trace linux kernel source - ARM - 02

gogojesse

開始跳進去head.S之前
0 {7 b" g$ A! \! c$ j先來看看bootloader
+ M3 C8 t' b" _8 {+ x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
1 S& [6 b* F; f0 O: s' h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
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
/ a1 r& N! {, \: R
8 |- \$ i, ]5 }9 u( u3 E1. r0 = 0
2. r1 = architecture ID
3. r2 = atag list
1 K" v% j* ~7 ^* Q  J, `4. mmu off
9 `2 P4 w2 I; ^5 I, O# \, B5. I&D cache off
2 }3 W0 F1 W, l5 t, 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。
我們首先來看一開始的程式碼進入點

1.     114 start:
   ( y( f! W2 d- Y* |/ |
2.     115         .type   start,#function
   $ `/ M3 u- P3 H& ]  F* m
3.     116         .rept   8
   
4.     117         mov r0, r0
   
5.     118         .endr
   2 _6 _4 _- Q0 ^4 [+ y$ _7 S
6.     119
   
7.     120         b   1f
   3 e4 e7 `) \4 S- h' A
8.     121         .word   0x016f2818      @ Magic numbers to help the loader
   7 Y+ U' F) q1 O+ U
9.     122         .word   start           @ absolute load/run zImage address
   
10.     123         .word   _edata          @ zImage end address
    ! R% W- C/ d) V5 j5 |! T" g" p
11.     124 1:      mov r7, r1          @ save architecture ID
    ( k0 ]6 _1 W2 N7 Z# A4 R
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
. ^1 k! Y; R2 j$ g4 g& g1 ~/ a! Q『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。
/ \' Z1 r  l& z$ S9 W8 E(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~)
1 Y, ~! w2 a4 k) T
line 120, branch到1的地方，f是指forward的方式找branch。
7 D! m/ I3 w$ r6 d
line 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。  

+ W/ i1 M' q+ o) r& b$ Z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??

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
3 ^1 D# z1 Z- t0 J. O: {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。

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
   ( n. _' _( D+ D9 m$ r" f- V
2.     134         tst r2, #3          @ not user?
   
3.     135         bne not_angel
   : H, H. A% d6 `
4.     136         mov r0, #0x17       @ angel_SWIreason_EnterSVC
   ( c- r7 a* ]5 w$ l, ]8 g. }5 H
5.     137         swi 0x123456        @ angel_SWI_ARM
   
6.     138 not_angel:
   
7.     139         mrs r2, cpsr        @ turn off interrupts to
   + U" w4 x0 _/ m
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
用來控制和表示processor目前狀態的。
7 `6 ]/ E+ u) [- g; i; `1 ], v6 k1ine 134, tst = test, 看看r2是不是等於3。
9 Y+ _, X6 R0 n* G; s  Vline 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。
: C: f0 o$ n% [. {' ~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。
$ I# N) |$ u, r1 D
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
, K  z2 o9 v$ g5 o0 |. v常會已經support很多driver，中斷也很頻繁。

jacky002

補充資料 - ARCH: ARM11 -> v5
, `9 O' y! M" X0 e- }1 y5 M可參考
http://tech.digitimes.com.tw/pri ... FE2482571DD006E9DC5
2 i. e1 U' E5 G3 u* I  \* T% ?
  S9 L" ^# M/ d+ M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
看看有沒有哪位大大要認領
' x) ~2 r) R8 h開一篇bootloader的文章   

6 ?+ d: g8 ]" U. A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
" f  D7 v- X4 K3 Q0 s, n; J; ?' }: ~& L.
0 @* w8 P/ u, }.
! w5 `3 {0 j! t! O. Z.
.
.
.
. L$ G- w. U4 r+ O' J.
, x. q/ g" @8 C% w4 {& E.
+ D( k( @: O9 \.
.

1. 157         adr r0, LC0
   
2.     158         ldmia   r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}
   " `- G3 [0 p4 `" y* h. H# a4 T
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
   ! W" Z5 I$ L' R# n+ d
7.     163                         @ were linked at.

