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RISC-V Linux 启动流程分析
Author: 通天塔 985400330@qq.com Date: 2022/05/15 Revisor: lzufalcon falcon@tinylab.org Project: RISC-V Linux 内核剖析
RISC-V Linux 目录分布
通过文章 将 Linux 移植到新的处理器架构，第 1 部分：基础 可知，我们进行一个新的处理器架构的移植，需要做到以下 3 点：
- 确定这是不是一个新的架构移植。
- 了解我们要移植的硬件。
- 了解内核的基本概念。
在 RISC-V 已经被移植支持的情况下，我们现在要做的是分析，Linux 内核是如何支持 RISC-V 架构的。
- configs/：支持系统的默认配置 (i.e. *_defconfig files)
- include/asm/ ：Linux 源码内部使用的头文件
- include/uapi/asm： 对于要导出到用户空间（例如 libc ）的头文件
- kernel/：通用内核管理
- lib/：优化过的那套函数 (e.g. memcpy(), memset(), etc.)
- mm/：内存管理
- configs 文件中主要是一些配置文件，编译时可以选择默认配置进行编译，配置项较多，我们暂时不进行分析。
- include/asm/ 目录下定义了大量头文件，用于内核编译时使用。
- include/uapi/asm 目录下定义了很多结构体以及宏定义，可以供应用层使用，可以更方便的与内核统一使用一些定义好的数据。
- kernel/ 目录下有许多 C 文件，包含 CPU 获取 id，信号，中断，ops，smp，time 等功能。
- lib/ 目录下供 9 个文件，其中 5 个为汇编实现的代码。用于底层基础函数的实现。mm/ 目录下进行内存的管理，包括虚拟内存分配，页错误处理，cache 刷新等。
架构相关的 include 目录存在于架构相关文件夹，非架构相关的存在与 include/asm-gereric 目录下。
内核第一个运行的地方——head.S
kernel_entry*
start_kernel
setup_arch*
trap_init*
mm_init
mem_init*
init_IRQ*
time_init*
rest_init
kernel_thread
kernel_thread
cpu_startup_entry
内核的整体启动流程如上所示，我们从代码中进行分析，具体内核在启动过程中做了什么。
首先我们找到 head.S 文件。
ENTRY(_start_kernel)
/* Mask all interrupts */
csrw CSR_IE, zero
csrw CSR_IP, zero
在内核启动时，一开始就关闭了所有中断。Technical Report UCB/EECS-2016-129 一文中讲了，CSR 的寄存器分布。
关闭中断后，关闭了 FPU 功能，以检测内核空间内非法使用的定位点。后面是通过一系列的宏定义进行一些环境的配置，使得一些功能能够跑起来。
这些宏定义有：
ENTRY(_start_kernel)
关闭所有中断
#ifdef CONFIG_RISCV_M_MODE
/* 刷新icache */
/* 复位所有寄存器，除了 ra, a0, a1 */
/*
设置一个 PMP 以允许访问所有内存。有些机器可能不会实现 pmp，因此我们设置了一个快速陷阱处理程序来跳过接触任何陷阱上的 pmp。
*/
/*
a0 中的 hardtid 稍后才会出现，我们没有固件可以处理它。
*/
#endif /* CONFIG_RISCV_M_MODE */
/* 加载全局指针 */
/*
*关闭 FPU，检测内核空间中非法使用浮点数的情况
*/
#ifdef CONFIG_RISCV_BOOT_SPINWAIT
/* 彩票系统只需要自旋等待启动方法 */
#ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
/* 选择一个 hart 来运行主启动序列 */
#else
/* Hart_lottery 在 flash 中包含一个神奇的数字 */
/* 如果在 RAM 中没有设置 hart_lottery，这是第一次 */
#endif /* CONFIG_XIP */
#endif /* CONFIG_RISCV_BOOT_SPINWAIT */
#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
/*恢复 a- 的复制*/
#endif
#ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
/*为展开的无 ELF 的镜像清除 BSS 段 */
#endif
/* 保存 hart ID 和 DTB 物理地址*/
/* 初始化页表并重新定位到虚拟地址 */
#ifdef CONFIG_BUILTIN_DTB
#else
#endif /* CONFIG_BUILTIN_DTB */
#ifdef CONFIG_MMU
