trace linux kernel source - ARM - 01

gogojesse

昨天下載了linux-2.6.26的kernel source
" c( E' d, p0 t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
& q' F! g# \0 Q5 m一些文章提到是從/arch/arm/boot/bootp/init.S開始
0 `. k4 \! V  e2 P" b% g9 ]  z3 D所以節錄了一些下來
4 v" g7 X4 ^6 _
     19         .section .start,#alloc,#execinstr
7 {1 \5 S" V7 ?8 }( K% j     20         .type   _start, #function
     21         .globl  _start
     22
     23 _start:     add lr, pc, #-0x8       @ lr = current load addr
     24         adr r13, data
0 h, h' A7 S+ Z* ~& f     25         ldmia   r13!, {r4-r6}       @ r5 = dest, r6 = length
     26         add r4, r4, lr      @ r4 = initrd_start + load addr
) [7 q8 A7 a6 R9 E8 b     27         bl  move            @ move the initrd
* q: n  h1 A. G9 X# h+ O     .....
) E. ^- [2 c' v. ?' y& v     76         .type   data,#object
     77 data:       .word   initrd_start        @ source initrd address
     78         .word   initrd_phys     @ destination initrd address
( ]  V8 B& ?. _  A1 R/ F& C  F     79         .word   initrd_size     @ initrd size
     80

line 19,宣告了叫做.start的section
line 20,21宣告了一個叫做_start的function
( W* @$ Y9 f/ u5 q" \% B程式碼似乎從line 23開始
line 23, 『add lr, pc, #-0x8』
6 A6 S5 t# _& hadd就是將pc+(-0x8)的結果放到lr之中，pc和lr都是ARM裡頭暫存器
3 R0 P) ^5 x, t# w9 s- p* ~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
$ \: x& E9 K# I/ |; N% ]8 z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
return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。
' x  e( |! _+ ~& q3 y. d* P
  K' }  o# k6 L* ^line 24, 『adr r13, data』
' M  S4 [$ _( Jadr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，
1 p. {& E7 F0 e: U常縮寫成sp，所以現在r13就指到data所在的位置上去。

/ W0 r6 y( Y; K8 `9 i! A8 D& Tline 25, 『ldmia   r13!, {r4-r6}』
ldmia, load multiple increment after,顧名思義就是可以做很多次load的動作，每此
load完就把位址+1，執行完之後
r4 = initrd_start
, u0 u' M* k- R( ur5 = initrd_phys
2 E7 L+ u0 ~# T. G9 [7 b) y/ b9 V# @r6 = initrd_size
4 }7 u0 g9 R/ z+ P+ }" @
' G) O; E- j9 C, i* _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
後有沒有被用到。

' u, e. @6 o6 J, ]. Iline 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，
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。

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
例如 initrd_start, initrd_size等等
8 H8 l( |* }. h# s& n: w其實是被定義在另外一個檔 ./arch/arm/boot/bootp/initrd.S
, r3 x, y# g# ]" @
7 a0 `+ w7 ~1 q3 w1 m      1     .type   initrd_start,#object
" F1 k  v  N- F* u; `, Z      2     .globl  initrd_start
      3 initrd_start:
- k& _9 v. |' O- }8 ]8 v      4     .incbin INITRD
7 n5 I5 w* c0 J      5     .globl  initrd_end
6 h& W: Y. O5 Z% X      6 initrd_end:
8 ]4 m. O6 G2 e3 c
2 X/ ?2 H; b+ uline 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
/ Y  ~9 S& S& h5 Q, @' F這邊有點複雜
假如compiler kernel的時候
# M) S- \3 J# T有選擇使用ramdisk當成boot device的話
: |" d! z: M+ ^  R) r% K# z會對從環境變數去設置 INITRD
這個檔名會被帶入到MAKEFILE
8 c: L5 a! Y3 L2 C; F5 A6 P% t( c: q並且在做assembler動作的丟進來
假如沒有使用initrd
那就.incbin應該就包不到東西
initrd_start 和 initrd_end 就會相等

另外有個 script ./arch/arm/boot/bootp/bootp.lds
  Y) d+ h* _  F3 }  H9 d* q' E. L* n它規範了所有link起來的object code裡面的section要怎麼編排
  s2 U( }8 H3 \: a' ]" }9 P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

