [% A- X: u8 I" n3 s
7.     ......
   9 z7 G5 [/ K  R2 \$ P0 Z
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
   
9.     641         .word   0x000f0000
   - p/ o" I5 C7 ]( b' X6 m8 T0 X
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    ! a$ a, v) y' i- S, i0 i. s; W+ g
12.     644         b   __armv4_mmu_cache_flush

複製代碼

到這邊我們，找到了CPU對應的cache on的function，必且要準備呼叫它。

rogerho

很棒的分析....讓我能有機會可以瞭解bootloader的一些流程.............感謝

gogojesse

很棒的分析....讓我能有機會可以瞭解bootloader的一些流程.............感謝

$ p& X2 f, R  g0 a* K謝謝  
最近突然忙起來
改天有空再繼續study....
9 b1 p; l% V3 v) k
另外，這篇是kernel booting的過程的程式碼，應該不能稱呼bootloader，不過
有些概念跟bootloader差不多，可以幫助閱讀bootloader的code就是。  

gogojesse

忙了好一陣子∼
之前trace到 ./arch/arm/boot/compressed/head.S的 line 224
呼叫了cache_on之後就沒寫了
" B3 X; F; f0 e+ f) m" ^* N現在接著開始
, l) ]6 y: {3 I
首先我們偷看一下code，
- n# R- I) e( fline 226, 將sp的值放到r1。
line 227 將sp的值加上0x10000放到sp。

$ g1 U5 J, b- w9 d% g為什麼kernel之前花了一些功夫將自己relocate到某個位置之後，要把cache打開，然後要開始對stack pointer(sp)做動作？目前還看不出來，所以接著trace下去。
( p3 z% m& i" y/ t1 O& K* y/ ?
: W) A5 v6 I3 c- i. Jline 238，比較r4和r2的值，r4的值從line 158載入之後就一直沒被用到過，這個值是從一些makefile或是被makefile include進來的，然後在linking time的時候會被帶入，每個平台不一定一樣，通常你可到./arch/arm/mach-xxx/Makefile.boot去設定，這個值是用來指定kernel應該要被load到哪個位址上面執行。以omap1來說，
zreladdr-y       := 0x10008000
, @! q8 ~% ?, T" S. `1 l就是表示kernel會被載入到 0x10008000 的地方。這邊將r2和r4比較的用意是看看sp+0x10000之後會不會超過zreladdr的位置，應該是怕stack爆掉了會蓋到kernel的地方。(記住我們現在的kernel其實還在壓縮狀態，zreladdr是指解壓縮完要開始執行的狀態。）

line238~line243, 比較了r4和r2，假如不會蓋到，就會跳到wont_overwrite去執行，假如會蓋到，就看目前sp到之後解壓縮image位址之間的距離有沒有比image四倍的大小來得大，假如有，表示空間還夠用，還是可以跳去wont_overwrite去，假如不到四倍大，就跑到line 262去把kernel搬到遠一點的地方，試看看能不能正常boot起來，line262先不做解釋，一般來說位址設錯的話，這邊的correction失敗的機率還是很大，著眼在correction的意義不大。所以我們就直接跳去wont_overwrite吧！

1.     226         mov r1, sp          @ malloc space above stack
   
2.     227         add r2, sp, #0x10000    @ 64k max
   
3. 
   9 c# t  q: }& R; R
4.     238         cmp r4, r2
   5 [3 u- V% v4 n5 F/ W
5.     239         bhs wont_overwrite
   6 v+ _4 k) l( p7 I$ o
6.     240         sub r3, sp, r5      @ > compressed kernel size
   - D' E( B  q9 E) J6 ~. x) r$ j
7.     241         add r0, r4, r3, lsl #2  @ allow for 4x expansion
   , R9 M( V! H* \6 V/ g: `5 ~' i) c0 _
8.     242         cmp r0, r5
   
