Analisis proses permulaan pemasangan RISC-V Linux

Bahagian permulaan pemasangan RISC-V Linux agak mudah dan tidak terlalu rumit. Terdapat dua bahagian teras: penciptaan jadual halaman dan pengalihan semula. Penciptaan jadual halaman ditulis dalam bahasa C Hari ini kami akan menganalisis bahagian pemasangan terlebih dahulu. Kami akan membawa anda menganalisis keseluruhan proses permulaan pemasangan, dan kemudian menganalisis pengalihan.

Nota: Artikel ini adalah berdasarkan kernel linux5.10.111

proses permulaan pemasangan

Pertama, mari kita mulakan dengan kerangka umum, analisis keseluruhan.

Laluan:arch /riscv/kernel/head.S, pintu masuk ialahMASUK(_start_kernel)arch/riscv/kernel/head.S，入口是ENTRY(_start_kernel)

从ENTRY(_start_kernel)

• /* 关闭所有中断 */ csrw CSR_IE, zero csrw CSR_IP, zero

  Salin selepas log masuk
Kosongkan bss segmen

• /* 加载全局指针gp */ .option push .option norelax la gp, __global_pointer$ .option pop

  Salin selepas log masuk
Simpan hart id dan alamat dtb

• /* 禁用 FPU 以检测内核空间中浮点的非法使用*/ li t0, SR_FS csrc CSR_STATUS, t0

  Salin selepas log masuk
Tetapkan penunjuk sp

• /* 选择一个核启动 */ la a3, hart_lottery li a2, 1 amoadd.w a3, a2, (a3) bnez a3, .Lsecondary_start

  Salin selepas log masuk
di atas akan dimulakan, apabila halaman selesai, halaman sementara akan dimulakan lompat ke fungsi C setup_vm untuk mencipta jadual halaman sementara

• /* 清除bss */ la a3, __bss_start la a4, __bss_stop ble a4, a3, clear_bss_done

  Salin selepas log masuk
Redirect

• /* 保存hatr id和dtb地址，hart id保存到a0，dtb地址保存到a1 */ mv s0, a0 mv s1, a1 la a2, boot_cpu_hartid

  Salin selepas log masuk
Tetapkan alamat vektor pengecualian, muat semula persekitaran C

• lompat fungsi C

• start_kernel, mulakan permulaan bahagian bahasa C, dan bahagian pemasangan dilaksanakan

la sp, init_thread_union + THREAD_SIZE

Salin selepas log masuk

mv a0, s1 call setup_vm // 跳转到C函数setup_vm，setup_vm会创建临时页表

Salin selepas log masuk
• Bahagian pemasangan yang sangat penting ialah penciptaan jadual halaman, yang menentukan sama ada program seterusnya boleh terus berlari. Selepas setup_vm mencipta jadual halaman, ia akan mula melaksanakan relokasi redirection ini terutamanya menghidupkan mmu Himpunan relokasi dianalisis di bawah.

relocate

Ini dianggap menghidupkan mmu.

• #ifdef CONFIG_MMU la a0, early_pg_dir //跳转到relocate前，先把第一级页表early_pg_dir的地址存入a0 call relocate //跳转到relocate,开启MMU #endif

  Salin selepas log masuk

  relocate有两次开启mmu的操作，第一次开启mmu使用的是setup_vm()建立的trampoline_gd_dir页表，这页表保存的是kernel的前2M内存。第二次开启MMU使用的是early_pg_dir页表，这个页表映射了整个kernel内存以及dtb的4M空间。

  如果trampoline_pg_dir或者early_pg_dir这两个页表的映射没弄好的话，开启MMU的时候就会失败，所以页表的建立十分关键。页表创建后续再深究，下面分析relocate汇编代码。

  • 计算返回地址

    返回地址就是ra加上虚拟地址和物理地址之间的偏移量，这个是固定偏移量。PAGE_OFFSET是kernel入口地址对应的虚拟地址，_start就是kernel入口地址的虚拟地址，PAGE_OFFSET-_start就得到它们之间的偏移，然后再和ra相加，就是返回地址。