/ W4 Y( O* z5 G7 B/ n     10 OUTPUT_ARCH(arm)
     11 ENTRY(_start)
     12 SECTIONS
     13 {
     14   . = 0;
     15   .text : {
     16    _stext = .;
+ c% n. d' o3 m2 B8 G$ T! G$ G     17    *(.start)
' |3 B8 J2 {( q3 r/ s' q3 x     18    *(.text)
     19    initrd_size = initrd_end - initrd_start;
1 e2 R, i) h) x1 T) M% [     20    _etext = .;
     21   }
     22
' [+ w3 B- z" _- j     23   .stab 0 : { *(.stab) }
- u( _; Y, r+ Z( [, G     24   .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
8 `! Y# n, v% I+ r; }     25   .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
     26   .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
     27   .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
* }$ x* {: ^# ~7 R9 _     28   .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
     29   .comment 0 : { *(.comment) }
     30 }
. k6 x3 E6 A4 b
" G1 ^% S4 P0 c; H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
) i. s$ a  F" m( f' |之前的code已經goto到move這邊來
所以貼一些move的程式碼
0 k, a3 s- z8 h  E! E
     66 move:       ldmia   r4!, {r7 - r10}     @ move 32-bytes at a time
) u$ Y' ~5 Q3 @4 Q  ]' L, j     67         stmia   r5!, {r7 - r10}
  S* G  Z3 V5 x. l2 M     68         ldmia   r4!, {r7 - r10}
5 W/ D$ z. m# V! Q5 L     69         stmia   r5!, {r7 - r10}
     70         subs    r6, r6, #8 * 4
     71         bcs move
     72         mov pc, lr
- i( P( K/ f* E% A. g
line 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??
  P8 l$ u6 }" r4 C, y' j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
) x5 I* h9 J1 X) B所以 initrd_start 所記錄的位置可以當成是offset
) O1 t6 q: a$ d* E0 z% c+ _加上load到DRAM或是擺在flash上的位址後
就剛好是initrd所在的地方

line 67, 『stmia   r5!, {r7 - r10}』
stmia, 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 g9 B5 {9 p! M) O1 ?# `: fr7寫到r5指到的位置
r8->r5+1
1 s# o. N7 N: f, [1 Hr9->r5+2
r10->r5+3
所以我們發現，66,67行就是將r4所指的東西搬到r5。

& N- Q" \: Z) J; sline 68, 69也是一樣copy了4x4bytes，一共是32bytes。
5 [+ m( c3 L9 x, d0 k) L; Kline 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，
1 e/ w9 M8 K3 ?0 ?* }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。
5 a9 c9 n, z1 W4 o# x( lline 72,『mov pc, lr』
6 y4 F% ~2 L3 d! h( S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。
. g* ]7 A, @7 X* N2 e- I
" ]0 ^/ ~. u; o以上的動作，慢慢看得出來有在做些什麼事
1. 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
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
   
3.      35                         @ r6 = ATAG_INITRD2
   
4.      36                         @ r7 = initrd start
   0 f+ _6 p7 i$ Y+ C& W$ O
5.      37                         @ r8 = initrd end
   ' V5 |$ A: r0 ?) R6 t0 [! V* x5 W
6.      38                         @ r9 = param_struct address
   
7.      39
   
8.      40         ldr r10, [r9, #4]       @ get first tag
   
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
. v! z3 Z/ U. ^0 h& g: z的意義，注意一下這邊的r7是initrd的destination address不是source address。

( a0 U/ C/ X& u1 b4 i$ r8 S1 i$ xline 40, 讀入第一個tag，這邊的tag是指bootloader丟給kernel的一個boot arguments，
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，
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。

3 u: l0 ?1 _; q  {2 uline 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。
# _2 j0 v( s: h  Z" U' H
繼續接著看

1.      45         movne   r10, #0         @ terminator
   ; V5 H7 g" O! A+ ?, h6 \6 @
2.      46         movne   r4, #2          @ Size of this entry (2 words)
   5 }1 w% O3 F' V+ N) s: z
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
2 ^8 X  Z; F) g4 z所做的事情，注釋是寫『If we didn't find a valid tag list, create a dummy ATAG_CORE entry.』
8 {  V: U2 {; M- X* X3 P0 f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。

接著來看init.S最後一段程式碼 (終於~)

1.      54 taglist:    ldr r10, [r9, #0]       @ tag length
   
2.      55         teq r10, #0         @ last tag (zero length)?
   
3.      56         addne   r9, r9, r10, lsl #2
   
4.      57         bne taglist
   4 D" D, l/ f+ h
5.      58
   
6.      59         mov r5, #4          @ Size of initrd tag (4 words)
   & t7 O( t* Q4 {% O" @
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
這邊有個文章有提到 http://www.simtec.co.uk/products ... ooting_article.html ，一開
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 {
   
2.         u32 size; /* legth of tag in words including this header */
   3 C6 _* d" x1 m3 p6 ~" y
3.         u32 tag;  /* tag value */
   / x$ {1 N( O( |- O+ S" a( C  ?! I
4. };

複製代碼

line 55,測試一下size是不是0。
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
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。
$ Y8 Y) f/ U/ L. H
$ D/ `4 Q1 [, s- Lline 59, 將r5設成4
6 e/ E/ V( s0 U2 Y" v. uline 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。
- _9 i5 J$ w( H* F6 eline 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
lr紀錄返回位置。
' h! t# W9 |& ?6 q; |$ ~( n5 U
" i; L0 L1 z  y3 O/ E( U5 J7 Y以上，走過一整個init.S,接著會跳到./arch/arm/boot/compressed/head.S。
1 u2 N  v% n- M0 H( u
" u- B, r% k9 J0 [& C7 Mkernel_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

* n: W, h0 {7 X3 ^

; \; O; t; I3 K& z6 V9 U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
3 E' l( [& d4 Z% ?& v但是沒表明出處 = =
6 P4 m% t, j% w9 c9 p9 p2 M+ s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
8 G$ B  @6 N7 }0 u以前幫忙有弄網站也是這樣
抄襲得很嚴重
內地那邊到底有沒有在管啊!!