#endif /* CONFIG_MMU *
/* Restore C environment */
#ifdef CONFIG_KASAN
#endif
/* 启动内核 */
#if CONFIG_RISCV_BOOT_SPINWAIT
/* 设置陷阱向量永远旋转以帮助调试 */
/*
这个人没有中彩票，所以我们等待中奖的人在启动过程中走得足够远，它应该继续。
*/
/* FIXME: 我们应该 WFI，以节省一些能源在这里。*/
#endif /* CONFIG_RISCV_BOOT_SPINWAIT */
END(_start_kernel)
内核运行的第一个 C 文件——init/main.c
第一个运行的 C 语言函数为 start_kernel，在该函数中进行内核的第一个线程的创建。在创建之前，会执行架构相关的函数，从而适配硬件。
kernel_entry*
start_kernel
setup_arch*
trap_init*
mm_init
mem_init*
init_IRQ*
time_init*
rest_init
kernel_thread
kernel_thread
cpu_startup_entry
setup_arch()
首先分析 setup_arch 这个函数，该函数属于架构相关函数，对应的文件在 arch/riscv/kernel 文件下。
parse_dtb()
这个函数首先要执行的是解析设备树，这说明 RISC-V 像 arm 一样，使用设备树进行设备驱动的管理，我们查看 x86 架构下的 setup_arch 则无设备树相关的配置。设备树解析函数通过 drivers/of 目录下的设备树驱动进行解析，并取出设备树中 model 名称。
设备树解析调用的函数是 parse_dtb，函数中调用了一个全局变量 dtb_early_va，这个变量是在 head.S 中进行的赋值，head.S 中调用该函数时，提前将变量放置于寄存器 a0 中，用于 C 函数的传参。
设备树地址传参代码：
#ifdef CONFIG_BUILTIN_DTB
la a0, __dtb_start
XIP_FIXUP_OFFSET a0
#else
mv a0, s1
#endif /* CONFIG_BUILTIN_DTB */
call setup_vm
setup_initial_init_mm()
设备树解析完成后，进行了早期内存的初始化，给出了代码段的起始与结束位置，数据段的结束位置，堆地址结束位置。
[0.000000] OF: fdt: Ignoring memory range 0x80000000 - 0x80200000
[0.000000] Machine model: riscv-virtio,qemu
[0.000000]start_code=0x80002000,end_code=0x806ae52c,end_data=0x812d2a00,brk=0x81322000
通过以上打印信息可知各个段的分配地址。CPU 内部的 RAM 寻址需要预留一些空间，所有 ram 起始地址就从 0x80000000 开始，地址空间分配完成之后将 boot_command_line 地址传出，供后续使用。
early_ioremap_setup()
早期 ioremap 初始化，将 I/O 的物理地址映射到虚拟地址。当 CPU 读取一段物理地址时，它可以读取到映射了 I/O 设备的物理 RAM 区域。ioremap 就是用来把设备内存映射到内核地址空间的。
该函数是一个架构不相关的函数，位于 mm/early_ioremap.c，
jump_label_init()
架构无关函数，位于 kernel 目录下，初始化 jump-label 子系统，jump-label 用于取消 if 判断分支，通过运行时修改代码，来提高执行的效率。
大家可以阅读这个系列连载的文章：RISC-V Linux jump_label 详解，第 1 部分：技术背景
parse_early_param()
架构无关函数，解析早期传入的参数。
efi_init()
暂未分析，应该和 UEFI 有关。大家可以看一下这个系列的文章：RISC-V UEFI 架构支持详解，第 1 部分 - OpenSBI/U-Boot/UEFI 简介
paging_init()
完成系统分页机制的初始化工作，建立页表，从而内核可以完成虚拟内存的映射和转换工作，这一个函数执行完成之后，就可以通过虚拟地址来访问实际的物理地址了。
misc_mem_init()
该函数主要工作如下：
- 测试 ram 是否正常
- numa 架构初始化
- 内存模型 sparse 初始化
- 初始化 zone，用于管理物理内存地址区域
- 保留内核崩溃时内核信息导出时所用的内存区域
- 打印内存分配情况
__memblock_dump_all()，实际未输出
init_resources()
初始化内存资源，把系统的 ram 以及其他需要保留的 ram 进行保留
sbi_init()
可能与 sbi 有关，大家可以看一下这个系列的文章：RISC-V OpenSBI 快速上手
函数相关打印如下，具体作用暂未分析：
[ 0.000000] SBI specification v0.2 detected
