trace linux kernel source - ARM - 02

gogojesse

開始跳進去head.S之前
% P5 R- _9 P' a7 P% ?先來看看bootloader
& |1 v* D+ z' a2 j9 m# m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
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
. C" r4 E+ ?3 @% k
1. r0 = 0
, i# a! v% V% d1 b+ p0 w6 ~2. r1 = architecture ID
; u$ P4 l4 C2 \$ r4 i+ G5 Y; j3. r2 = atag list
( F0 b/ E4 K  j8 h- S9 y4. mmu off
5. I&D cache off

) i1 w# f7 ^& P/ I' f& t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。
$ w% C* v1 t/ f) y/ l! {我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   7 `2 F$ ?3 b" n) y
2.     115         .type   start,#function
   + f! w0 v  K  F0 k# }! h
3.     116         .rept   8
   ' s3 B6 k' o3 s" ]
4.     117         mov r0, r0
   8 }/ ?& h0 R+ g! Y) r
5.     118         .endr
   & Q6 I4 M! ]# q
6.     119
   
7.     120         b   1f
   ' B( ?, @0 s6 Q
8.     121         .word   0x016f2818      @ Magic numbers to help the loader
   1 k. t' w3 J( N& C7 ~, `2 v
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
    2 L" A* X. S/ f
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
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~)

7 \- O4 ]7 a* G; h8 x% Tline 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。
' \' a+ E# W0 H
  k. n; M4 t7 L6 N! X) N; ]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。
2. 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。  

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
' L7 k  r  m0 l5 u" L) a0 ]& `狀態設置好，就直接進入linux kernel呢??
9 F: \8 X9 j& F: T! Q2 M6 N; B
2 B, u3 L) s* _% f- W$ Tline 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。

+ p, Q& }" i/ Z& u6 D1 m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
   0 q# z$ y( T( C) W1 k
2.     134         tst r2, #3          @ not user?
   # A- H7 K  Z1 T# d
3.     135         bne not_angel
   6 h1 I- H# ~- ^+ b+ |0 ]
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   / _! A' Q' b5 _+ ^) K" R
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   # J; r* B) a. t' B) O, a
6.     138 not_angel:
   ; g2 K- K8 K; A, ^
7.     139         mrs r2, cpsr        @ turn off interrupts to
   ( b2 ?6 T2 w+ b6 x
8.     140         orr r2, r2, #0xc0       @ prevent angel from running
   $ _8 d8 H2 J) J% ?! d6 V
9.     141         msr cpsr_c, r2
   
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
: y# p0 x. B7 f  i! t! z用來控制和表示processor目前狀態的。
1 d  T9 Y. O8 L% W2 {: x" z1ine 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
9 D( F  ^" k( X) Y  D來boot armlinux，應該是angelboot會特別跑在3這個mode。
8 D; Z3 P/ I( ?. O$ }7 oline 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
是一開始ARM processor預設執行模式。
, V! Y0 U$ P* I0 N, R
- \% w7 `( K2 x. _* _( b# b. [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
* z+ ^. H5 C- j- G" L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

( Z* W& y. `, N1 o2 q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
建議可在加上UBoot or Redboot的部分，應該可以造福更多初學者。

看完kernel應該會花上一些時間
* d: t9 {  O& u& B: A看看有沒有哪位大大要認領
- U" n) z2 W' C' f  A( z/ d$ _: M2 [+ d開一篇bootloader的文章   

9 \, B+ X/ t* t- @0 o# ], h& f' W$ E另外，有人要trace x86 or MIPS的架構應該也不錯
! D/ ?  }6 |; J) t: M& d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
.
+ }) K) b# @* u& ]. d, i.
1 y3 x( O: V6 _' ~% S( L" c4 k' ^.
.
.
.
  v5 k. b1 \' S6 q.
- q/ G3 F6 C  d  D.
3 S- v8 E- h% P$ _4 `! z& J.
, Q$ P# I4 L* Z7 y.

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
   & O8 {; G: u7 m, H: K6 F9 \- M& g
5.     161                         @ if delta is zero, we are
   
6.     162         beq not_relocated       @ running at the address we
   5 @1 H1 \4 K+ B5 |1 j
7.     163                         @ were linked at.

