trace linux kernel source - ARM - 02

gogojesse

開始跳進去head.S之前
% K& f) U9 j: S先來看看bootloader
7 O2 a* b+ V* u當板子通電,最先被執行到的通常是bootloader
; v% T' ~8 u9 g) z透過它才有機會去改變載入過程
9 V& Y( `1 z7 v( c8 b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
! y& b" U1 _, K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
' \/ X* ~# j. s5 \
1. r0 = 0
0 S7 h9 q; r. F6 r6 r" ~2. r1 = architecture ID
3. r2 = atag list
0 L" a6 N+ ?# o# p" A" r" A4. mmu off
5. I&D cache off
. y- B  V; d' E7 J5 G* o
1 b" w( a- i+ A5 a' I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。
6 J6 y9 c) O0 \我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   4 x4 l$ M0 L* \5 j- t
2.     115         .type   start,#function
   1 ]( `9 l# \4 L- |
3.     116         .rept   8
   # ~' i: R: L* F6 W* Q. R
4.     117         mov r0, r0
   
5.     118         .endr
   
6.     119
     b- N% Q4 B$ f2 k- E, c8 j
7.     120         b   1f
   * _; J; o0 |+ w* W1 d. V
8.     121         .word   0x016f2818      @ Magic numbers to help the loader
   6 Z* d. x" M+ M1 s  M" g
9.     122         .word   start           @ absolute load/run zImage address
   1 q* K  x4 W  K+ p
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
+ g3 k, \" R' B& W6 P% x9 }, E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
' k& s0 J& P) _% n- Y『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。
(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~)
- w2 U2 Q6 |: I% l( I8 V  `
& L9 ~$ X& l( z9 l" A7 dline 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。
% f7 P0 l6 \! ~- ^  |$ D
# i& A7 P$ D/ S/ w. Rline 124, 125, 分別將r1, r2的資料丟到r7, r8存起來，回想兩件事情。
, W$ k' `0 ^& b' o1. 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。
: B  v7 F& V  Q1 F/ U2. 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
狀態設置好，就直接進入linux kernel呢??
$ g* u! z/ J9 J; h
& Y4 ]8 A$ T+ l& N& V2 Xline 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。
4 Z) u& U3 L0 x* [; ], g& T
5 }# ]  x6 Y  a3 w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?
   1 L8 d1 @* U/ g
3.     135         bne not_angel
   
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   2 f2 H. t2 S5 S  Q, S" W; z! n
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   2 ~6 w6 V8 O  N! U% x1 }
6.     138 not_angel:
   3 x6 @, J" S& g6 G: ~
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
   ' H- e: ~7 T5 Y( q! ]* h
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
' v/ h; C8 Y5 P/ ]) \! |3 |/ K用來控制和表示processor目前狀態的。
3 V! a' P! g5 Y5 ^4 H1ine 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。
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
1 R" y2 g# ^0 w2 z1 S是一開始ARM processor預設執行模式。

line 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
' m5 h- u) P, \7 r5 v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
3 a0 t7 R* o/ vhttp://tech.digitimes.com.tw/pri ... FE2482571DD006E9DC5
) ]+ B. e$ R; S/ B- `  H- Q
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
3 u+ Z/ O# o8 p+ Q看看有沒有哪位大大要認領
開一篇bootloader的文章   
& y# |- V; E1 |$ }
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
6 D! l# N% x& M2 ?這邊插點符號跳過文繞圖
.
( s9 K" I2 G7 P1 C' H.
.
& E2 o$ U8 t, ]3 B) [: M8 w  E.
2 u- ~3 [* I1 k( H( }7 m.
3 m& J7 ]7 x7 {. F1 f& p; _.
( x/ |% B3 ~$ t) l/ d9 L5 ]9 I.
" D. Q$ ]' P6 u. @  ^& [.
5 z" [. w; ]/ W1 c/ I) x.
.

1. 157         adr r0, LC0
   # U* T2 C1 q, }" g, k
2.     158         ldmia   r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}
   
3.     159         subs    r0, r0, r1      @ calculate the delta offset
   0 K3 N" e$ q4 W: u* s: z, j( y
4.     160
   
5.     161                         @ if delta is zero, we are
   & q* E1 v. |) R9 }$ E
6.     162         beq not_relocated       @ running at the address we
   8 [" ?& b+ X2 W) g% \
7.     163                         @ were linked at.

複製代碼

1.     288         .type   LC0, #object
   $ O% b2 X/ [" t
2.     289 LC0:        .word   LC0         @ r1
   
3.     290         .word   __bss_start     @ r2
   ! c1 v$ O( V6 z2 m0 j9 a
4.     291         .word   _end            @ r3
   # t1 z, n5 e3 Q& `0 ~" F
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   
6.     293         .word   _start          @ r5
   ! h/ g+ p; _+ ?- V
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
    
11.     298         .size   LC0, . - LC0

複製代碼

line 157, 將LC0的位址當作值放到r0。
line 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
: }* a9 z& I0 z7 L1 S$ J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』
  W; b3 ^% i: |/ D- n之間的offset，這樣做有什麼意義? 繼續往下看。

! l. p6 I9 w4 o! yline 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??