[ 0.000000] SBI implementation ID=0x1 Version=0x9
[ 0.000000] SBI TIME extension detected
[ 0.000000] SBI IPI extension detected
[ 0.000000] SBI RFENCE extension detected
[ 0.000000] SBI HSM extension detected
kasan_init()
初始化 kasan 动态监测内存错误的工具，初始化完成之后，可以在内存使用越界或者释放后访问时，产生出错报告，帮助分析内核异常。
setup_smp()
配置 SMP 系统，使芯片可以多核运行。
riscv_fill_hwcap()
从设备树中读取处理器的 ISA，并写入 ELF 的 hwcap 字段中，以告知应用程序它们正在运行在怎样的处理器上。
打印信息如下：
[ 0.000000] riscv: ISA extensions acdfimsu
[ 0.000000] riscv: ELF capabilities acdfim
trap_init()
未分析到
mem_init()
mem_init() 是架构相关函数，我们分析一下该函数具体做了哪些工作。
void __init mem_init(void)
{
#ifdef CONFIG_FLATMEM
BUG_ON(!mem_map);
#endif /* CONFIG_FLATMEM */
#ifdef CONFIG_SWIOTLB
if (swiotlb_force == SWIOTLB_FORCE ||
max_pfn > PFN_DOWN(dma32_phys_limit))
swiotlb_init(1);//软件DMA映射，解决部分DMA外设无法访问高地址内存的问题。
else
swiotlb_force = SWIOTLB_NO_FORCE;
#endif
memblock_free_all();//释放空闲页面给伙伴分配器
print_vm_layout();//打印内存分布情况
}
init_IRQ()
中断初始化是一个架构相关的函数，首先从设备树中取出中断控制器 interrupt-controller 这一节点。
通过命令将 qemu 的 DTB 文件导出。
sudo qemu-system-riscv64 -M virt,dumpdtb=my.dtb ...
并将 dtb 文件反编译成 dts 文件。
dtc -I dtb -O dts -o qemu-virt.dts my.dtb
初始化 IRQ 的函数调用关系如下：
init_IRQ() -> irqchip_init() -> of_irq_init()
在 of_irq_init() 中遍历设备树，通过 __irq_of_table 进行匹配，匹配成功后进行 irq 初始化。
查看设备树，找到 interrupt-controller 的 compatible 为 riscv,cpu-intc：
cpu@0 {
phandle = <0x07>;
device_type = "cpu";
reg = <0x00>;
status = "okay";
compatible = "riscv";
riscv,isa = "rv64imafdcsu";
mmu-type = "riscv,sv48";
interrupt-controller {
#interrupt-cells = <0x01>;
interrupt-controller;
compatible = "riscv,cpu-intc";
phandle = <0x08>;
};
};
通过匹配，最终调用的驱动是 driver/irqchip/irq-riscv-intc.c。
static int __init riscv_intc_init(struct device_node *node,
struct device_node *parent)
{
int rc, hartid;
pr_info("[nfk test] %s-%s-%d\r\n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
hartid = riscv_of_parent_hartid(node);//获取CPU id
if (hartid < 0) {
pr_warn("unable to find hart id for %pOF\n", node);
return 0;
}
else
{
pr_info("[nfk test] get hartid=%d\r\n",hartid);
}
/*
* The DT will have one INTC DT node under each CPU (or HART)
* DT node so riscv_intc_init() function will be called once
* for each INTC DT node. We only need to do INTC initialization
* for the INTC DT node belonging to boot CPU (or boot HART).
