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
8 E( g% ~& ^1 u' ~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
& Q, C! j- |9 O4 A" B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

. ^8 _! }! j8 e! G: S1. r0 = 0
) i. W( Y' y& w& f2. r1 = architecture ID
) x( P) p6 Z  \3 k& [* {: K3. r2 = atag list
- q6 ]; N) l7 R+ ?+ z4. mmu off
1 z( e; n3 Y# m: ^: k! g' Q5. I&D cache off

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。
我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   , S/ W! k& K" [7 F
2.     115         .type   start,#function
   
3.     116         .rept   8
   - L4 K) E7 A( B: n
4.     117         mov r0, r0
   
5.     118         .endr
   ( y2 |* {- y& N/ _% f% w  n, Q! T+ i  t
6.     119
   
7.     120         b   1f
   
8.     121         .word   0x016f2818      @ Magic numbers to help the loader
   $ `/ ]. B$ L" ?6 |  L3 Y: p/ \9 l$ [/ w
9.     122         .word   start           @ absolute load/run zImage address
   0 s( F' U' t/ t$ e1 ]8 D0 G- E
10.     123         .word   _edata          @ zImage end address
    ; K# A; z& T7 L  ~8 u
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
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。
- @9 P% X' F) m8 Q$ Q" Q7 `(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~)
$ O3 I, \( q# `" |! t8 c/ S
line 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。
; I+ A8 F9 M6 q$ t" ]
. s( S4 Y: S* Y* F4 @! }3 V6 e' n" F4 Kline 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。
6 ?( Y( d1 P' w8 [% S2. 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
* V( v, h) y; h) L狀態設置好，就直接進入linux kernel呢??
3 f  \7 C) T) W% l8 ~8 j
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
- ^* N2 [' t% {* y, W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。

" `$ X- N, C' g" Z3 `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?
   7 }% k, r; _! D/ e( a
3.     135         bne not_angel
   $ P6 G* X, J9 O& E
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   , s8 M0 {! ]* v  N
6.     138 not_angel:
   0 N* C" N+ \& [: v- D* B2 r5 M
7.     139         mrs r2, cpsr        @ turn off interrupts to
   
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
0 A9 e7 D2 G+ m: {6 \, Z用來控制和表示processor目前狀態的。
, z" o$ y6 \7 T& 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
來boot armlinux，應該是angelboot會特別跑在3這個mode。
5 G: k, H( q# z' Y6 Kline 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
6 \# M% _2 e6 a是一開始ARM processor預設執行模式。
9 P, m/ q0 Y( o. r/ M! m
- b8 ~  b3 d/ s( `3 y+ sline 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
3 E5 G! y8 j* f6 L, ?+ Y( N/ j常會已經support很多driver，中斷也很頻繁。

gogojesse

原帖由 kkbbs 於 2008-10-11 10:39 PM 發表
很棒的分析....
1 D2 l0 p5 O4 k' r非常據有參考價值
# s! J; D5 V5 Z, z感謝大大分享    感恩

謝謝  
有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
! f  N$ B# H2 x+ I5 T( O歡迎提出來一起想想...

kkbbs

很棒的分析....
, v) R$ x/ {9 e- O2 s5 q9 ]6 H非常據有參考價值
感謝大大分享    感恩

gogojesse

由於解壓縮不是我們的重點
沒有trace
假設一切都順利
4 X' E4 u6 E, B; Z, a# ldecompress_kernel結束後
! K0 ]9 z7 y) b3 I: J* ^( V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
5 z5 i) L5 {# P. C. [  e4 vline 518~520,將r0, r1, r2分別填值。
, p' ?6 `; x6 d! ~5 Iline 521,將program counter指到r4，也就是解壓縮的kernel的一開頭。

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
   + N! d$ ~' Y7 J/ f7 C
2.     517         bl  cache_off
   
3.     518         mov r0, #0          @ must be zero
   - G; L1 P# J+ x: \3 j6 ]& c
4.     519         mov r1, r7          @ restore architecture number
   
5.     520         mov r2, r8          @ restore atags pointer
     q5 {+ G5 U. b; L! ?
6.     521         mov pc, r4          @ call kernel