9.     243         bls wont_overwrite
   
10.     244
    , M5 Q) @8 e8 \/ ~% q, G
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    / @5 p# E/ j) T# q# q
12.     246         mov r0, r5
    # `% m' l- P& p
13.     247         mov r3, r7
    
14.     248         bl  decompress_kernel
    
15.     249
    2 U' @2 V' Q( D
16.     250         add r0, r0, #127 + 128  @ alignment + stack
    
17.     251         bic r0, r0, #127        @ align the kernel length

複製代碼

跳到wont_overwrite之後，當然就是要開始把kernel解壓縮，
line 283,把r4搬到r0,r4就是我們剛剛說的kernel被解壓縮之後的位址。（也就是解完之後應該要執行的位置）
$ a4 i6 e$ t  P4 S) S; aline 284,把r7搬到r3,r7從一開始讀進來之後，也沒用過，理論上是architecture ID。
" t& _5 m$ F/ q. F2 V$ R% [8 ]2 Nline 285,是跳到decompress_kernel，這邊我們發現decompress_kernel是被定義在misc.c檔，所以這是第一次從assembly code跳到c code的地方。這樣一來我們就知道原來剛剛要把cache打開和設定好sp的用意，原來就是為了要執行c code，因為c的程式碼有固定的執行方式，會需要用到sp，這部份可以參考『procedure call standard for the ARM architecture』，這也是r4和r7被搬到r0, r3的原因，因為r0~r3是用來傳遞C function的參數用的，r0就是arg0, r1=arg1, etc.

1.     283 wont_overwrite: mov r0, r4
   
2.     284         mov r3, r7
   
3.     285         bl  decompress_kernel
   & g7 a; o6 Q! g1 O8 g) V. {
4.     286         b   call_kernel

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偷看misc.c

1. 346 decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr, int arch_id)

複製代碼

果然r0~r3就是的參數。

gogojesse

由於解壓縮不是我們的重點
; u: S2 `  m5 W  ~沒有trace
2 C- W) O4 `& E5 E4 |) Y2 h. E假設一切都順利
3 a7 c5 `& \% N% B# U, r: Idecompress_kernel結束後
% z: {3 v* M$ {2 T2 \我們就得到一個解壓縮完的kernel放在r4指向的位置
% i; l8 i+ C7 \$ ]- lline 286,會jump到call_kernel，如下:
- `7 ]8 ]9 ?8 U4 P7 \line 516, flush cache
/ l% ?+ {. x0 V7 q' Nline 517, 關掉 cache
9 ~* [+ d' T! ]& hline 518~520,將r0, r1, r2分別填值。
* i* a5 ^! o. A; O0 r! ?$ j! aline 521,將program counter指到r4，也就是解壓縮的kernel的一開頭。

0 Q) N) l! P1 M% d* f" W  e到這邊我們終於結束head.S的工作，解壓縮並且跳到另外一個object code的開始。跳到解壓縮的開始位置，究竟會進入哪一個function？

1.     516 call_kernel:    bl  cache_clean_flush
   
2.     517         bl  cache_off
   
3.     518         mov r0, #0          @ must be zero
   9 k7 Z* u6 h2 B  P  b2 u
4.     519         mov r1, r7          @ restore architecture number
   : z2 j8 h2 {! k2 O1 W
5.     520         mov r2, r8          @ restore atags pointer
     J9 f+ t9 o# g5 g
6.     521         mov pc, r4          @ call kernel

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kkbbs

很棒的分析....
0 z. B3 ]8 W+ |- x, Q+ K) K非常據有參考價值
感謝大大分享    感恩

gogojesse

原帖由 kkbbs 於 2008-10-11 10:39 PM 發表
很棒的分析....
0 J0 r8 h- u8 u, K非常據有參考價值
感謝大大分享    感恩

+ w6 G% W3 x& `
' B( ~; y9 n+ r+ t) S謝謝  
有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
" ~) o, K7 |3 a% `% V歡迎提出來一起想想...