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
8 W( @% n- Z6 r$ @! i% }例如更換這次使用的kernel image
5 ?9 b) V# U6 ^( v0 `/ ^% l# Z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
  {! D0 h, I) ~7 P& [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
- k- R" I+ W& A
1. r0 = 0
2. r1 = architecture ID
$ t8 i5 \$ k8 Y3. r2 = atag list
8 i$ L' a8 a2 D+ N4. mmu off
3 K& _% i0 i& D% k, L) I. P1 {; W6 F5. I&D cache off

$ s0 ]& K0 m8 m2 i/ t  f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。
$ }; o9 w# k) \" N3 |6 c* W, c/ Y我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   
2.     115         .type   start,#function
   % X4 O! n. `3 u& K9 G/ V* p3 o+ r' Y
3.     116         .rept   8
   
4.     117         mov r0, r0
   
5.     118         .endr
   " r0 ]& J8 K; E# S
6.     119
   
7.     120         b   1f
   6 C0 `, Q0 `' n' B7 x1 Q( q) i- F( j
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
    $ v* A0 ?  P$ Z* V. }. ]
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。
, t4 z) `( u9 d! A(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~)

! f# ~$ A. A& ]line 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。

0 K# C# I0 F' d3 Zline 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。  
) M9 g; A: Z& S
2 z3 `, h4 W7 v2 L) T! B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??

/ k1 D3 ~- G+ S" X% _line 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。
1 B% \4 J* o+ p% i
0 p) ]$ _! C% 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
   
2.     134         tst r2, #3          @ not user?
   
3.     135         bne not_angel
   
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   4 S; s" O2 P% N. h, j+ {
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   ) W% W9 M$ e; S, u* P
6.     138 not_angel:
   
7.     139         mrs r2, cpsr        @ turn off interrupts to
   $ F4 n" _7 \5 a. v) ]5 C3 n( d
8.     140         orr r2, r2, #0xc0       @ prevent angel from running
   
9.     141         msr cpsr_c, r2
   ' s7 D  C; B3 v# p* k
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
( V2 b& C7 p7 u7 H0 N* j來boot armlinux，應該是angelboot會特別跑在3這個mode。
  q( `' M3 I) j( ^; [line 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。
1 @5 ^2 l2 e  o( @5 h
3 `- M) a; k8 n, [8 I" b  Eline 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
可參考
http://tech.digitimes.com.tw/pri ... FE2482571DD006E9DC5
; q6 D+ x4 q5 J
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。

# V' o' x4 v$ f4 n9 F看完kernel應該會花上一些時間
看看有沒有哪位大大要認領
開一篇bootloader的文章   

0 h; e! C/ @' ]2 M, T; H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
, v' ~. u5 R! }2 h3 B; s" [.
# z" ^! e) g" h9 ^/ v( R3 J$ F.
.
9 k, a$ }' r& b. u.
8 {5 }# j) @0 l3 ~7 h2 |.
- V) v$ |$ I2 A: z- ^, f+ F.
.
1 L& t' S# _3 {' E) n* _.
. a  f) t0 P2 X2 _/ J& n6 f3 x- e.
8 r0 Y+ m+ U. y5 ^- B0 X( h.

1. 157         adr r0, LC0
   $ d$ m- \0 t5 s8 L- c, z
2.     158         ldmia   r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}
   
3.     159         subs    r0, r0, r1      @ calculate the delta offset
   
4.     160
   
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
   + ?6 |4 n% \6 k  q) m
4.     291         .word   _end            @ r3
   
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   9 f, R: H2 R, L, e. W) K
6.     293         .word   _start          @ r5
   / M, ?0 m0 m" Y! ]' q
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
    # r- r/ P0 C- v/ p3 f, W$ j' v
11.     298         .size   LC0, . - LC0

複製代碼

line 157, 將LC0的位址當作值放到r0。
& `5 x7 {! _* Pline 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
& K3 O4 e) g" d+ [  q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。
( G' E6 y0 H: e  y
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
5 k5 c2 x" o; ^2 `6 l1 [, t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...
! I" G! e" I2 k* T% Y怎麼辦勒??
+ C% i1 i/ ~/ }5 ~
) f4 v4 X$ N- c5 D. f: z, V往下看

1.     172         add r5, r5, r0
   
2.     173         add r6, r6, r0
   
3.     174         add ip, ip, r0
   
4. 
   
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   $ b: O" f% s9 O$ k8 S
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
   
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   
10.     207         cmp r6, ip
    7 l0 F+ |% R/ ]2 Q& z5 Y" e) K
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
; a( ^0 B! T/ h" V; P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。
' H3 i0 q; L6 Pline 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。
- H- x- Y! r" Y/ I# p, d8 `
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
/ a' l5 O/ t- T- c* }" D0 dtime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
   5 b# d/ c4 T" U8 |- V' m
4.     214         str r0, [r2], #4
   
5.     215         str r0, [r2], #4
   , Y5 {- n% R9 p$ n' x
6.     216         cmp r2, r3
   
7.     217         blo 1b
   # {. Q' a% |2 ~4 M* r. N/ _, W& C4 n
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?