複製代碼

1.     288         .type   LC0, #object
   - i  H2 o! [9 W) H: m7 X
2.     289 LC0:        .word   LC0         @ r1
   
3.     290         .word   __bss_start     @ r2
   ; o2 Y( w- l9 a$ D) g$ X7 f/ ]: G
4.     291         .word   _end            @ r3
   
5.     292         .word   zreladdr        @ r4
   
6.     293         .word   _start          @ r5
   
7.     294         .word   _got_start      @ r6
   ' x6 H4 H+ i) D: `  J6 R/ C
8.     295         .word   _got_end        @ ip
   
9.     296         .word   user_stack+4096     @ sp
   1 b3 i& v# D, S6 S
10.     297 LC1:        .word   reloc_end - reloc_start
    # X3 X( L2 ^, H
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
1 d$ t6 P, P. Yline 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』
之間的offset，這樣做有什麼意義? 繼續往下看。

: y( i. V7 `) E" `% |- H& l# O5 eline 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
8 i) T7 S; E* S  m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??
5 D7 b6 n/ F( v, D& r
往下看

1.     172         add r5, r5, r0
   . n5 g8 i6 P. ?" }
2.     173         add r6, r6, r0
   
3.     174         add ip, ip, r0
   - c5 X$ {) @* ?- A" C
4. 
   
5. 202 1:      ldr r1, [r6, #0]        @ relocate entries in the GOT
   
6.     203         cmp r1, r2          @ entry < bss_start ||
   
7.     204         cmphs   r3, r1          @ _end < entry
     \# ?& a( {1 l% C
8.     205         addlo   r1, r1, r0      @ table.  This fixes up the
   + [0 v, p6 ^! ?$ C) d9 s: p
9.     206         str r1, [r6], #4        @ C references.
   
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
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。

; P# J- R. {1 N, h' v% Sline 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
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

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
     |) F+ _- s  m/ D2 l% R9 W
4.     214         str r0, [r2], #4
   4 n: U7 y) j# a  I, f3 i; z
5.     215         str r0, [r2], #4
   9 B, E  _% w1 z
6.     216         cmp r2, r3
   - B& K& L$ o( X; n3 X6 M
7.     217         blo 1b
   3 @% I4 L8 ?0 b! s5 P3 i
8.     218
   / v1 c& c) j1 f- R1 f7 e
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?
- ^' |, N3 S! Y: Z2 p' r# W3 |( M9 A
9 a% V4 r# c3 f6 B; Y1 ]9 Bline 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.
* c( v( p$ T$ Z: \3 X3 X) [2 ^換句話說，開始將bss裡頭的值都初始化成0。
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。

5 M6 S  h. @+ L; ]4 }7 `* e4 i& wline 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. 
   . K  u: [1 O- A- [6 t
4.     537 call_cache_fn:  adr r12, proc_types
   " o% N0 Q7 q( z1 o. {6 t
5.     539         mrc p15, 0, r6, c0, c0  @ get processor ID
   3 `& a5 P0 c( a$ ]- X8 R
6. 
   
7.     543 1:      ldr r1, [r12, #0]       @ get value
   - i8 l0 U9 S* }" Y
8.     544         ldr r2, [r12, #4]       @ get mask
   
9.     545         eor r1, r1, r6      @ (real ^ match)
   
10.     546         tst r1, r2          @       & mask
    
11.     547         addeq   pc, r12, r3     @ call cache function
    
12.     548         add r12, r12, #4*5
    % k# F& D( y) m' x% O
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。
9 m0 Q3 T5 G! z( G7 U7 Oline 329, jump到call_cache_fn。
line 537, 將proc_types的位址讀到r12。
4 o% W, w  ]/ U) v  zline 539, 將coprocessor裡頭的CPU id讀出來放到r6
0 N  N; y& Y" ]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
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。
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
: k0 N# f( j* s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。
& N2 \- t* _% v) j1 kline 548, 549, 不相等的話，就把r12加上5x4byte的offset跳回去繼續找。
; d1 p- Y; \: h) W) J( b, g) r" p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。
2 b- S3 Z# r/ ?4 e" ^
( m& G8 C5 S' ^: w% b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:
   ; ^; ~9 c' O" t3 r7 {2 g
2.     567         .word   0x41560600      @ ARM6/610
   
3.     568         .word   0xffffffe0
   
4.     569         b   __arm6_mmu_cache_off    @ works, but slow
   $ X: b5 y% w: F: [/ j
5.     570         b   __arm6_mmu_cache_off
   1 ]$ W, g( h, Q" V# y4 i
6.     571         mov pc, lr
   
7.     ......
   
