trace linux kernel source - ARM - 02

gogojesse

開始跳進去head.S之前
先來看看bootloader
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
( _! Z5 J. ?. i. F: M+ o或者是選擇要用tftp download image還是從flash上的某個image跑起來
kernel為了讓這個變數盡量單純
  g: a. |& U1 E/ L9 M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
: V0 [. |  u/ N- G* Q5 X! j+ B" l
1. r0 = 0
2. r1 = architecture ID
3. r2 = atag list
) D& k* u! t) k7 Z  F: q4. mmu off
7 W# Y; t5 K: H( r) e5. I&D cache off
% R8 W$ c' u5 d3 s* ~  o0 f- ~6 c
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。
" ~& M. t# a  a: w) D我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   
2.     115         .type   start,#function
   $ L- @4 g# \& w. b' a
3.     116         .rept   8
     w4 L! h$ w# H* c& a" O" o9 M
4.     117         mov r0, r0
   
5.     118         .endr
   9 j: _+ k$ R* f& g
6.     119
   5 q4 z, w4 y/ X" V
7.     120         b   1f
   ) {3 m5 z7 q/ C6 _1 u
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
    
11.     124 1:      mov r7, r1          @ save architecture ID
    
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
' H& I, l, y1 F# Q6 S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~)

2 j/ Z) V+ C' D+ R- Q+ Uline 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。
( G8 U8 h: N. @6 J$ E+ j  j
line 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。
, [0 h: t( E: P+ h% u2. 一開始我們提到，bootloader會預先設定好狀態才跳到kernel，原來!!
r1, r2就是bootloader準備好的。  

+ j' \9 T: v$ u5 T- m6 z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 X, r0 a4 |7 Y* k  y+ F
$ Q/ \5 \5 q2 Bline 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。

; w9 z7 J- i/ |- K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
   " o2 |7 d9 m! ~9 P, w
2.     134         tst r2, #3          @ not user?
   & K- |- {/ |& H+ y9 S
3.     135         bne not_angel
   
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   % F% M2 B/ |6 N: {* ~4 {
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   
6.     138 not_angel:
   
7.     139         mrs r2, cpsr        @ turn off interrupts to
     |  r: A1 v+ M! O2 m5 P
8.     140         orr r2, r2, #0xc0       @ prevent angel from running
   
9.     141         msr cpsr_c, r2
   & @# K/ h) d8 B
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
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。
line 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
來boot armlinux，應該是angelboot會特別跑在3這個mode。
; B* a% m" a% B5 y+ ~) p# \+ i/ ?  Iline 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
/ C' l  C. O  ^6 E  I1 o! }' O是一開始ARM processor預設執行模式。
- w4 c: E8 U' R) O9 m0 l) g  A
$ z. u' Q% X2 r# ?% k& F) gline 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
5 \( u; i: @! Y' {' ~+ U常會已經support很多driver，中斷也很頻繁。

jacky002

補充資料 - ARCH: ARM11 -> v5
可參考
http://tech.digitimes.com.tw/pri ... FE2482571DD006E9DC5

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
6 d; G% E. l2 c- v3 I2 h建議可在加上UBoot or Redboot的部分，應該可以造福更多初學者。

% p6 L" A- p; w/ }
看完kernel應該會花上一些時間
: W+ H5 X; R4 N# k( P看看有沒有哪位大大要認領
( z, v" ~5 p. R/ T4 r  d開一篇bootloader的文章   

8 A+ D# B1 O  ^1 d' \* O8 t另外，有人要trace x86 or MIPS的架構應該也不錯
) M- f( l: r0 r. t$ C+ I7 o; x$ |) j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
.
.
2 E, c) h: a! Y; j, W7 R.
.
.
.
) ~4 O/ Z4 C% S' ?2 I.
.
.
; i( \9 u" N# F5 T3 C.

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
   " \3 }3 B# c- x: g
5.     161                         @ if delta is zero, we are
   
6.     162         beq not_relocated       @ running at the address we
   # O# J) U0 U* i7 F! S) j1 d" d
7.     163                         @ were linked at.

