trace linux kernel source - ARM - 01

gogojesse

昨天下載了linux-2.6.26的kernel source
打算trace一下 (以ARM為例子)
0 _" M$ Y; }7 [" n' h" l4 a3 G% U+ {看看能不能多了解一下kernel booting時候的一些動作
6 I3 T1 [  p; J6 N. d2 i, w4 V- Y一些文章提到是從/arch/arm/boot/bootp/init.S開始
所以節錄了一些下來

6 N! l1 s. E& Q; u- }& l) U     19         .section .start,#alloc,#execinstr
     20         .type   _start, #function
     21         .globl  _start
, X7 O/ f5 D: i: |: G, N     22
     23 _start:     add lr, pc, #-0x8       @ lr = current load addr
" ^" f$ k+ _1 K  X     24         adr r13, data
1 I% S( ~$ ~- b5 ]- B/ g1 r/ N     25         ldmia   r13!, {r4-r6}       @ r5 = dest, r6 = length
8 y# L! k9 N, f% P; }% [     26         add r4, r4, lr      @ r4 = initrd_start + load addr
( `  P/ o* r0 h9 F4 j: g( M* K; N     27         bl  move            @ move the initrd
     .....
- h' a2 v  S2 ^/ G* T* V     76         .type   data,#object
, a! U2 }1 z2 \0 S% i; ]     77 data:       .word   initrd_start        @ source initrd address
" K, @8 A; @, ?     78         .word   initrd_phys     @ destination initrd address
2 n/ X, l0 {' X; U     79         .word   initrd_size     @ initrd size
3 S/ ]" \2 K4 T" ]) P' }) m% I     80
) K2 Q/ P. K- R% x/ e  Z* D4 T
line 19,宣告了叫做.start的section
line 20,21宣告了一個叫做_start的function
2 @+ [4 X: j& e5 B程式碼似乎從line 23開始
line 23, 『add lr, pc, #-0x8』
& y* S; t3 |  T7 @. kadd就是將pc+(-0x8)的結果放到lr之中，pc和lr都是ARM裡頭暫存器
4 l2 X# ~5 i& M3 zpc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
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
& b9 U6 v  E7 s2 O7 [2 Ireturn時候的返回位置。奇怪的是為什麼要-0x8??
5 A, p+ O- E+ q: V9 y7 R+ V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。

9 w% s8 ]$ G" G4 l. Kline 24, 『adr r13, data』
adr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，
常縮寫成sp，所以現在r13就指到data所在的位置上去。
6 w8 l: K6 v( s- u6 d& B
line 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
) ]( ^! d* v6 D# D7 Xload完就把位址+1，執行完之後
r4 = initrd_start
; r! |: k5 O; Z, y4 Rr5 = initrd_phys
" y, \6 M: R* }" @. X- ^r6 = initrd_size
, h, U" b/ ^% _( V6 f/ C
( X* h  p; }/ P* L+ P# y# k4 wline 26, 『add r4, r4, lr』
8 A/ C; r! K3 q! S" A  F% [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
  I/ N; c: ~! y4 z後有沒有被用到。
2 @1 V& f9 p4 r, [/ T% G: l) ?0 s! U
line 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。
7 k' X& O. |( z% o  J: E) P
) ?( c/ q2 b) w1 Z0 g: f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
) [- ~! g, Z' u, l例如 initrd_start, initrd_size等等
其實是被定義在另外一個檔 ./arch/arm/boot/bootp/initrd.S
% [, R/ Y- |& D
      1     .type   initrd_start,#object
      2     .globl  initrd_start
+ Y9 m- [3 z$ @8 i8 R- i. q      3 initrd_start:
      4     .incbin INITRD
      5     .globl  initrd_end
1 R+ b+ z0 S- U& n+ F$ @" `1 m  i  F' ~      6 initrd_end:

line 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
這邊有點複雜
假如compiler kernel的時候
有選擇使用ramdisk當成boot device的話
會對從環境變數去設置 INITRD
這個檔名會被帶入到MAKEFILE
並且在做assembler動作的丟進來
假如沒有使用initrd
. {: e# E9 v' @3 u那就.incbin應該就包不到東西
initrd_start 和 initrd_end 就會相等
0 n& m$ b/ U4 q% x# V* ]
0 Q" b9 x: X" O0 A6 {2 Y+ G7 T6 H6 Z另外有個 script ./arch/arm/boot/bootp/bootp.lds
. N7 @7 L+ \& P4 x8 N* S它規範了所有link起來的object code裡面的section要怎麼編排
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
* u, z! v7 Y0 d2 `
     10 OUTPUT_ARCH(arm)
) E; Z  `5 b( t( V, A' H. V     11 ENTRY(_start)
2 `0 R8 r" p9 V# Q$ P     12 SECTIONS
     13 {
     14   . = 0;
$ ^& \3 i7 Z, \) j! M     15   .text : {
     16    _stext = .;
     17    *(.start)
     18    *(.text)
) S% u" b8 {- \6 B     19    initrd_size = initrd_end - initrd_start;
     20    _etext = .;
# f7 P5 |* T6 a! |; L* ?     21   }
- y1 n2 l* t" P) K) x% E% Z     22
& @! x+ Q* Z- g     23   .stab 0 : { *(.stab) }
2 T; q1 [# O7 b- g     24   .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
     25   .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
     26   .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
     27   .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
5 L( K- B  c6 i4 a3 n     28   .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
1 B7 |" }$ R0 F6 ?     29   .comment 0 : { *(.comment) }
     30 }
0 ]# J% ~9 j9 E9 k0 M
/ Z( I( W- j" d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
) @6 p5 t5 H# P2 m( l/ z, |之前的code已經goto到move這邊來
所以貼一些move的程式碼