複製代碼

1.     288         .type   LC0, #object
   4 Y- l' K1 @# ^! e9 O! W: q
2.     289 LC0:        .word   LC0         @ r1
   
3.     290         .word   __bss_start     @ r2
   - [3 p% f! f7 |! ?5 X3 W1 @
4.     291         .word   _end            @ r3
   / ]) b) x2 O$ y# i! t
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   
6.     293         .word   _start          @ r5
   
7.     294         .word   _got_start      @ r6
   
8.     295         .word   _got_end        @ ip
   
9.     296         .word   user_stack+4096     @ sp
   
10.     297 LC1:        .word   reloc_end - reloc_start
    * Q; U% H7 L+ U8 |
11.     298         .size   LC0, . - LC0

複製代碼

line 157, 將LC0的位址當作值放到r0。
  m. [$ v" d* L6 ^  i* Lline 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
6 u- u+ Y9 }7 I7 ?; Xline 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
4 f( Q4 x: j- R7 K8 v% ]' a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。
2 P, |* X0 k  _. k9 i' E( S
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
6 @+ y1 d9 o# m$ [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??
# O9 m: Z# l4 S2 q2 u; V
往下看

1.     172         add r5, r5, r0
   
2.     173         add r6, r6, r0
   ) s# D# z. X. Z: e5 i! g6 P
3.     174         add ip, ip, r0
   
4. 
   , D) s" P2 X% v. q
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
   ; I. K! {% L- {) Y1 a" j
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   8 f5 _2 z7 t. K0 @7 ~& E4 C
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
" G( G. g! D" i  U: p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。

1 A) i# F; o. H$ e2 m  Rline 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
: L/ c4 ~6 ^1 U: @化的變數的地方。
! y" j$ |. }1 A5 ^
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  
接著繼續trace

1.     211 not_relocated:  mov r0, #0
   
2.     212 1:      str r0, [r2], #4        @ clear bss
   
3.     213         str r0, [r2], #4
   
4.     214         str r0, [r2], #4
   
5.     215         str r0, [r2], #4
   " a  J& ~# v. y' t5 X7 h7 u
6.     216         cmp r2, r3
   9 F$ z; i' u9 o" [
7.     217         blo 1b
   8 E6 X; `2 u+ w$ D
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
" C& C3 z; H9 f4 P: R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?
+ S% p. y3 e; X7 c: Z8 x) H
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.
0 K4 s# a3 C" e4 f; w* S. e! O換句話說，開始將bss裡頭的值都初始化成0。
) y( ]% A; t2 H9 P( t) h+ mlin3 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。

line 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. 
   3 j# \6 ]* J- s# c1 B8 B  X* h
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   
6. 
   * l7 E- b/ i) r1 I2 {
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)
   8 \& T7 E* l# V" \% w- k! U
10.     546         tst r1, r2          @       & mask
    
11.     547         addeq   pc, r12, r3     @ call cache function
    % j0 Q" E2 J4 h: Q
12.     548         add r12, r12, #4*5
    3 n9 C% p2 J1 r+ Y2 u% D+ r
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。
line 537, 將proc_types的位址讀到r12。
: c9 F- Z3 L- w! V1 R1 k+ [% ?line 539, 將coprocessor裡頭的CPU id讀出來放到r6
7 h9 P2 L4 N6 A# xline 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
- \& G+ T, ~  `+ ]6 f5 R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
5 H8 a  n) h. ~" q; i0 g) a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
/ F6 ~2 L* p, ?7 ^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。
; t0 i3 D8 `# {+ @/ Qline 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
* }3 f- C& \+ P$ F, Acache 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
  G8 [, h3 S9 [- `! ^& T3 M從proc_types開始。

) J4 \3 |* s' N3 m$ }3 L( c( S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:
   8 K  f. ]# y$ Z) a$ R) N; R1 ~
2.     567         .word   0x41560600      @ ARM6/610
   