往下看

1.     172         add r5, r5, r0
   
2.     173         add r6, r6, r0
   9 |9 b4 P* N; t) Y% i) k# A
3.     174         add ip, ip, r0
   
4. 
   - c. r, M1 @0 }# U
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   6 Q, D4 B0 i, g6 @- c% {+ ?  M
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
   2 K% E9 P: `4 M7 |5 _
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   ! L/ x$ t" _( n. O4 [+ T- \! ?2 ~) J' f
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   / _. f+ L7 t/ Z' X5 e/ W  c
10.     207         cmp r6, ip
    
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
' _" ?$ z2 |2 W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。

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。
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
& A  B" K9 R: Atime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
   
4.     214         str r0, [r2], #4
   
5.     215         str r0, [r2], #4
   
6.     216         cmp r2, r3
   , a1 J4 Z/ w$ p" y" t) ?- F
7.     217         blo 1b
   
8.     218
   2 ?2 R& m' [6 \. r( M7 g
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( `0 `7 D/ B( u0 h/ X
# h$ d6 V, G# N5 e9 `9 Z8 L; }* p3 a; Tline 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.
: q, ^2 y' u, k& v. a換句話說，開始將bss裡頭的值都初始化成0。
! ^, n- s* h& Y5 j9 ~& N4 B' [- H3 Wlin3 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。
& v/ Q" s) X: {+ i: G
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. 
   . z! P1 n! `  W0 N: t  x% |/ L
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   , z) c3 \: D5 B: v
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   ; ^* {+ D; f9 E. A1 [; X
6. 
   
7.     543 1:      ldr r1, [r12, #0]       @ get value
   2 {2 Z0 d0 l( O( ~' o! V
8.     544         ldr r2, [r12, #4]       @ get mask
   
9.     545         eor r1, r1, r6      @ (real ^ match)
   1 B! g1 _& u/ U/ ~1 R$ b
10.     546         tst r1, r2          @       & mask
    
11.     547         addeq   pc, r12, r3     @ call cache function
    
12.     548         add r12, r12, #4*5
    0 [4 K6 S. J$ g4 n* _: {1 l$ {5 m
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。
0 R6 a5 X5 S, p( X& Oline 537, 將proc_types的位址讀到r12。
3 g4 Q5 i% S4 n: w) |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
/ M  @9 e% z& I) v4 f/ o/ [  F" b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。
3 y+ X! }1 k0 {5 F7 ]9 bline 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。
9 n/ g" ~  {  H% }line 548, 549, 不相等的話，就把r12加上5x4byte的offset跳回去繼續找。
1 J2 l% o$ o' c5 G  p; K: s. ]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
6 i" J  D8 L8 ?( Dcache 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
% o, L1 `* y$ j4 Q0 [2 y$ {' A從proc_types開始。
* X- C- B1 ]/ @" i$ C' H& S
4 M+ ]; K* ^( |$ J! ~7 h& R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
   
3.     568         .word   0xffffffe0
   
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   % n- Z" T% [; w
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   
6.     571         mov pc, lr
   1 |3 ]: G0 X9 I1 F8 c
7.     ......
   ) W( o& h8 M; o, f
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
   
9.     641         .word   0x000f0000
   : m" y/ P+ [5 L  d0 `3 y4 W# G
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    8 |+ C& R% N3 A, s, ]
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    * Y/ F2 b8 o0 e$ d
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

; H% S. ~7 G9 o' Q  }9 `- B
謝謝  
最近突然忙起來
改天有空再繼續study....
/ K. y) e* H# h5 u# l0 t
另外，這篇是kernel booting的過程的程式碼，應該不能稱呼bootloader，不過
% N& q0 X8 f" E% K- }, m  R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
呼叫了cache_on之後就沒寫了
& C3 b8 o; j, @1 ]現在接著開始

首先我們偷看一下code，
! L; ~3 J: O1 P. Lline 226, 將sp的值放到r1。
line 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。

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。）

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
   
2.     227         add r2, sp, #0x10000    @ 64k max
   8 Y% \. E( {) W7 x' a! z3 \  O
3. 
   ( m7 `$ z' }- r  v, ]4 t* d
4.     238         cmp r4, r2
   , P3 a5 m5 v4 O
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
   6 W/ |( A8 D! H) w, C. v
9.     243         bls wont_overwrite
   
10.     244
    ( i6 K) @- P1 c3 K. N6 U( K
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    
12.     246         mov r0, r5
    
13.     247         mov r3, r7
    / q: s$ x) `0 T& g' B! C
14.     248         bl  decompress_kernel
    
15.     249
    * r0 |; Y) O0 U1 f+ c% f3 v( U6 C
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，
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）
: D5 ^$ Z, b6 w; A; ~: qline 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。
9 Z/ E- e% \5 Z0 B% Eline 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
   
2.     284         mov r3, r7
   
3.     285         bl  decompress_kernel
   " `1 M, k" h' W; h9 d% t8 y
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)

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
沒有trace
1 @, g5 y5 y/ T7 C- u- K3 |假設一切都順利
decompress_kernel結束後
; r8 b7 {: U( T我們就得到一個解壓縮完的kernel放在r4指向的位置
4 S, h9 n9 O8 P" D% f/ W" E! ^5 `line 286,會jump到call_kernel，如下:
line 516, flush cache
line 517, 關掉 cache
/ T5 b' `; W, ^line 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。

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
   $ v7 ], {5 I5 V* c& q* ^) e0 L4 S- {
3.     518         mov r0, #0          @ must be zero
   
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
感謝大大分享    感恩

gogojesse

原帖由 kkbbs 於 2008-10-11 10:39 PM 發表
2 e$ Y! c. b9 k' q6 p% N很棒的分析....
& v$ D0 l2 Y( L6 B非常據有參考價值
7 V3 ]- W+ \$ r感謝大大分享    感恩

' `$ s7 m/ f( n. u# Z6 q0 [/ ~4 s
謝謝  
# c: ]( e: G- P有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
歡迎提出來一起想想...