複製代碼

1.     288         .type   LC0, #object
   
2.     289 LC0:        .word   LC0         @ r1
   ) S$ m% T9 W' e7 D$ C8 z
3.     290         .word   __bss_start     @ r2
   
4.     291         .word   _end            @ r3
   ' f; [1 X4 E6 h, h6 j' T
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   
6.     293         .word   _start          @ r5
   
7.     294         .word   _got_start      @ r6
   6 M5 T6 G1 q' }5 w
8.     295         .word   _got_end        @ ip
   % R& [/ C% [' q- A( U
9.     296         .word   user_stack+4096     @ sp
   2 \: k, N7 M4 \9 d$ m2 L" c
10.     297 LC1:        .word   reloc_end - reloc_start
    
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
line 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
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。

8 V3 y- d+ \5 N0 C. W* pline 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
4 Y" ^" Q5 u# W2 J# z# v1 l. s% E2 j  J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...
怎麼辦勒??

/ m+ u- k$ o+ Z: R往下看

1.     172         add r5, r5, r0
     q( h; a7 z$ n
2.     173         add r6, r6, r0
   9 K$ D- q# H, _+ F7 y
3.     174         add ip, ip, r0
   
4. 
   + @' ^" A; ?9 M5 F& [% y6 h
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   8 c" \8 k6 W! w; l
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   $ j4 u/ o9 e% g& v8 S
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
   % p, A' |9 z# ]. |' B5 Y
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   
10.     207         cmp r6, ip
    
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
5 C1 c/ E8 x: K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
$ p! f$ h  \8 R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。

, [% w8 k( M% c8 Z; Wline 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
- k& J8 [7 _9 x9 E- u+ u化的變數的地方。

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
  s7 O5 L# o  i7 F; }* gtime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  
1 P2 }4 |6 i$ w+ @; I: E; |4 Y接著繼續trace

1.     211 not_relocated:  mov r0, #0
   
2.     212 1:      str r0, [r2], #4        @ clear bss
   3 q) d6 L# r2 M' i# k, P5 I6 n0 n
3.     213         str r0, [r2], #4
   / y/ n: x& Z1 d% J  H
4.     214         str r0, [r2], #4
   
5.     215         str r0, [r2], #4
     N: K* o6 r# I
6.     216         cmp r2, r3
   
7.     217         blo 1b
   , D. S3 i5 E. Q
8.     218
   . [! N2 `+ y* ]! p0 G
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
  I* w" v+ u( W1 Y' k" D; Z+ C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?
: U& u( Q; h2 [6 E. Q
line 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.
  V2 F) }) \2 J* h0 N換句話說，開始將bss裡頭的值都初始化成0。
) x1 C5 F( m9 ?: ilin3 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。
6 u5 D/ a& Q8 q
, |( A1 r2 q3 y! C: k9 Wline 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
   
3. 
   
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   
6. 
   * S0 P! s1 B" F
7.     543 1:      ldr r1, [r12, #0]       @ get value
   
8.     544         ldr r2, [r12, #4]       @ get mask
   
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
    1 |% ]" X' y( k; T
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。
1 g7 M. z% G' ]# o9 ?& z2 w1 Wline 329, jump到call_cache_fn。
" u: A1 A! z8 r( f: rline 537, 將proc_types的位址讀到r12。
line 539, 將coprocessor裡頭的CPU id讀出來放到r6
. I% D0 V% _# E0 a' S: `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
0 }3 O6 ]$ X2 ^9 z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
  Z3 ?- x+ I1 B5 u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
! B  d3 J+ g* f' h% Z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。
2 p2 D9 i: j9 D5 w9 O5 [. b5 `line 548, 549, 不相等的話，就把r12加上5x4byte的offset跳回去繼續找。
' ~% i+ I% J" N2 l7 E9 m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
% t3 q2 c. V' u% B; ~% i: U) ucache 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
% D& f, N# {" q從proc_types開始。
7 W5 C) L6 C+ U. l
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:
   
2.     567         .word   0x41560600      @ ARM6/610
   8 k3 y- ?& o4 {  f  k
3.     568         .word   0xffffffe0
   
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   
6.     571         mov pc, lr
   
7.     ......
   