  /* Relocate return address */ li a1, PAGE_OFFSET la a2, _start sub a1, a1, a2 add ra, ra, a1

  Salin selepas log masuk

  • 将异常入口1f的虚拟地址写入stvec寄存器

    因为一旦开启MMU，地址都变成了虚拟地址，原来访问的都是物理地址，开启MMU时，地址发生了改变，VA != PA，从而进入异常，所以要先设置异常入口地址，此时的异常入口为1f。

  /* Point stvec to virtual address of intruction after satp write */ la a2, 1f add a2, a2, a1 csrw CSR_TVEC, a2

  Salin selepas log masuk
  • 提前计算切换到 early_pg_dir页表要写入 satp的值

  再进入relocate之前，就已经把early_pg_dir赋值给a0了，所以a0是early_pg_dir。srl是逻辑右移，mmu使用的是sv39，虚拟地址39位，物理地址56位：

  低12位是偏移量，所以PAGE_SHIFT等于12，将early_pg_dir地址右移12位存到a2。根据satp寄存器定义：

  

  MODE等于0x8代表使用sv39 mmu，0x0代表不进行地址翻译，即不开启MMU。这里STAP_MODE为sv39，即0x8。将early_pg_dir地址和SATP_MODE进行或运算后，即可得到写入satp寄存器的值，最后保存到a2。

  /* Compute satp for kernel page tables, but don't load it yet */ srl a2, a0, PAGE_SHIFT li a1, SATP_MODE //sv39 mmu or a2, a2, a1

  Salin selepas log masuk
  • 第一次开启MMU，使用trampoline_pg_dir页表

  satp值的计算和上述是一样的。开启MMU之前，通过sfence.vma命令先刷新TLB。此时开启MMU，就会进入下面的标号为1的汇编段

  la a0, trampoline_pg_dir srl a0, a0, PAGE_SHIFT or a0, a0, a1 sfence.vma csrw CSR_SATP, a0

  Salin selepas log masuk

  进入异常1f段，重新设置异常入口为.Lsecondary_park，然后切换到early_pg_dir页表，相当于第二次开启MMU。此时，如果之前建立的early_pg_dir页表不对，则会就进入.Lsecondary_park。.Lsecondary_park里面是个wfi指令，是个死循环。

  完整relocate汇编代码：

  relocate: /* Relocate return address */ li a1, PAGE_OFFSET la a2, _start sub a1, a1, a2 add ra, ra, a1 /* Point stvec to virtual address of intruction after satp write */ la a2, 1f add a2, a2, a1 csrw CSR_TVEC, a2 /* Compute satp for kernel page tables, but don't load it yet */ srl a2, a0, PAGE_SHIFT li a1, SATP_MODE or a2, a2, a1 /* * Load trampoline page directory, which will cause us to trap to * stvec if VA != PA, or simply fall through if VA == PA. We need a * full fence here because setup_vm() just wrote these PTEs and we need * to ensure the new translations are in use. */ la a0, trampoline_pg_dir srl a0, a0, PAGE_SHIFT or a0, a0, a1 sfence.vma csrw CSR_SATP, a0 .align 2 1: /* Set trap vector to spin forever to help debug */ la a0, .Lsecondary_park csrw CSR_TVEC, a0 /* Reload the global pointer */ .option push .option norelax la gp, __global_pointer$ .option pop /* * Switch to kernel page tables. A full fence is necessary in order to * avoid using the trampoline translations, which are only correct for * the first superpage. Fetching the fence is guarnteed to work * because that first superpage is translated the same way. */ csrw CSR_SATP, a2 sfence.vma ret

  Salin selepas log masuk

  总结

  以上就是RISC-V Linux的汇编启动流程，虽说RISC-V的指令不复杂，但要理解这个汇编启动的部分，还是需要一点基础和时间。另外，大多数人工作中基本用不上汇编，只有真正用上了理解才会比较深。希望本文能够帮助到有需要的人。