. ]% U: g" m  ^/ L; j: w) G; F# H0 kline 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。
: D: q" y( u6 u* f- o* Flin3 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。
4 R' e+ D4 ]  M/ N! q  _
8 V. N2 O/ ?6 Z  a: }4 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
   
3. 
   
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   & o4 h2 P  S1 P' S8 |. D: |
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   
6. 
   
7.     543 1:      ldr r1, [r12, #0]       @ get value
   . T1 A4 Z/ D1 W/ m8 b
8.     544         ldr r2, [r12, #4]       @ get mask
   
9.     545         eor r1, r1, r6      @ (real ^ match)
   
10.     546         tst r1, r2          @       & mask
    9 L# O- ?& k2 o4 F
11.     547         addeq   pc, r12, r3     @ call cache function
    
12.     548         add r12, r12, #4*5
    $ B+ L7 b7 q8 g  V2 y
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。
line 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
5 e  \4 r, R! S/ s0 ?" u; N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
% i% r7 L, [) ], W. y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
. u2 C9 c( \$ ^# ?0 `* b% j3 H% G, d% R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。
. S9 @; T4 H' K- h0 ^4 C7 ]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
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
從proc_types開始。

- M6 _( c1 D( w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
   ( T: f6 F0 u5 ^# R1 p# W% ]
3.     568         .word   0xffffffe0
   ! b; ~& U, h( U  u- B. |$ ]- p* I
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   3 ]0 f% T, f) [% X. q  v
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   ) I  l5 H# x# r7 L
6.     571         mov pc, lr
   
7.     ......
   
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
   0 q' W3 ?% Q: E8 I
9.     641         .word   0x000f0000
   
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    6 K% w7 _* w% N$ w/ {
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

& e: s) n/ e+ G3 D7 @
; Q# Q; C9 m4 V8 K) P! p0 S# L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
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∼
3 W( C' W# X: Z' D4 c) r  ?之前trace到 ./arch/arm/boot/compressed/head.S的 line 224
呼叫了cache_on之後就沒寫了
& j8 p  N! p) ^現在接著開始
' ~# t3 _% Y' l# W; f0 g
首先我們偷看一下code，
8 ]( E0 {9 H1 v3 O# r+ uline 226, 將sp的值放到r1。
: O( z, |/ D: Y8 ^1 O& Rline 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。

$ T% K$ ?$ A  m+ Fline 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
( o1 _& f2 ]- u2 F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
   ( ?4 E$ M) l7 X/ Q- U) m7 @0 {
2.     227         add r2, sp, #0x10000    @ 64k max
   
3. 
   
4.     238         cmp r4, r2
   5 l7 E( m" @' o2 e4 Q
5.     239         bhs wont_overwrite
   
6.     240         sub r3, sp, r5      @ > compressed kernel size
   1 S+ [4 P) |& z6 \' T
7.     241         add r0, r4, r3, lsl #2  @ allow for 4x expansion
   8 S0 P2 l8 @( e
8.     242         cmp r0, r5
   
9.     243         bls wont_overwrite
   
10.     244
    1 i0 i4 U/ S  n! t
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    
12.     246         mov r0, r5
    6 ?; U7 ?: x% O! \+ U4 z9 C( L6 V
13.     247         mov r3, r7
    
14.     248         bl  decompress_kernel
    2 Z2 S$ ?" R! S' x0 M, n
15.     249
    3 ^3 k% V" _9 H( x: y0 t7 \7 R) ^0 k
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，
* s* l3 F( D9 w3 `( B! `, [- A" jline 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。
+ R) |1 i' b/ d. D2 x1 W% t' ?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
   # d, ~, ^5 g2 ^" w0 ]4 G& e
2.     284         mov r3, r7
   ! H9 [$ w9 a5 o, H5 P: s' B
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)

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果然r0~r3就是的參數。

gogojesse

由於解壓縮不是我們的重點
; B8 E4 q" A, S/ |: }2 I沒有trace
假設一切都順利
decompress_kernel結束後
) H, q$ n2 O% u! G* d4 Z我們就得到一個解壓縮完的kernel放在r4指向的位置
2 @0 v# F1 m) Qline 286,會jump到call_kernel，如下:
line 516, flush cache
; F$ X+ d' X2 P1 v- ^% Lline 517, 關掉 cache
4 _0 F1 q7 i8 x1 C/ e1 M) yline 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。
9 }) ^, C; R2 l! \' I3 M5 q
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
   ! R# C" `3 ]4 J* C
2.     517         bl  cache_off
   9 T# H% B/ e. A& ~/ e5 p
3.     518         mov r0, #0          @ must be zero
   7 W9 x1 ~$ y, j
4.     519         mov r1, r7          @ restore architecture number
   + f. x8 S' D8 a! B( g$ A
5.     520         mov r2, r8          @ restore atags pointer
   9 q+ S' p5 f0 U1 A' [8 d4 E2 n
6.     521         mov pc, r4          @ call kernel

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kkbbs

很棒的分析....
  C9 }" K0 S1 Z0 `* _/ ?0 t$ p6 B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....
非常據有參考價值
感謝大大分享    感恩

# g% T' z7 x  m# Y1 h$ n/ ?+ [
0 p* ^* Q8 K/ Z- {* H% a; @謝謝  
有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
# B" z& ~8 y7 h8 R歡迎提出來一起想想...