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trace linux kernel source - ARM - 01

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gogojesse

電梯直達

1^#

發表於 2008-8-6 14:33:07 | 只看該作者回帖獎勵

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昨天下載了linux-2.6.26的kernel source
打算trace一下 (以ARM為例子)
看看能不能多了解一下kernel booting時候的一些動作
一些文章提到是從/arch/arm/boot/bootp/init.S開始
所以節錄了一些下來

   19       .section .start,#alloc,#execinstr
   20       .type _start, #function
   21       .globl  _start
   22
   23 _start:    add lr, pc, #-0x8    @ lr = current load addr
   24       adr r13, data
   25       ldmia r13!, {r4-r6}    @ r5 = dest, r6 = length
   26       add r4, r4, lr    @ r4 = initrd_start + load addr
   27       bl  move          @ move the initrd
   .....
   76       .type data,#object
   77 data:    .word initrd_start       @ source initrd address
   78       .word initrd_phys    @ destination initrd address
   79       .word initrd_size    @ initrd size
   80

line 19,宣告了叫做.start的section
line 20,21宣告了一個叫做_start的function
程式碼似乎從line 23開始
line 23, 『add lr, pc, #-0x8』
add就是將pc+(-0x8)的結果放到lr之中，pc和lr都是ARM裡頭暫存器
pc就是program counter，CPU用來指著目前要執行的指令，執行完CPU就會自動把PC+1
這樣就會拿到下一道指令，lr通常是第14個register, r14，常被用來繼續function
return時候的返回位置。奇怪的是為什麼要-0x8??
原因應該是ARM本身有pipeline的設計，prefetch->decode->execution，當指令被執行
的時候，其實已經預先去偷偷抓下一道，所以PC值不是真的指在目前執行的地方，三級
pipeline剛好多了兩個cycle所以4 bytes x 2必須要-8才是正在執行指令的位址。

line 24, 『adr r13, data』
adr會去讀取data所在的位址當作值，寫道r13裡頭。r13通常是用來放stack pointer，
常縮寫成sp，所以現在r13就指到data所在的位置上去。

line 25, 『ldmia r13!, {r4-r6}』
ldmia, load multiple increment after,顧名思義就是可以做很多次load的動作，每此
load完就把位址+1，執行完之後
r4 = initrd_start
r5 = initrd_phys
r6 = initrd_size

line 26, 『add r4, r4, lr』
r4 = r4+lr, lr是剛剛我們算過的，指到一開始執行指令的地方，看程式碼的解釋，被當
成載入的位址，所以執行完 r4 = initrd_start+程式被載入的位置，用途不明，看看之
後有沒有被用到。

line 27, 『bl  move』
bl, b是branch，相當於C語言goto的動作，l就是goto之前，先把目前位置存放到lr裡面，
所以bl除了goto之外，也改寫了lr，應該是有利於等一下返回的時候，可以用lr的值。

以上，好像還沒開始什麼重點，有空再繼續，有想錯的地方或是需要補充的地方，多多指教~

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gogojesse

2^#

樓主| 發表於 2008-8-6 18:23:09 | 只看該作者

上面的 code 裡面出現了一些還沒定義的symbol
例如 initrd_start, initrd_size等等
其實是被定義在另外一個檔 ./arch/arm/boot/bootp/initrd.S

   1    .type initrd_start,#object
   2    .globl  initrd_start
   3 initrd_start:
   4    .incbin INITRD
   5    .globl  initrd_end
   6 initrd_end:

line 2, 3, 5, 6定義了兩個symbol initrd_start和initrd_end
中間還用.incbin INITRD 將 ramdisk 的 image include進來
這邊有點複雜
假如compiler kernel的時候
有選擇使用ramdisk當成boot device的話
會對從環境變數去設置 INITRD
這個檔名會被帶入到MAKEFILE
並且在做assembler動作的丟進來
假如沒有使用initrd
那就.incbin應該就包不到東西
initrd_start 和 initrd_end 就會相等

另外有個 script ./arch/arm/boot/bootp/bootp.lds
它規範了所有link起來的object code裡面的section要怎麼編排
這樣撰寫kernel的時候
可以到特定的section取得想要的資料或是計算某個section的大小

   10 OUTPUT_ARCH(arm)
   11 ENTRY(_start)
   12 SECTIONS
   13 {
   14 . = 0;
   15 .text : {
   16 _stext = .;
   17 *(.start)
   18 *(.text)
   19 initrd_size = initrd_end - initrd_start;
   20 _etext = .;
   21 }
   22
   23 .stab 0 : { *(.stab) }
   24 .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
   25 .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
   26 .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
   27 .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
   28 .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
   29 .comment 0 : { *(.comment) }
   30 }

對於object file的格式不熟悉的話
可以參考ELF format的相關文件

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gogojesse

3^#

樓主| 發表於 2008-8-6 19:50:09 | 只看該作者

接著繼續看 init.S
之前的code已經goto到move這邊來
所以貼一些move的程式碼

   66 move:    ldmia r4!, {r7 - r10}    @ move 32-bytes at a time
   67       stmia r5!, {r7 - r10}
   68       ldmia r4!, {r7 - r10}
   69       stmia r5!, {r7 - r10}
   70       subs r6, r6, #8 * 4
   71       bcs move
   72       mov pc, lr

line 66, 將r4所指到的位置，分別將值讀出來放到r7, r8, r9, r10, 可以發現剛剛計算過的r4這邊被
用到了，但是為什麼r4不是用initrd_start，卻還要加上load addr??
原因應該是bootp.lds的14行『. = 0;』表示最後被link好的address會從0x0開始
所以 initrd_start 所記錄的位置可以當成是offset
加上load到DRAM或是擺在flash上的位址後
就剛好是initrd所在的地方