     66 move:       ldmia   r4!, {r7 - r10}     @ move 32-bytes at a time
     67         stmia   r5!, {r7 - r10}
     68         ldmia   r4!, {r7 - r10}
" l; {$ P. ?3 ~, p$ ~) t     69         stmia   r5!, {r7 - r10}
     70         subs    r6, r6, #8 * 4
. ], H0 L9 C% q7 k# e% U7 |# w     71         bcs move
     72         mov pc, lr

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
' E/ n% Z/ }5 _用到了，但是為什麼r4不是用initrd_start，卻還要加上load addr??
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
所以 initrd_start 所記錄的位置可以當成是offset
9 J6 D4 i  V1 |# ~$ @加上load到DRAM或是擺在flash上的位址後
8 T8 y  ~% G* ~4 |  p2 y! X& s就剛好是initrd所在的地方
; ]0 N$ Q$ M7 |2 D& h9 U5 Z+ ^
6 N1 W2 s8 o7 l3 X" Eline 67, 『stmia   r5!, {r7 - r10}』
7 ~; O' k. r- {0 x, e+ zstmia, store multiple increment after, 和ldmia動作相同，只是用來寫資料。
6 ^4 c; A5 c$ S: A9 Tr5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
0 B0 j3 M/ a) ]  z  A' ?2 Xr7寫到r5指到的位置
r8->r5+1
. Y# d/ Q1 C( K( O, o& a  J! Ir9->r5+2
9 g6 o/ o3 ~8 o: N2 gr10->r5+3
/ p* F" Z  ^- k4 z0 Q: \% g所以我們發現，66,67行就是將r4所指的東西搬到r5。
7 c6 i4 e8 Z1 @) b: Q
line 68, 69也是一樣copy了4x4bytes，一共是32bytes。
line 70,『subs    r6, r6, #8 * 4』，將length - 32bytes
+ t# E4 R* C2 v& b$ \; H7 \- aline 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，
  X6 p! k/ J# f1 O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。
0 k& ^) h2 f' ~4 ?( }& @line 72,『mov pc, lr』
' j5 E! S* I* ], 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。

以上的動作，慢慢看得出來有在做些什麼事
" ]; K( N9 ~* C4 e1 S7 w3 D8 J1. 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
   
5.      37                         @ r8 = initrd end
   7 p& A/ @9 w8 w2 p
6.      38                         @ r9 = param_struct address
   
7.      39
   / U5 S+ I! i/ c* i8 i
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
/ d/ K, U5 R. {# ]的意義，注意一下這邊的r7是initrd的destination address不是source address。

line 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。

. D5 v8 _2 x- z1 k" P0 S' eline 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。
1 d/ {. O) q. [7 h  t/ S
繼續接著看

1.      45         movne   r10, #0         @ terminator
   
2.      46         movne   r4, #2          @ Size of this entry (2 words)
   
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
所做的事情，注釋是寫『If we didn't find a valid tag list, create a dummy ATAG_CORE entry.』
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
   * n9 p$ ^& ^  m! j
2.      55         teq r10, #0         @ last tag (zero length)?
   ) Q: h+ ]  ^& y& J& z) Q( M
3.      56         addne   r9, r9, r10, lsl #2
   3 k, M! X# s, J: m+ h) N7 V
4.      57         bne taglist
   & e* k1 a/ ~: x7 j
5.      58
   5 e; `, c/ z5 n/ R7 a  U
6.      59         mov r5, #4          @ Size of initrd tag (4 words)
   
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
) F& s. u5 V- G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.         u32 tag;  /* tag value */
   
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
5 y/ v0 \8 m6 ]+ A0 ^: A( o  h8 O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 \! v! d2 g
, w  s! D  w) D. V4 Yline 59, 將r5設成4
; ]( }9 k" ]% T( W; _9 ^line 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。
/ y4 a# I$ \, B& @$ O+ Xline 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
" z1 S5 x) t# e! W8 p1 Zlr紀錄返回位置。
/ s- P. j) a- q$ k: c9 H
. F& z( q+ ~# i以上，走過一整個init.S,接著會跳到./arch/arm/boot/compressed/head.S。

9 ~  G; g& }. Z, Ukernel_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

1 v/ w, j+ n! ^! y+ V1 X

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
但是沒表明出處 = =
還把標題改過，感覺像是他自己寫的
真是麻煩~

) A9 K3 j! M+ T! |& F0 ]! q已經好幾次這樣的經驗
以前幫忙有弄網站也是這樣
抄襲得很嚴重
* r+ U) [( V$ X8 }內地那邊到底有沒有在管啊!!