複製代碼

gogojesse

忙了好一陣子∼
4 \+ x4 Z; a# {) q: g& E之前trace到 ./arch/arm/boot/compressed/head.S的 line 224
呼叫了cache_on之後就沒寫了
* v. j( E3 s6 A% h現在接著開始
) y: g0 d+ T: ~8 f3 V7 V3 {, K6 y
首先我們偷看一下code，
' }0 H$ }7 Z, ~line 226, 將sp的值放到r1。
line 227 將sp的值加上0x10000放到sp。
( w2 S5 l( {2 C1 z
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。
7 @: f7 `6 ~$ F
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，
8 V- W/ T) W- i% |7 f5 z1 w6 B" dzreladdr-y       := 0x10008000
) K" S3 J8 l" U$ H0 I) c  o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。）

! O( \6 |* |' M/ ?& A+ A3 zline238~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
   8 d3 E# \" F) a5 [
2.     227         add r2, sp, #0x10000    @ 64k max
   ) V/ C& ]/ T' g3 L1 ~
3. 
   1 D& q6 N7 J& U) L. @% X' J$ }
4.     238         cmp r4, r2
   ' I0 E8 o: V, F( p
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
   
8.     242         cmp r0, r5
   
9.     243         bls wont_overwrite
   
10.     244
    : S! c& x+ t' U" @. s* V' X5 s0 l
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    * `( R1 [& i) S$ f& s3 q
12.     246         mov r0, r5
    
13.     247         mov r3, r7
    
14.     248         bl  decompress_kernel
    
15.     249
    . I0 u$ p& |2 d. A4 H
16.     250         add r0, r0, #127 + 128  @ alignment + stack
    # J3 H( i- L  M! [1 H
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。
% Z* A3 a; m- f9 E. a. C* ?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
   " k7 @0 l) Z9 ~* h- c) J
2.     284         mov r3, r7
   5 T: S0 @) s& q+ w; f
3.     285         bl  decompress_kernel
   , g) h3 P! c  Z$ H
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

很棒的分析....讓我能有機會可以瞭解bootloader的一些流程.............感謝

" l9 Q/ ?4 H% J$ A
! n6 M& x7 u, U/ U6 T1 `; y謝謝  
$ c7 |/ P- `. G1 l( k9 x最近突然忙起來
# m2 |. U3 b% ~, E/ x$ F5 M改天有空再繼續study....
$ N. R! F, Y: e( C( C  O4 v
2 v4 r% V2 `* k& p1 J$ `( I7 x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。  

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

放了兩天假出去happy  
接著繼續trace

1.     211 not_relocated:  mov r0, #0
   ; ]! Y0 D  _7 }2 ~' Y
2.     212 1:      str r0, [r2], #4        @ clear bss
   
3.     213         str r0, [r2], #4
   
4.     214         str r0, [r2], #4
   % `% Y2 M3 ^6 ^( F( k
5.     215         str r0, [r2], #4
   ( j& ]- K$ O+ P7 L! E
6.     216         cmp r2, r3
   ; O1 }# ]1 d3 ]1 L
7.     217         blo 1b
   / n4 P/ N) H( G
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?
* M" j6 Q0 Q. `, N% Z5 r! e# M0 p
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。
4 g0 p" n' G/ |% a& \lin3 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。
2 U* k' U$ ?3 w# o2 Z) O2 k
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. 
   
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   " U# X; X( j$ o1 x( y
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   
6. 
   
7.     543 1:      ldr r1, [r12, #0]       @ get value
   
8.     544         ldr r2, [r12, #4]       @ get mask
   # W8 u5 n# A& n: L* k9 e" s. c
9.     545         eor r1, r1, r6      @ (real ^ match)
   
10.     546         tst r1, r2          @       & mask
    
11.     547         addeq   pc, r12, r3     @ call cache function
    % a3 y9 J) [( S
12.     548         add r12, r12, #4*5
    3 T9 l, ?+ s2 I# V1 q! b: Q
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
, l8 E2 ?6 e) q- [9 ^8 Lline 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
* E* n( n/ [3 D- |8 K: s& ]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。
/ ~/ L' k2 C0 R4 O* s5 Xline 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。
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
: o& \/ I; w5 {5 y: y5 tcache 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。
* \* |1 `% [3 _; b* Q* D% x
* f1 u/ l, V1 O% n& j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:
   ( \  v- N% I! t9 M! q8 d/ Q
2.     567         .word   0x41560600      @ ARM6/610
   + v) C3 K9 }/ I% j6 O
3.     568         .word   0xffffffe0
   
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   6 Z: u" C: |2 [
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   ' j- M8 J0 N$ ^. _
6.     571         mov pc, lr
   
7.     ......
   