line 67, 『stmia r5!, {r7 - r10}』
stmia, store multiple increment after, 和ldmia動作相同，只是用來寫資料。
r5是存放著initrd要擺放的位置
猜測應該是為了一開始image放在flash上，但是可以將initrd拷貝到DRAM上
r7寫到r5指到的位置
r8->r5+1
r9->r5+2
r10->r5+3
所以我們發現，66,67行就是將r4所指的東西搬到r5。

line 68, 69也是一樣copy了4x4bytes，一共是32bytes。
line 70,『subs r6, r6, #8 * 4』，將length - 32bytes
line 71,『bcs move』，b是branch的意思，cs是表示condition的條件，要是條件符合的話，
就做branch的動作，這邊的用意是判斷前一個length是不是已經到0，如果不為零就繼續copy。
line 72,『mov pc, lr』
接著就把剛剛bl指令預先存放好的lr 填入pc，這樣CPU就會跳回去原本的return address。

以上的動作，慢慢看得出來有在做些什麼事
1. 找出initrd的所在位置
2. 將它copy到一個指定的destination去

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gogojesse

4^#

樓主| 發表於 2008-8-7 11:25:39 | 只看該作者

程式返回之後
我們接著看下一行

33 ldmia r13, {r5-r9} @ get size and addr of initrd
# e! H! t5 O4 H' Q0 U7 b
34 @ r5 = ATAG_CORE
/ ]+ }3 m5 [" W4 a1 `
35 @ r6 = ATAG_INITRD28 Z6 M3 s/ \" f5 ]6 w+ X; E
36 @ r7 = initrd start0 ^, X2 i+ M- X1 M J! k
37 @ r8 = initrd end" q$ }+ z% ^) `& ~0 `, A) K
38 @ r9 = param_struct address
" m+ c+ l+ Q$ X% @$ \3 k3 }; `
39
2 _/ T9 O. e4 J3 j" I
40 ldr r10, [r9, #4] @ get first tag; [ _8 e0 n' t6 W
41 teq r10, r5 @ is it ATAG_CORE?

複製代碼

line 33, 繼續從r13的地方取出資料到r5, r6, r7 ,r8, r9，註解的說明有提到各個資料
的意義，注意一下這邊的r7是initrd的destination address不是source address。

line 40, 讀入第一個tag，這邊的tag是指bootloader丟給kernel的一個boot arguments，
會被用一個叫做ATAG的structure包起來，並且放到系統的某個地方。然後kernel跑init.S，
的時候就會去這個地方拿ATAG的資料，這些資訊包括記憶體要使用多大，螢幕的解析度多大等等。

line 41, t是test, eq是equal, 判斷拿到的第一個tag是不是等於atag core. 應該是看
atag list 是不是成立的。

繼續接著看

45 movne r10, #0 @ terminator5 u9 V8 E0 m+ |7 _+ r4 x$ S
46 movne r4, #2 @ Size of this entry (2 words)
% Y" _: S5 L$ x& G! j# K
47 stmneia r9, {r4, r5, r10} @ Size, ATAG_CORE, terminator

複製代碼

發現45, 46, 47的指令都帶有condition "ne", not equal,表示是剛剛 line 41發現atag不成立
所做的事情，注釋是寫『If we didn't find a valid tag list, create a dummy ATAG_CORE entry.』
所以以上三行就是用來創造一個假的entry，假設一切順利這三行指令會bypass過去不會被執行到。

接著來看init.S最後一段程式碼 (終於~)

54 taglist: ldr r10, [r9, #0] @ tag length
. T3 _; {, m. Y
55 teq r10, #0 @ last tag (zero length)?
, |/ R" X+ c: Y: Z
56 addne r9, r9, r10, lsl #2: y+ z: X7 O% g% M3 z' U) j9 G
57 bne taglist( x6 @+ Z: O* H7 i5 i" l
58: {8 X! Y/ O1 `, ^2 Q3 D
59 mov r5, #4 @ Size of initrd tag (4 words)
; V. L1 _3 C0 m, s! J% V( s
60 stmia r9, {r5, r6, r7, r8, r10}) o9 y, W, } i) [! N
61 b kernel_start @ call kernel

複製代碼

line 54, 將r9指到的位址的offset 0x0的值載入到r10。看註解是tag length，所以這邊得要去翻翻atag的規範
這邊有個文章有提到 http://www.simtec.co.uk/products ... ooting_article.html ，一開
始應該是去讀atag_header所看第一個欄位，確認一下是size，應該沒問題。

struct atag_header {+ `+ [! z0 _( g! j+ a
u32 size; /* legth of tag in words including this header *// s1 G& G1 G3 ]. m
u32 tag; /* tag value */- |9 \. a. d- Q( k/ i
};

複製代碼

line 55,測試一下size是不是0。
line 56, 57也有condition ne,表示是不為0的時候做的。將拿到的length(r10)乘以4，這邊的lsl是將r10往
左shift的意思,因為一個欄位是4bytes，所以乘4之後就跳到下一個tag，一直跳到最後沒東西。

line 59, 將r5設成4
line 60, 將r5, r6, r7, r8 ,r10存到r9所指到的位置，應該就是跟在atag list的後面。
line 61, jump 到 kernel_start ，注意這邊是用b而不是bl，因為跳過去kernel就不需要返回了。BL會用到
lr紀錄返回位置。

以上，走過一整個init.S,接著會跳到./arch/arm/boot/compressed/head.S。

kernel_start的定義方式跟initrd_start有點類似，中間有透過 kernel.S去用.incbin把kernel image包進來。