8.     640         .word   0x00050000      @ ARMv5TE
   
9.     641         .word   0x000f0000
   : a$ f: n6 \6 Y0 I  }# U
10.     642         b   __armv4_mmu_cache_on
    
11.     643         b   __armv4_mmu_cache_off
    ; P, C9 `8 C% R
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

: a' w! a6 y4 t$ e7 [" W謝謝  
% ~0 L1 l, z0 J+ a, Z9 g最近突然忙起來
改天有空再繼續study....
, J0 c6 a3 n/ l# }) t
另外，這篇是kernel booting的過程的程式碼，應該不能稱呼bootloader，不過
" c* u  K/ t2 V- G. T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
現在接著開始

, J% @1 T9 r* R& r首先我們偷看一下code，
line 226, 將sp的值放到r1。
& X; a4 F3 {4 {: t- W* j0 s$ M, Pline 227 將sp的值加上0x10000放到sp。
4 K  j$ D  u# Q
, Q  o6 j  R6 H. N4 ]1 G/ Y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。
& z; u# q* z8 X$ r- X! L% ]
/ X, G  g; j. Y4 E. iline 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，
! }0 j2 S! k6 U+ X& H- t$ ozreladdr-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。）

+ Q4 g8 W# o1 T* b  v' P* h& Vline238~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
   6 X; {1 l. }5 t& r) {
2.     227         add r2, sp, #0x10000    @ 64k max
   
3. 
   
4.     238         cmp r4, r2
   ! u$ w# A: i( V1 }' F6 F
5.     239         bhs wont_overwrite
   ' |2 @" K$ m% F' d7 W
6.     240         sub r3, sp, r5      @ > compressed kernel size
   2 n' R+ d/ i7 D% C/ }% q
7.     241         add r0, r4, r3, lsl #2  @ allow for 4x expansion
   $ o# c# b) W$ }0 z& d
8.     242         cmp r0, r5
   
9.     243         bls wont_overwrite
   
10.     244
    . O: i& \/ ^0 o7 ]
11.     245         mov r5, r2          @ decompress after malloc space
    * n$ J; _5 Y; H8 ?. p. t
12.     246         mov r0, r5
    # A6 u, L; x! @* k, R2 g
13.     247         mov r3, r7
    
14.     248         bl  decompress_kernel
    
15.     249
    & \# r" a/ a0 E* I& A, P+ s& {
16.     250         add r0, r0, #127 + 128  @ alignment + stack
    " J7 \5 p* o: [0 }3 I. ]
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，
/ x3 U6 {+ F4 W. n8 d( iline 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）
0 ]: W& c: ~- h9 t9 r% v" F" b+ @' cline 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。
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
   2 L' P9 E: s) I1 c/ w
2.     284         mov r3, r7
   
3.     285         bl  decompress_kernel
   3 g4 }' |# I' h2 ~
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
假設一切都順利
decompress_kernel結束後
, E! r# \, M1 \; A% o) \我們就得到一個解壓縮完的kernel放在r4指向的位置
& M/ z9 @+ S6 r$ P2 Jline 286,會jump到call_kernel，如下:
+ T" F) o4 e' |( M7 u" pline 516, flush cache
line 517, 關掉 cache
line 518~520,將r0, r1, r2分別填值。
& b+ P5 m  a/ p7 @! Sline 521,將program counter指到r4，也就是解壓縮的kernel的一開頭。
, I1 x7 M/ K/ b- u# ~0 Z
; u; X1 Q2 a  v/ @* n" {/ a7 ^! V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
   
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....
9 s4 x' R' j# g, ~3 F8 m5 c- v7 s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....
; r8 I6 S0 c9 D非常據有參考價值
# d) ?% E5 e! ^感謝大大分享    感恩

" G& O6 B9 K* L; }- X" e
/ A$ ^) u! X. L謝謝  
; d2 o' _8 a5 ~4 d0 R8 A有哪邊寫錯或是有怪怪的地方
歡迎提出來一起想想...