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
     w2 `$ v: K6 s5 G
9.     641         .word   0x000f0000
   
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    # s  a' n4 u+ P% w* ^  e
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。

gogojesse

程式繼續往下跑
這邊插點符號跳過文繞圖
.
.
.
1 K7 m5 Q3 [. S" d.
.
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.
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.
' Y0 E/ }; D4 s& O4 o! P( y4 e0 T.

1. 157         adr r0, LC0
   ! F% e, `; A" C% c" |
2.     158         ldmia   r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}
   ' T1 D6 J* ~. ?0 w3 F
3.     159         subs    r0, r0, r1      @ calculate the delta offset
   
4.     160
   
5.     161                         @ if delta is zero, we are
   ' h2 b8 j1 `  G. Z  Y9 d
6.     162         beq not_relocated       @ running at the address we
   , y# k- ^5 Z7 D' Y& ?
7.     163                         @ were linked at.

複製代碼

1.     288         .type   LC0, #object
   7 p$ f$ w; b5 U$ Q. H7 c7 G
2.     289 LC0:        .word   LC0         @ r1
   
3.     290         .word   __bss_start     @ r2
   
4.     291         .word   _end            @ r3
   
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   
6.     293         .word   _start          @ r5
   : `5 m* e7 k( q
7.     294         .word   _got_start      @ r6
   
8.     295         .word   _got_end        @ ip
   9 Z3 v3 ]! y! ^5 ?6 a3 {6 {
9.     296         .word   user_stack+4096     @ sp
   
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。
% k4 w; a1 T- \, a/ o$ B' R. Eline 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』
9 [; b) }  a2 c" v之間的offset，這樣做有什麼意義? 繼續往下看。

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
" W5 z9 |& O; t& l' i+ W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...
! a4 i4 v" P* f7 D% b怎麼辦勒??
, Q/ }' Y3 [. r
往下看

1.     172         add r5, r5, r0
   
2.     173         add r6, r6, r0
   
3.     174         add ip, ip, r0
   ( G  S1 b  Y# a& `+ w: W4 g
4. 
   
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   ; @0 E0 \  C2 j9 a
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   2 u9 W3 C5 B6 Z3 K% T# h0 ]2 L. X8 N
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
   ) M& @8 c  w# _7 W
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   : a8 c+ {& l6 K
10.     207         cmp r6, ip
    , @1 M% Y1 U2 q6 e! N# m% ~4 t
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
+ K4 |! x3 m2 h# H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。
& j) x' x2 n  X: n1 K+ Z& W
: q( e% L, j+ m& m, v+ ^( _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。
2 a0 o" W! b4 s* {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。

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

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。

. ]& |5 O8 e5 w2 C2 i1 [- l$ q" j
. i$ G( D2 S6 V, Y0 [6 m; q* B4 l8 P1 h看完kernel應該會花上一些時間
( e" h/ A$ b4 D0 {: i9 D7 E  c2 T3 B9 p5 J看看有沒有哪位大大要認領
開一篇bootloader的文章   

另外，有人要trace x86 or MIPS的架構應該也不錯
% P, |1 Z; k3 u: H5 E' f這樣主要的幾種processor都可以搞定
5 o6 F; u1 e- N" B5 t  ~+ M這樣要跨平台  跳槽也容易許多

jacky002

補充資料 - ARCH: ARM11 -> v5
可參考
( d8 y5 |$ ~, q, _* N* qhttp://tech.digitimes.com.tw/pri ... FE2482571DD006E9DC5
9 r) u/ y+ T6 N: B. `' Z+ K0 Z1 {
建議可在加上UBoot or Redboot的部分，應該可以造福更多初學者。