trace linux kernel source - ARM - 02

gogojesse

開始跳進去head.S之前
( w7 c% J1 i3 k8 b9 z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
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

1. r0 = 0
2. r1 = architecture ID
) @  J1 G) \2 N& H) V/ m' ^( O3. r2 = atag list
4. mmu off
5. I&D cache off
' Z( c% o0 V) R. ^
* o* S6 ~+ m) x( M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。
( g4 b: E6 M% H0 ^- e我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   + a9 Y3 Y4 h9 }
2.     115         .type   start,#function
   
3.     116         .rept   8
   , u/ b5 \+ R& ^2 R5 a& r
4.     117         mov r0, r0
   
5.     118         .endr
   : p# V! T8 P1 `' R2 `
6.     119
   ; v# w* A" O- \7 l: u# @5 z
7.     120         b   1f
   
8.     121         .word   0x016f2818      @ Magic numbers to help the loader
     S% d' \5 n0 ?! _
9.     122         .word   start           @ absolute load/run zImage address
   6 n* F# O& G7 i9 R8 o3 e7 r
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
1 s" u! m, C: }8 d% X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。
. I# ?' Y* H  p$ M0 I% Q(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~)

  T' J* `7 _, f- W% Aline 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。
  Z6 \: K3 T$ M( t" ~( ~4 R
line 124, 125, 分別將r1, r2的資料丟到r7, r8存起來，回想兩件事情。
# _( q" X: n$ R- R9 Q2 G8 ^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。  
/ L" c! \2 o# h
0 [# P: P- X1 x$ n' J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??
# q; O5 N  K( [+ g
  d+ G, p) }# K8 p: Iline 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。
9 y1 S# L" l) c" z2 }6 w6 g' ^4 L
: U$ K8 t- v% x4 z3 I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
   - R& \0 K: K8 I% v
2.     134         tst r2, #3          @ not user?
   
3.     135         bne not_angel
   0 o/ ^2 s0 T( `9 t6 y
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   
6.     138 not_angel:
   $ w8 @2 f3 s/ M! d% G$ J
7.     139         mrs r2, cpsr        @ turn off interrupts to
   + I& k/ i0 t2 `" k# O2 _5 J  v
8.     140         orr r2, r2, #0xc0       @ prevent angel from running
   
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
用來控制和表示processor目前狀態的。
! ~* @; ]) f# j' q: N; `3 G/ C1ine 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
. G* Y; m8 Z+ v/ f& C來boot armlinux，應該是angelboot會特別跑在3這個mode。
5 m2 c) T- |" _- `9 w$ L( s: E6 T2 bline 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。

# d4 u) E) w" l# g) @, \( iline 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 _8 }0 c1 A3 p1 h. q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
7 }) K5 \! m& ]/ O; K
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
! v" [2 x% o2 p看看有沒有哪位大大要認領
開一篇bootloader的文章   
+ C! T7 V- R0 S  W0 \; x- P$ F: k
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
1 e4 \- W8 |" N# e9 C7 V這邊插點符號跳過文繞圖
.
.
! \/ J) F# f/ d.
.
.
( `  O. B  f3 E6 R.
3 X% e1 [5 J) q9 r# j' D, \.
.
.
) }( k! X0 v! d7 Q% g.

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
   2 m5 h' _3 M7 {; `3 y
4.     160
   ; Q( P' f& \9 x( q0 B* H
5.     161                         @ if delta is zero, we are
   
6.     162         beq not_relocated       @ running at the address we
   
7.     163                         @ were linked at.

複製代碼

1.     288         .type   LC0, #object
   
2.     289 LC0:        .word   LC0         @ r1
   
3.     290         .word   __bss_start     @ r2
   9 E* E! K; B/ d- Y; Y" J, J
4.     291         .word   _end            @ r3
   % n9 ~& i+ z! r
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   
6.     293         .word   _start          @ r5
   
7.     294         .word   _got_start      @ r6
   
8.     295         .word   _got_end        @ ip
   ) V  _5 y/ a+ w" g8 V
9.     296         .word   user_stack+4096     @ sp
   
10.     297 LC1:        .word   reloc_end - reloc_start
    . I7 c- M% D' [
11.     298         .size   LC0, . - LC0

複製代碼

line 157, 將LC0的位址當作值放到r0。
0 ~$ T6 i% w2 ?0 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
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。

5 j( e+ u& O2 M" n; qline 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
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??

, G# d+ S; B' L/ _/ K3 V+ I往下看

1.     172         add r5, r5, r0
   8 K9 l: N  w% b7 A2 L
2.     173         add r6, r6, r0
   
3.     174         add ip, ip, r0
   # e/ ?" R6 j. t( o7 A# b5 s! J
4. 
   / c! p+ k; H' v
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   ; {; |8 U" A- G- b$ a; D
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   * |  f1 f- [" S6 N* e3 g( B; j
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
   + v1 Q$ J4 Z  p+ ~. F* D) R
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   : K3 ~/ o# T% z( S
10.     207         cmp r6, ip
    : \; X! p- t3 k* R: j8 c+ v
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
  m. w) A; w- o' w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。
& C* `  {# O9 K2 h
% {: v1 C8 i. \! i4 d% gline 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。
. r. `1 h* L' \, ?% I; i! J( Z  H
% I7 K# q  @& W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
7 P; z/ L$ o, }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  
! q+ G+ u, `  \接著繼續trace

1.     211 not_relocated:  mov r0, #0
   
2.     212 1:      str r0, [r2], #4        @ clear bss
   & F  _/ u7 E2 F( A
3.     213         str r0, [r2], #4
   
4.     214         str r0, [r2], #4
   
5.     215         str r0, [r2], #4
   
6.     216         cmp r2, r3
   ' {& L, I0 O8 E  J# E# C# m
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
) L7 U7 e, z7 `; R- K4 \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?