*/
if (riscv_hartid_to_cpuid(hartid) != smp_processor_id())
return 0;
//每一个 CPU 都会有其 DT NODE，当前我们只需要初始化
//boot CPU 的 DT NODE
intc_domain = irq_domain_add_linear(node, BITS_PER_LONG,
&riscv_intc_domain_ops, NULL);//向系统注册一个 irq domain，
//最终调用 __irq_domain_add（），进行内存申请，domain 回调函数配置，此处仅完成了 irq_domain 的注册，后面的中断映射关系还需要在具体驱动中实现。
if (!intc_domain) {//intc_domain 就是 interrupt-controller 的软件抽象
pr_err("unable to add IRQ domain\n");
return -ENXIO;
}
rc = set_handle_irq(&riscv_intc_irq);//配置中断处理函数
if (rc) {
pr_err("failed to set irq handler\n");
return rc;
}
cpuhp_setup_state(CPUHP_AP_IRQ_RISCV_STARTING,
"irqchip/riscv/intc:starting",
riscv_intc_cpu_starting,
riscv_intc_cpu_dying);//对热插拔函数进行配置
pr_info("%d local interrupts mapped\n", BITS_PER_LONG);
return 0;
}
[ 0.000000] riscv-intc: [nfk test] drivers/irqchip/irq-riscv-intc.c-riscv_intc_init-99 [ 0.000000] riscv-intc: get hartid=0 [ 0.000000] riscv-intc: hartid 0,cpuid 1 not smp processor_id[ 0.000000] riscv-intc: [nfk test] drivers/irqchip/irq-riscv-intc.c-riscv_intc_init-99 [ 0.000000] riscv-intc: get hartid=1 [ 0.000000] riscv-intc: hartid 1,cpuid 2 not smp processor_id[ 0.000000] riscv-intc: [nfk test] drivers/irqchip/irq-riscv-intc.c-riscv_intc_init-99 [ 0.000000] riscv-intc: get hartid=2 [ 0.000000] riscv-intc: hartid 2,cpuid 3 not smp processor_id[ 0.000000] riscv-intc: [nfk test] drivers/irqchip/irq-riscv-intc.c-riscv_intc_init-99 [ 0.000000] riscv-intc: get hartid=3 [ 0.000000] riscv-intc: 64 local interrupts mapped
中断初始化的打印如上所示。
time_init()
架构相关函数 time_init()
void __init time_init(void)
{
struct device_node *cpu;
u32 prop;
/*设备树中解析 CPU，并且读取他的 timebase-frequency*/
cpu = of_find_node_by_path("/cpus");
if (!cpu || of_property_read_u32(cpu, "timebase-frequency", &prop))
panic(KERN_WARNING "RISC-V system with no 'timebase-frequency' in DTS\n");
of_node_put(cpu);//减少引用计数
riscv_timebase = prop;
lpj_fine = riscv_timebase / HZ;
//遍历设备树，进行时钟初始化，类似于 of_irq_init()，linux-lab-disk 中的虚拟开发板当前匹配为空
of_clk_init(NULL);
timer_probe();
}
timer_probe() 中遍历设备树，通过 __timer_of_table 进行匹配，匹配成功后进行初始化 timer。
void __init timer_probe(void)
{
struct device_node *np;
const struct of_device_id *match;
of_init_fn_1_ret init_func_ret;
unsigned timers = 0;
int ret;
pr_info("[nfk test] %s-%s-%d\n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
for_each_matching_node_and_match(np, __timer_of_table, &match) {//遍历设备树，匹配 timer
if (!of_device_is_available(np))
continue;
pr_info("[nfk test] %s-%s-%d\n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
init_func_ret = match->data;
ret = init_func_ret(np);//timer 初始化
if (ret) {
if (ret != -EPROBE_DEFER)
pr_err("Failed to initialize '%pOF': %d\n", np,
ret);
continue;
}
timers++;
}
timers += acpi_probe_device_table(timer);//注册 timer
if (!timers)
pr_crit("%s: no matching timers found\n", __func__);
pr_info("[nfk test] %s-%s-%d\n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
}
添加调试信息，打印如下：
[ 0.000000] [nfk test] drivers/clocksource/timer-probe.c-timer_probe-23
[ 0.000000] [nfk test] drivers/clocksource/timer-probe.c-timer_probe-28
[ 0.000000] [nfk test] drivers/clocksource/timer-probe.c-timer_probe-28