3.     568         .word   0xffffffe0
   & Z1 Z+ w' D% h; ]# s1 s& k" f
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   * H% F2 y# D, t, S) M% Y
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   , t1 r7 s, m# ]% @
6.     571         mov pc, lr
   * ]7 E+ q9 j; x% Q; Z6 a
7.     ......
   + r3 F$ C# s, x8 {; B% N4 q
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
   ( u9 g) U  \4 a" u4 A' ]
9.     641         .word   0x000f0000
   ; [$ H& Y# Q  i, e. h2 h
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    4 S- ?& j& \* d. h
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    9 f$ q, O" m. c7 N2 f) h* A) M
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

0 d% L% i% O" ?) L4 z6 V1 ]- [謝謝  
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
& G$ d+ M3 f3 l' w- H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∼
; F& h1 {6 @3 |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
. t9 C, c# H4 \- R0 a2 G
1 R0 m$ _9 h! F1 t. W7 n+ r+ K" b首先我們偷看一下code，
line 226, 將sp的值放到r1。
2 k3 _) T- |& J$ e4 v2 a' R+ ]7 Qline 227 將sp的值加上0x10000放到sp。

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。
9 q7 j0 \" e5 e+ I- [/ @
% J" N/ v* {6 \0 m" E( Zline 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
# d$ }5 u- |3 G# |; v: ]2 b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。）
, q7 `5 A  q( _$ W
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
   : d6 l1 K, `2 X* O7 x, t5 s
3. 
   ( r+ J0 B' K# z2 a) q' I. G9 {- ?
4.     238         cmp r4, r2
   
5.     239         bhs wont_overwrite
   
6.     240         sub r3, sp, r5      @ > compressed kernel size
   
7.     241         add r0, r4, r3, lsl #2  @ allow for 4x expansion
   / }' T! H' t0 ~( p; g, w* m  r) p
8.     242         cmp r0, r5
   ' l; e" f2 ]" m' l% i0 C
9.     243         bls wont_overwrite
   - j' X% j' a6 G, @0 A) w7 i# d
10.     244
    
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    , |. c8 ~+ m) J7 ~' m  ]
12.     246         mov r0, r5
    3 t* ]; B" d! @! U
13.     247         mov r3, r7
    
14.     248         bl  decompress_kernel
    5 L2 Q6 _& b% l( t
15.     249
    & L1 E$ i8 \% U9 Q% u% Q
16.     250         add r0, r0, #127 + 128  @ alignment + stack
    0 C  I1 p4 |8 s+ m6 T: I4 P' K, w
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）
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。
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
   - Q# B8 g2 y5 K2 B+ u
2.     284         mov r3, r7
   
3.     285         bl  decompress_kernel
   
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
沒有trace
$ `6 v( U2 a! p* F1 s' M假設一切都順利
decompress_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
0 ]  A* q8 R) Q  f2 D. @' kline 286,會jump到call_kernel，如下:
( N6 s0 ?2 _, z2 |. z' C+ h  jline 516, flush cache
line 517, 關掉 cache
line 518~520,將r0, r1, r2分別填值。
$ N) V8 r" x, U, [( Wline 521,將program counter指到r4，也就是解壓縮的kernel的一開頭。
: S4 B( J7 N5 B7 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
   
2.     517         bl  cache_off
   ) U" A- q: ?, m5 \
3.     518         mov r0, #0          @ must be zero
   
4.     519         mov r1, r7          @ restore architecture number
   9 s- e  ?6 ^( i; c* Z5 w
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....
, D* H$ R( _4 g- @3 O3 v. z( I7 j非常據有參考價值
$ p/ _! |, q/ L$ K感謝大大分享    感恩

gogojesse

原帖由 kkbbs 於 2008-10-11 10:39 PM 發表
" k4 K$ \5 V* G* X2 [很棒的分析....
8 K- Q1 s) [7 a; N! m非常據有參考價值
7 b0 r& m  d5 C5 y感謝大大分享    感恩

; r  n- L3 _5 J; T# D/ ~, H/ G謝謝  
有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
1 Y: c8 a) q5 _( ~8 W歡迎提出來一起想想...