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.
換句話說，開始將bss裡頭的值都初始化成0。
  J5 g+ H5 m& I7 ulin3 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 w9 @" {+ I/ z5 w
  y! c2 I3 ~* I" V" Lline 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
   $ Y) A* M( U* O
3. 
   , ~1 {6 c- n% F! U! ]
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   
6. 
   
7.     543 1:      ldr r1, [r12, #0]       @ get value
   3 f) d& [% Y8 W1 Q5 \/ Q5 B
8.     544         ldr r2, [r12, #4]       @ get mask
   : K. ]( l( u1 M
9.     545         eor r1, r1, r6      @ (real ^ match)
   $ D# G5 V8 a8 N9 |) A
10.     546         tst r1, r2          @       & mask
    
11.     547         addeq   pc, r12, r3     @ call cache function
    
12.     548         add r12, r12, #4*5
    
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。
8 Q. U3 g3 Z5 q% H6 Wline 537, 將proc_types的位址讀到r12。
& f, f( [6 g7 a4 yline 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
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。
9 f0 K* O7 }& O+ ^- oline 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
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。
# X( |7 \8 a. F& v# X) Mline 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
cache 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
+ z" z$ Y% G* b! o9 e6 y從proc_types開始。
9 H+ D" u, ~! L7 h: b7 s0 g
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:
   " w1 G2 I7 {/ W# w6 C; w, H
2.     567         .word   0x41560600      @ ARM6/610
   
3.     568         .word   0xffffffe0
   ' T( L/ s7 L$ W0 ^1 z
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   $ X  A+ d3 |3 g
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   , I6 r# i* c& L1 ]2 ]  _& V
6.     571         mov pc, lr
   
7.     ......
   ' V! C1 a. C1 P* R$ m
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
   
9.     641         .word   0x000f0000
   " O  j8 W1 t9 N" d; j
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    9 m5 C3 T  |( g6 U- i0 N
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

謝謝  
最近突然忙起來
改天有空再繼續study....
0 B+ N* T2 b" A0 K( y
另外，這篇是kernel booting的過程的程式碼，應該不能稱呼bootloader，不過
0 [# m  z  Y; h! p* z" P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
1 [2 _1 z2 t( U呼叫了cache_on之後就沒寫了
現在接著開始
9 K5 |' k3 I) p5 Z: L- R- J
5 ]6 r/ }8 v1 k7 ^/ t6 ?. Q首先我們偷看一下code，
line 226, 將sp的值放到r1。
5 y+ B, y, c) e4 ^4 X) Aline 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。
4 a5 o0 ]. P2 U4 V/ i
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，
zreladdr-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。）

( N' M4 Q0 j& P+ k, pline238~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
   * O1 k3 R! X! z+ x9 a
2.     227         add r2, sp, #0x10000    @ 64k max
   5 g* ?! p2 N) ^$ ^
3. 
   + d; L  s" E" y9 s; ^& q9 X9 e, P
4.     238         cmp r4, r2
   6 s7 I% ?5 k* n
5.     239         bhs wont_overwrite
   + @% r/ T/ [( v1 X; c' c5 N2 L% G
6.     240         sub r3, sp, r5      @ > compressed kernel size
   ; X0 T2 A" F9 G+ H- g+ G9 g% _
7.     241         add r0, r4, r3, lsl #2  @ allow for 4x expansion
   
8.     242         cmp r0, r5
   
9.     243         bls wont_overwrite
   
10.     244
    
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    . h; b7 \6 z2 ?  _; w$ `
12.     246         mov r0, r5
    
13.     247         mov r3, r7
    
14.     248         bl  decompress_kernel
    $ k3 Q+ H' O6 E7 G
15.     249
    * a& ?  P# ~3 B6 |3 x  T
16.     250         add r0, r0, #127 + 128  @ alignment + stack
    0 ^9 ~$ B  b* M
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，
7 D- Y, w; \, d! e. cline 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）
. x% W* r8 A; z7 s. O* rline 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
   & b: X) L2 u- ^! m% a
2.     284         mov r3, r7
   1 m' x) R8 S* N: F3 v, a
3.     285         bl  decompress_kernel
   3 G2 b/ T% {9 n/ L1 r
4.     286         b   call_kernel

複製代碼

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
" h3 B3 `  s( R! X! M" F# @沒有trace
' E- X6 R5 |6 c) \; R% n3 I$ Z# e假設一切都順利
! Q/ d1 F" n0 m1 k# cdecompress_kernel結束後
# e  K4 S: D( v: Y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:
line 516, flush cache
line 517, 關掉 cache
line 518~520,將r0, r1, r2分別填值。
  g, l& Q# e! V4 Y; K6 u  l( \line 521,將program counter指到r4，也就是解壓縮的kernel的一開頭。
  S' t* G! h) ^0 A
9 m5 `1 A" U# [4 h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
   0 _/ t$ c! w6 {: T% L! ]
4.     519         mov r1, r7          @ restore architecture number
   
5.     520         mov r2, r8          @ restore atags pointer
   
6.     521         mov pc, r4          @ call kernel

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kkbbs

很棒的分析....
非常據有參考價值
9 l5 w9 G2 t6 Z1 H, O- s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....
1 l3 ]/ o/ B$ S' z8 ^非常據有參考價值
" b& }( X; A6 l" A$ h感謝大大分享    感恩

謝謝  
有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
歡迎提出來一起想想...