[ 0.000000] [nfk test] drivers/clocksource/timer-probe.c-timer_probe-28
[ 0.000000] [nfk test] drivers/clocksource/timer-probe.c-timer_probe-28
[ 0.000000] riscv_timer_init_dt: Registering clocksource cpuid [0] hartid [3]
[ 0.000000] clocksource: riscv_clocksource: mask: 0xffffffffffffffff max_cycles: 0x24e6a1710, max_idle_ns: 440795202120 ns
[ 0.000126] sched_clock: 64 bits at 10MHz, resolution 100ns, wraps every 4398046511100ns
[ 0.002668] [nfk test] drivers/clocksource/timer-probe.c-timer_probe-46
通过以上信息，可知，匹配到了 4 次 timer，通过中间的相关打印信息，找到驱动 drivers/clocksource/timer-riscv.c。
static int __init riscv_timer_init_dt(struct device_node *n)
{
int cpuid, hartid, error;
struct device_node *child;
struct irq_domain *domain;
hartid = riscv_of_processor_hartid(n);//获取 node 所在的hartid
if (hartid < 0) {
pr_warn("Not valid hartid for node [%pOF] error = [%d]\n",
n, hartid);
return hartid;
}
cpuid = riscv_hartid_to_cpuid(hartid);//获取 cpu id
if (cpuid < 0) {
pr_warn("Invalid cpuid for hartid [%d]\n", hartid);
return cpuid;
}
if (cpuid != smp_processor_id())
return 0;//判断是否未 boot cpu
domain = NULL;
child = of_get_compatible_child(n, "riscv,cpu-intc");
if (!child) {//获取中断的 domain
pr_err("Failed to find INTC node [%pOF]\n", n);
return -ENODEV;
}
domain = irq_find_host(child);
of_node_put(child);
if (!domain) {
pr_err("Failed to find IRQ domain for node [%pOF]\n", n);
return -ENODEV;
}
riscv_clock_event_irq = irq_create_mapping(domain, RV_IRQ_TIMER);//建立中断映射
if (!riscv_clock_event_irq) {
pr_err("Failed to map timer interrupt for node [%pOF]\n", n);
return -ENODEV;
}
pr_info("%s: Registering clocksource cpuid [%d] hartid [%d]\n",
__func__, cpuid, hartid);
error = clocksource_register_hz(&riscv_clocksource, riscv_timebase);//注册 timer
if (error) {
pr_err("RISCV timer register failed [%d] for cpu = [%d]\n",
error, cpuid);
return error;
}
sched_clock_register(riscv_sched_clock, 64, riscv_timebase);
error = request_percpu_irq(riscv_clock_event_irq,
riscv_timer_interrupt,
"riscv-timer", &riscv_clock_event);
//注册中断处理函数
if (error) {
pr_err("registering percpu irq failed [%d]\n", error);
return error;
}
error = cpuhp_setup_state(CPUHP_AP_RISCV_TIMER_STARTING,
"clockevents/riscv/timer:starting",
riscv_timer_starting_cpu, riscv_timer_dying_cpu);//热插拔配置
if (error)
pr_err("cpu hp setup state failed for RISCV timer [%d]\n",
error);
return error;
}
关于设备树匹配函数分析
循环匹配函数
以下函数是进行循环匹配的函数。
for_each_matching_node_and_match(np, __timer_of_table, &match)
for_each_matching_node_and_match(np, __irqchip_of_table, &match)
我们找到他的根本调用，参数描述如下，分别是设备树节点，要扫描的结构体，匹配到的结构体。
/**
* of_find_matching_node_and_match - Find a node based on an of_device_id
* match table.
* @from: The node to start searching from or NULL, the node
* you pass will not be searched, only the next one
* will; typically, you pass what the previous call
* returned. of_node_put() will be called on it
* @matches: array of of device match structures to search in
* @match: Updated to point at the matches entry which matched
*
* Return: A node pointer with refcount incremented, use
* of_node_put() on it when done.
