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RISC-V Linux 内核 UEFI 启动过程分析(Part2):内核侧 UEFI 支持
Corrector: TinyCorrect v0.1 - [spaces header toc codeinline pangu epw] Author: sugarfillet sugarfillet@yeah.net Date: 2023/04/21 Revisor: Falcon falcon@tinylab.org Project: RISC-V Linux 内核剖析 Proposal: RISC-V UEFI 启动流程分析与 EDK2 移植 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS
前言
上文对 RISC-V Linux 的 EFI Boot Stub 进行了介绍,它给正式内核传递了不少的信息。本文趁热打铁,继续分析正式内核的 UEFI 初始化相关流程。
说明
- Linux 版本采用 v6.3
UEFI 初始化 – efi_init
Linux EFI Boot Stub 以 boothardid
和修改了 chosen
变量的 fdt 跳转到 _start
启动正式内核。正式内核在 setup_arch()
阶段调用 efi_init()
进行 EFI 的初始化。整体来看,efi_init()
的主要工作有两个,一个是对 UEFI 系统表的处理,包括运行时服务的保存、配置表的解析和初步处理;还有一个是把从 UEFI Boot Stub 传递过来的 UEFI 内存映射表交接给 memblock。此函数的关键过程按序分析如下:
memblock
是内核启动初期用于管理内存的机制,主要将可用、保留以及不可用的物理内存进行划分和管理,后续会移交管理权给伙伴系统。Linux 维护一个
struct memblock memblock
实体,其中memblock.memory
描述了memblock
管理的可用内存,memblock.reserved
描述了memblock
管理的预留内存
efi_get_fdt_params()
函数以 dt_params
全局变量匹配 fdt 中的 chosen
变量,保存内存映射表信息到 struct efi_memory_map_data
实例中,并返回 UEFI 系统表的物理地址。
efi_memmap_init_early()
函数重新以 struct efi_memory_map
结构保存内存映射表,其中 map
成员为映射表的虚拟地址,通过 early_memremap()
函数在 fixed-mapping 中创建页表映射,最终记录到 efi.memap
全局结构中。
// include/linux/efi.h : 547
struct efi_memory_map_data {
phys_addr_t phys_map;
unsigned long size;
unsigned long desc_version;
unsigned long desc_size;
unsigned long flags;
};
struct efi_memory_map {
phys_addr_t phys_map;
void *map;
void *map_end;
int nr_map;
unsigned long desc_version;
unsigned long desc_size;
unsigned long flags;
};
// drivers/firmware/efi/fdtparams.c : 35
static __initconst const struct {
const char path[17];
u8 paravirt;
const char params[PARAMCOUNT][26];
} dt_params[] = {
.path = "/chosen",
.params = { // <-----------26----------->
[SYSTAB] = "linux,uefi-system-table",
[MMBASE] = "linux,uefi-mmap-start",
[MMSIZE] = "linux,uefi-mmap-size",
[DCSIZE] = "linux,uefi-mmap-desc-size",
[DCVERS] = "linux,uefi-mmap-desc-ver",
}
}
// drivers/firmware/efi/efi-init.c :199
efi_init()
// Grab UEFI information placed in FDT by stub
efi_system_table = efi_get_fdt_params(&data); // struct efi_memory_map_data * data
return systab;
efi_memmap_init_early(&data)
struct efi_memory_map map;
map.map = early_memremap(data->phys_map, data->size); // 内存映射表的虚拟地址
set_bit(EFI_MEMMAP, &efi.flags); // we use EFI memory map
efi.memmap = map
uefi_init()
函数用于处理 UEFI 系统表,保存运行时服务到 efi.runtime
;调用 efi_config_parse_tables()
函数以 common_tables
为参照,保存配置表到对应的变量中进行部分初步处理,比如:
LINUX_EFI_INITRD_MEDIA_GUID
表保存到 initrd 变量中,initrd 地址和大小分别保存到phys_initrd_start
、phys_initrd_size
EFI_RT_PROPERTIES_TABLE_GUID
表代表 UEFI 运行时所支持的服务,通过rt_prop
进一步更新到efi.runtime_supported_mask
LINUX_EFI_MEMRESERVE_TABLE_GUID
表代 UEFI 所保留的物理内存空间,调用memblock_reserve()
接口将其更新到memblock.reserved
中
而其他的一些变量,比如 efi.acpi*
则在 setup_arch()
的后续流程 acpi_boot_table_init()
中处理。
efi_init()
// drivers/firmware/efi/efi-init.c : 78
uefi_init(efi_system_table)
systab = early_memremap_ro(efi_system_table // remap systable
set_bit(EFI_BOOT, &efi.flags);
set_bit(EFI_64BIT, &efi.flags);
efi.runtime = systab->runtime;
config_tables = early_memremap_ro(efi_to_phys(systab->tables), table_size); // remap conftable
efi_config_parse_tables(config_tables, systab->nr_tables, efi_arch_tables);
match_config_table(guid, table, common_tables) // 解析 common_tables (ACPI/SMBIOS/ESRT/INITRD/MEMRESERVE)
set_bit(EFI_CONFIG_TABLES, &efi.flags);
// 处理 efi_rng_seed mem_reserve rt_prop initrd ...
