RISC-V Linux彙編啟動流程分析

RISC-V Linux的彙編啟動部分比較簡單，不算複雜。有兩個部分比較核心：頁表建立和重定向。頁表創建是用C語言寫的，今天先分析彙編部分，先帶大家分析整體彙編啟動流程，然後分析重定向。

注意：本文基於linux5.10.111核心

#編譯啟動流程

• 關閉所有中斷

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

• #載入全域指標gp

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

• disable FPU

/* 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

• 選擇一個核啟動

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

• ##清楚bss段

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

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• 儲存hart id和dtb位址
  ##

  /* 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

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設定sp指標
• la sp, init_thread_union + THREAD_SIZE

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上述工作完成，會開始臨時頁表的創建，跳到C函數setup_vm建立臨時頁表
• mv a0, s1 call setup_vm // 跳转到C函数setup_vm，setup_vm会创建临时页表

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重定向
• #ifdef CONFIG_MMU la a0, early_pg_dir call relocate //重定向，实际就是开启MMU #endif

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設定異常向量位址，重載C環境
• call setup_trap_vector /* 重载C环境 */ la tp, init_task sw zero, TASK_TI_CPU(tp) la sp, init_thread_union + THREAD_SIZE

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最後跳到C函數start_kernel，開始C語言部分初始化，彙編部分執行完畢
• tail start_kernel

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完整_start_kernel彙編程式碼：

ENTRY(_start_kernel) /* 关闭所有中断 */ csrw CSR_IE, zero csrw CSR_IP, zero /* 在源码中，这里有一个M模式处理的宏，这里没有用到，直接跳过*/ /* 加载全局指针gp */ .option push .option norelax la gp, __global_pointer$ .option pop /* 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 #ifdef CONFIG_SMP li t0, CONFIG_NR_CPUS blt a0, t0, .Lgood_cores tail .Lsecondary_park .Lgood_cores: #endif /* 选择一个核启动 */ la a3, hart_lottery li a2, 1 amoadd.w a3, a2, (a3) bnez a3, .Lsecondary_start /* 清除bss */ la a3, __bss_start la a4, __bss_stop ble a4, a3, clear_bss_done clear_bss: REG_S zero, (a3) add a3, a3, RISCV_SZPTR blt a3, a4, clear_bss clear_bss_done: /* 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 REG_S a0, (a2) /* 初始化页表，然后重定向到虚拟地址 */ la sp, init_thread_union + THREAD_SIZE mv a0, s1 call setup_vm // 跳转到C函数setup_vm，setup_vm会创建临时页表 #ifdef CONFIG_MMU la a0, early_pg_dir call relocate //重定向，实际就是开启MMU #endif /* CONFIG_MMU */ call setup_trap_vector /* 重载C环境 */ la tp, init_task sw zero, TASK_TI_CPU(tp) la sp, init_thread_union + THREAD_SIZE #ifdef CONFIG_KASAN call kasan_early_init #endif /* Start the kernel */ call soc_early_init tail start_kernel //跳转到C函数start_kernel，开始C语言部分初始化

彙編中非常重要的一個部分就是頁表的創建，關乎著後面的程式能不能繼續往下跑。 setup_vm建立頁表後就會開始執行relocate重定向，這個重定向主要開啟mmu，下面分析relocate的彙編。

relocate#relocate重定向，就是在開啟mmu。開啟mmu的操作就是將一級頁表的位址以及權限寫到

暫存器中，這就算開啟mmu了。

#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

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

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• 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

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• 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等於0x8代表使用sv39 mmu，0x0代表不進行位址翻譯，即不開啟MMU。這裡STAP_MODE為sv39，即0x8。將early_pg_dir位址和SATP_MODE進行或運算後，即可得到寫入satp暫存器的值，最後儲存到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

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• 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

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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

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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。