*/
of_find_matching_node_and_match 最终调用的设备树匹配函数为 __of_device_is_compatible。其中输入参数 matches 就是要进行匹配的结构体。
匹配函数入参 table 的由来
搞清楚入参之后，我们找一下 __timer_of_table 从何处定义。
#define TIMER_OF_DECLARE(name, compat, fn) \
OF_DECLARE_1_RET(timer, name, compat, fn)
下一层宏定义
#define OF_DECLARE_1_RET(table, name, compat, fn) \
_OF_DECLARE(table, name, compat, fn, of_init_fn_1_ret)
下一层宏定义
#define _OF_DECLARE(table, name, compat, fn, fn_type) \
static const struct of_device_id __of_table_##name \
__used __section("__" #table "_of_table") \
__aligned(__alignof__(struct of_device_id)) \
= { .compatible = compat, \
.data = (fn == (fn_type)NULL) ? fn : fn }
所以我们根据宏定义 TIMER_OF_DECLARE 寻找与设备树节点可以匹配的驱动。
我们找到相关的 TIMER_OF_DECLARE：
// drivers/clocksource/timer-riscv.c
TIMER_OF_DECLARE(riscv_timer, "riscv", riscv_timer_init_dt)
根据宏定义展开可得：
static const struct of_device_id
__of_table_riscv_timer \
__used __section("__timer_of_table") \
__aligned(__alignof__(struct of_device_id)) \
=
{
.compatible = "riscv", \
.data = (riscv_timer_init_dt == (of_init_fn_1_ret)NULL) ? riscv_timer_init_dt : riscv_timer_init_dt
}
这个地方就是 __of_table_timer 的由来。
__of_table_timer 如何被生成为表
我们可以看到，设备树匹配时，是通过 for 循环进行遍历的，也就是说__of_table_timer 中有多个结构体供查询。
__used __section("__" timer "_of_table")
展开为：
#define __used __attribute__((__used__))
#define __section(S) __attribute__((__section__(#S)))
__attribute__((__used__)) __attribute__((__section__(__timer_of_table")))
GNU C 的一大特色就是 __attribute__ 机制。__attribute__ 可以设置函数属性（Function Attribute）、变量属性（Variable Attribute）和类型属性（Type Attribute）。
当前使用的 section 关键字可以将变量属性设置为“定义至指定的输入段中”。也就是说 __of_table_riscv_timer 这个结构体被定义到了指定的段中。所以最终结果是 __of_table_timer 是一个表，这个表代表着一个数据段，这个数据段中存着我们保存的结构体变量。
如何查看数据段变量
通过查看 System.map 可以看到数据段的分配，在 __timer_of_table 中分配了一个结构体。
分配情况如下：
ffffffff80a0df28 T __reservedmem_of_table
ffffffff80a0dff0 t __rmem_of_table_sentinel
ffffffff80a0e0b8 t __of_table_riscv_timer
ffffffff80a0e0b8 T __timer_of_table
ffffffff80a0e180 t __timer_of_table_sentinel
ffffffff80a0e248 T __cpu_method_of_table
ffffffff80a0e260 T __dtb_end
ffffffff80a0e260 T __dtb_start
ffffffff80a0e260 T __irqchip_of_table
ffffffff80a0e260 t __of_table_riscv
计算一下大小：__of_table_riscv_timer=0x80a0e0b8-0x80a0dff0=200 bytes
ubuntu@linux-lab:/labs/linux-lab/build/riscv64/virt/linux/v5.17$ readelf vmlinux -a |grep __timer_of_table
57868: ffffffff80a0e0b8 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 5 __timer_of_table
ubuntu@linux-lab:/labs/linux-lab/build/riscv64/virt/linux/v5.17$ readelf vmlinux -a |grep __of_table_riscv_timer
40119: ffffffff80a0e0b8 200 OBJECT LOCAL DEFAULT 5 __of_table_riscv_timer
与 vmlinux 中的数据可以匹配上。
实际计算结构体大小也是 200 字节（32+32+128+8=200）;
/*
* Struct used for matching a device
*/
struct of_device_id {
char name[32];
char type[32];
char compatible[128];
const void *data;
};
小结
本文对 RISC-V 架构下的 Linux 的启动流程进行了梳理，在梳理过程中遇到了设备树解析方面的问题，在后面也进行了设备树解析流程的深入分析。本文更关注于流程，在深度上存在欠缺，大家可以针对于流程中的某个点进行更深入的分析。
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