// set the reserved memory in the memblock.reserved
memblock_reserve(prsv, struct_size(rsv, entry, rsv->size));
static const efi_config_table_type_t common_tables[] __initconst = {
{ACPI_20_TABLE_GUID, &efi.acpi20, "ACPI 2.0" },
{ACPI_TABLE_GUID, &efi.acpi, "ACPI" },
{SMBIOS_TABLE_GUID, &efi.smbios, "SMBIOS" },
{SMBIOS3_TABLE_GUID, &efi.smbios3, "SMBIOS 3.0" },
{EFI_SYSTEM_RESOURCE_TABLE_GUID, &efi.esrt, "ESRT" },
{EFI_MEMORY_ATTRIBUTES_TABLE_GUID, &efi_mem_attr_table, "MEMATTR" },
{LINUX_EFI_RANDOM_SEED_TABLE_GUID, &efi_rng_seed, "RNG" },
// ...
{LINUX_EFI_MEMRESERVE_TABLE_GUID, &mem_reserve, "MEMRESERVE" },
{LINUX_EFI_INITRD_MEDIA_GUID, &initrd, "INITRD" },
{EFI_RT_PROPERTIES_TABLE_GUID, &rt_prop, "RTPROP" },
// ...
}
reserve_regions()
函数首先清空从 dtb 中构建的 memblock,之后遍历 UEFI 内存描述表 (efi.memmap),对于在 [MIN_MEMBLOCK_ADDR,MAX_MEMBLOCK_ADDR] 范围内的内存执行 memblock_add()
添加到 memblock.memory
类型中,并对那些不可用的内存(比如:用于 Runtime Services 的内存、用于特殊目的的内存 EFI_MEMORY_SP
等等)调用 memblock_mark_nomap()
设置其内存区域(memblock region)标志位为 MEMBLOCK_NOMAP
,此标志位表示此内存区域不用于内存映射。
efi_init()
继续执行从 UEFI 内存映射表到 memblock 的交接工作,篇幅有限,这里不一一列举:
early_init_dt_check_for_usable_mem_range()
函数解析 dtb 中的linux,usable-memory-range
节点,并修饰 memblock,此节点描述用于内核 kdump 的内存范围efi_find_mirror()
函数根据 UEFI 内存标志位EFI_MEMORY_MORE_RELIABLE
处理高可靠内存,调用memblock_mark_mirror()
设置MEMBLOCK_MIRROR
标志位init_screen_info()
函数处理 UEFI 屏幕信息struct screen_info
的物理地址screen_info.lfb_base
,在 memblock 中设置为MEMBLOCK_NOMAP
efi_init()
//drivers/firmware/efi/efi-init.c : 155
reserve_regions()
// discard memblock which originated from memory nodes in the DT
memblock_dump_all(); && memblock_remove(0, PHYS_ADDR_MAX);
for_each_efi_memory_desc(md)
early_init_dt_add_memory_arch()
memblock_add(md->phys_addr, size);
!is_usable_memory(md) && memblock_mark_nomap() // nomap some ram