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
   
9.     641         .word   0x000f0000
   8 D  X, K+ @$ t2 K" i4 p
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    * J7 l6 V/ O4 n, x8 x
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

5 Y9 p& a$ g% l& ^+ `  M2 @- ~
; k8 H: C1 ~' o' l謝謝  
- U" y9 n% j* \+ ~最近突然忙起來
改天有空再繼續study....

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
現在接著開始

# s* L; M3 e0 t9 R/ m首先我們偷看一下code，
9 K" _. K, O+ Pline 226, 將sp的值放到r1。
; G) P" a2 R+ Y+ z; Eline 227 將sp的值加上0x10000放到sp。

* b6 B: u* k3 k/ p3 O  D8 t5 _% L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。

line 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，
4 |6 D' O! D0 \+ Z" ^" `1 _/ rzreladdr-y       := 0x10008000
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
   % ~! }+ y0 `# J9 H4 `9 ?: g
3. 
   
4.     238         cmp r4, r2
   
5.     239         bhs wont_overwrite
   . Y, _) X7 C' f) l+ s
6.     240         sub r3, sp, r5      @ > compressed kernel size
   
7.     241         add r0, r4, r3, lsl #2  @ allow for 4x expansion
   
8.     242         cmp r0, r5
   - z' h- P5 s- Q9 }  F
9.     243         bls wont_overwrite
   ; T! R; `! W  w* J/ Q( e
10.     244
    
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    
12.     246         mov r0, r5
    3 f: v: F0 A) H: x
13.     247         mov r3, r7
    % f/ @& j% q; z; ]
14.     248         bl  decompress_kernel
    
15.     249
    
16.     250         add r0, r0, #127 + 128  @ alignment + stack
    ; k. {% G, g0 b  R( `4 ^
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，
$ q* X  A7 i5 G- }/ uline 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）
line 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。
* \6 K# D( n" J0 ^& p0 |line 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
   ' X  m8 F+ Q' V4 `; p
3.     285         bl  decompress_kernel
   4 e* X/ A/ z% E; O
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
. C8 w4 {" Y' O  h沒有trace
假設一切都順利
3 s+ G8 l' [0 Ydecompress_kernel結束後
我們就得到一個解壓縮完的kernel放在r4指向的位置
line 286,會jump到call_kernel，如下:
+ y  |+ M' l1 }  N# N( Aline 516, flush cache
5 S9 s& h1 W5 G# F& p0 M2 K9 \line 517, 關掉 cache
line 518~520,將r0, r1, r2分別填值。
line 521,將program counter指到r4，也就是解壓縮的kernel的一開頭。

3 p3 C5 \7 f: n: R$ o. K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
   9 V# j# ^" o) W9 g' M/ a
2.     517         bl  cache_off
   : _$ v5 b- A! c) ]& a3 ^( D
3.     518         mov r0, #0          @ must be zero
   $ ^& L/ l. r- h  w; z
4.     519         mov r1, r7          @ restore architecture number
   
5.     520         mov r2, r8          @ restore atags pointer
   
6.     521         mov pc, r4          @ call kernel

複製代碼

kkbbs

很棒的分析....
- G, ?* K6 w5 u; `+ K2 Y5 \: L9 a非常據有參考價值
: b+ _8 g" W, s8 R3 h8 x感謝大大分享    感恩

gogojesse

原帖由 kkbbs 於 2008-10-11 10:39 PM 發表
( s8 q2 s  b0 Q  f% r% Y很棒的分析....
0 Z" P( [0 t# E: \. Y& n7 y非常據有參考價值
  Z, c& @% r/ P' T7 w) O感謝大大分享    感恩

: P) ?' b3 w0 L" R+ L4 k: U+ Q謝謝  
" J. |2 Z. A8 z. h$ u0 c有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
$ a6 N! \# j5 S. I+ |4 p歡迎提出來一起想想...