early_init_dt_check_for_usable_mem_range() // 处理 linux,usable-memory-range
efi_find_mirror() // 处理高可靠内存 EFI_MEMORY_MORE_RELIABLE
efi_esrt_init() // Reserving ESRT space in memblock.reserved
efi_mokvar_table_init(); // 处理 EFI MOK config table
memblock_reserve(data.phys_map & PAGE_MASK, PAGE_ALIGN(data.size + (data.phys_map & ~PAGE_MASK))); // 设置 UEFI 内存映射表到 memblock.reserved
init_screen_info() // 处理 screen_info_table
UEFI 运行时服务
UEFI 运行时服务初始化
riscv_enable_runtime_services()
为 RISC-V 架构下 UEFI Runtime Services 初始化函数,主要执行如下流程:
对于 UEFI 内存映射表的内存映射,存在两个版本:一个是调用 efi_memmap_init_early()
以 fixed-mapping 空间进行早期映射,另一个调用 efi_memmap_init_late()
在 vmalloc 空间进行后期映射。两个函数都调用 __efi_memmap_init()
函数,以传入的参数中是否有 EFI_MEMMAP_LATE
标志为条件分别调用 early_memremap()
, memremap()
。
在 efi_init()
阶段完成早期映射,考虑到 fixed-mapping 空间的稀缺性,在当前阶段调用 efi_memmap_unmap()
解除早期映射,并调用 efi_memmap_init_late()
对 UEFI 内存映射表进行后期映射。
efi_virtmap_init
对 efi_mm
进行初始化,首先为其分配页目录项,之后遍历 UEFI 内存映射表,对 EFI_MEMORY_RUNTIME
类型的内存描述符,执行 efi_create_mapping(&efi_mm, md)
创建 md->virt_addr
到 md->phys_addr
的页表映射(这里的虚拟地址 md->virt_addr
正是在 EFI Boot Stub 基于 EFI_RT_VIRTUAL_OFFSET
计算的);最后调用 efi_memattr_apply_permissions()
基于 UEFI 内存属性配置表 – efi_mem_attr_table
对虚拟地址进行权限设置。如果设置了 efi=debug
命令行选项,可以看到这样的输出:
[ 0.115472] Remapping and enabling EFI services.
[ 0.122078] efi: memattr: Processing EFI Memory Attributes table:
[ 0.122844] efi: memattr: 0x0000ffe3d000-0x0000ffe8dfff [Runtime Code|RUN| | | | |XP| | | | | | | | ]
[ 0.124471] efi: memattr: 0x0000ffe8e000-0x0000ffe8ffff [Runtime Code|RUN| | | | | | | |RO| | | | | ]
[ 0.125622] efi: memattr: 0x0000ffe90000-0x0000ffe92fff [Runtime Code|RUN| | | | |XP| | | | | | | | ]
[ 0.126453] efi: memattr: 0x0000ffe93000-0x0000ffe95fff [Runtime Code|RUN| | | | | | | |RO| | | | | ]
...
efi_native_runtime_setup()
函数负责对 efi
变量中的 Runtime Services 函数进行设置,比如:设置 efi.get_time = virt_efi_get_time
),而其他的模块(比如:rtc-efi – drivers/rtc/rtc-efi.c
)则可通过 efi.get_time
来获取固件提供的时间。
// drivers/firmware/efi/riscv-runtime.c : 66
early_initcall(riscv_enable_runtime_services);
riscv_enable_runtime_services()
efi_memmap_unmap();
early_memunmap(efi.memmap.map, size); // clear the early EFI memmap
efi.memmap.map = NULL;
clear_bit(EFI_MEMMAP, &efi.flags);
// EFI map 有两个初始化
// 早期初始化(efi_init/efi_memmap_init_early -> early_memremap)使用稀缺的 fixmap 空间
// 后期初始化(efi_memmap_init_late -> memremap)使用 vmalloc 空间
efi_memmap_init_late(efi.memmap.phys_map, mapsize)
// Remapping and enabling EFI services
efi_virtmap_init()
efi_mm.pgd = pgd_alloc(&efi_mm);
for_each_efi_memory_desc(md)
if (md->attribute & EFI_MEMORY_RUNTIME) efi_create_mapping(&efi_mm, md);
for (i = 0; i < md->num_pages; i++)
create_pgd_mapping(mm->pgd, md->virt_addr + i * PAGE_SIZE, md->phys_addr + i * PAGE_SIZE, PAGE_SIZE, prot);
efi_memattr_apply_permissions(&efi_mm, efi_set_mapping_permissions)
tbl = memremap(efi_mem_attr_table, tbl_size, MEMREMAP_WB); // 映射内存属性表
efi_set_mapping_permissions(mm, &md, has_bti); // print EFI memmap attr table
apply_to_page_range(mm, md->virt_addr, md->num_pages << EFI_PAGE_SHIFT, set_permissions, md); // 对 vm 设置权限,底层实现为设置 pte_val(pte)
efi_native_runtime_setup() // efi.get_time = virt_efi_get_time // efi.reset_system = virt_efi_reset_system
set_bit(EFI_RUNTIME_SERVICES, &efi.flags);
UEFI 运行时服务函数
我们以获取系统时间函数 – virt_efi_get_time()
为例进行分析,此函数内部使用 efi_queue_work
宏,此宏对传入的参数保存到 struct efi_runtime_work efi_rts_work
全局变量中,同时保存当前运行时服务 ID 到 efi_rts_work.efi_rts_id
,并以 efi_call_rts
函数初始化工作 struct work_struct &efi_rts_work.work
,插入工作队列 efi_rts_wq
,之后等待工作队列函数释放 &efi_rts_work.efi_rts_comp
完成变量。
efi_call_rts
函数根据保存的运行时服务 ID 调用对应的运行时服务,并释放完成变量。运行时服务的调用过程分为三个阶段:
arch_efi_call_virt_setup()
以efi_mm.pgd
设置内核根页目录项,并调用efi_virtmap_load
切换当前进程的内存上下文为efi_mm
arch_efi_call_virt(efi.runtime, get_time, args)
调用 UEFI 提供的运行时服务efi.runtime.get_time()
arch_efi_call_virt_teardown()
调用efi_virtmap_unload()
恢复进程的内存上下文
关键代码摘录如下:
// include/linux/efi.h : 1249
struct efi_runtime_work {
void *arg1;
void *arg2;
void *arg3;
void *arg4;
void *arg5;
efi_status_t status;
struct work_struct work;
enum efi_rts_ids efi_rts_id;
struct completion efi_rts_comp;
};
// drivers/firmware/efi/runtime-wrappers.c : 253
static efi_status_t virt_efi_get_time(efi_time_t *tm, efi_time_cap_t *tc)
status = efi_queue_work(EFI_GET_TIME, tm, tc, NULL, NULL, NULL); //
init_completion(&efi_rts_work.efi_rts_comp);
INIT_WORK(&efi_rts_work.work, efi_call_rts);
efi_rts_work.arg1 = _arg1;
//...
efi_rts_work.efi_rts_id = _rts;
if (queue_work(efi_rts_wq, &efi_rts_work.work))
wait_for_completion(&efi_rts_work.efi_rts_comp);
// drivers/firmware/efi/runtime-wrappers.c : 174
void efi_call_rts(struct work_struct *work)
switch (efi_rts_work.efi_rts_id) {
case EFI_GET_TIME:
status = efi_call_virt(get_time, (efi_time_t *)arg1, (efi_time_cap_t *)arg2);
efi_call_virt_pointer(efi.runtime, f, args)
arch_efi_call_virt_setup()
sync_kernel_mappings(efi_mm.pgd);
efi_virtmap_load(); // switch_mm
arch_efi_call_virt(efi.runtime,f,args)
// call efi.runtime.get_time
arch_efi_call_virt_teardown()
小结
本文介绍了 RISC-V Linux 内核在加载并启动后的 UEFI 初始化流程,包括从 UEFI 内存映射表到 memblock 分配器的交接过程、UEFI 配置表的部分解析过程,以及 UEFI 运行时服务的初始化和调用过程,希望对你有帮助。
参考资料
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