trace linux kernel source - ARM - 01

gogojesse

昨天下載了linux-2.6.26的kernel source
( a. n% d- ~8 p, Y" ?打算trace一下 (以ARM為例子)
3 l1 r6 h& z' l$ i2 Q+ O3 Q看看能不能多了解一下kernel booting時候的一些動作
' K  `( H  [0 M$ t$ H- }2 ^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
9 ]7 D/ L& u3 i1 h( O! W& z' n. s     20         .type   _start, #function
     21         .globl  _start
     22
     23 _start:     add lr, pc, #-0x8       @ lr = current load addr
     24         adr r13, data
/ C3 D* y8 }' y# l9 `# ^     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
' H( r% b  x3 E# {$ w4 n: S" J( x     .....
     76         .type   data,#object
     77 data:       .word   initrd_start        @ source initrd address
     78         .word   initrd_phys     @ destination initrd address
6 I' `) N: \; K3 h     79         .word   initrd_size     @ initrd size
$ O: x# S) d9 [. ~; w! @     80

  G: Y; e/ I  j9 e2 ^( Vline 19,宣告了叫做.start的section
/ O, U/ ]8 A, [7 z/ U  p9 v; vline 20,21宣告了一個叫做_start的function
程式碼似乎從line 23開始
; @# t$ d; |+ e* W5 T& Fline 23, 『add lr, pc, #-0x8』
$ F' _& F. E  ~$ |. gadd就是將pc+(-0x8)的結果放到lr之中，pc和lr都是ARM裡頭暫存器
; q, {5 ]/ g% k1 z& s0 Npc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
" W) ~3 G/ H/ w3 [6 |" }, _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??
+ q. H& w# x& }: o/ g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。
0 Y& \. y9 ]' D' {% V
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。
4 G2 B2 `% p; P
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
% z8 I3 Z& h4 ^( V+ r5 I7 U2 Fload完就把位址+1，執行完之後
r4 = initrd_start
r5 = initrd_phys
r6 = initrd_size

" n  n7 K: `9 y, q2 cline 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
) ~1 x/ O9 t" s& ?' ]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
, F  y) q) ]/ d* n$ l+ }後有沒有被用到。
1 ?, o- p7 v# [; I4 H8 G; H
$ |8 N' E+ U% L; Q5 ?line 27, 『bl  move』
$ c" n% D* T. I, S- C% D( }- dbl, 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，
/ B9 g5 p/ p0 ^4 [/ j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。
( A! d0 T& o* g. l; _( c" z
8 f! M1 U9 D- H) a8 `- f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~

gogojesse

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
7 S! f; A) L, J: ]' A) c
2 k* H) r2 J! o4 {) R! f      1     .type   initrd_start,#object
9 H4 |8 J; }! A; q      2     .globl  initrd_start
      3 initrd_start:
) I. ]/ D1 }& Y8 K  g      4     .incbin INITRD
      5     .globl  initrd_end
      6 initrd_end:
5 p+ b$ m( k: b! ?% e+ I) W
2 X, y  ]! \$ d# u- gline 2, 3, 5, 6定義了兩個symbol initrd_start和initrd_end
3 I8 j% ]5 A& R8 q1 |% H. P$ z4 H中間還用.incbin INITRD 將 ramdisk 的 image include進來
這邊有點複雜
" |& L( M, q8 c/ T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
0 o5 [; l. O% x; j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
5 }; S# A' {+ S$ l9 X/ r那就.incbin應該就包不到東西
7 G* ~8 s7 ~2 g1 z4 linitrd_start 和 initrd_end 就會相等

另外有個 script ./arch/arm/boot/bootp/bootp.lds
& }. p8 k0 I% y/ G+ F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
2 |2 s6 B' p% X0 N2 @6 e
     10 OUTPUT_ARCH(arm)
' {# H3 E& U3 u& ?3 f/ G' k3 G" t     11 ENTRY(_start)
     12 SECTIONS
9 M( e% `1 D" z     13 {
     14   . = 0;
( Y* T& s  O- {5 i     15   .text : {
     16    _stext = .;
5 z# O* o! O1 e     17    *(.start)
     18    *(.text)
7 W# C# k/ ]6 O; z     19    initrd_size = initrd_end - initrd_start;
/ J1 I% M+ D' A9 B+ T: O     20    _etext = .;
     21   }
$ D9 ?3 Q7 E" W, V" Q" i     22
     23   .stab 0 : { *(.stab) }
  r: B0 V& F5 `. S/ \- R, i     24   .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
     25   .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
     26   .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
     27   .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
/ c( L, B% g, @/ O0 J7 G     28   .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
2 Y: u2 J$ M1 ^9 B" V+ b     29   .comment 0 : { *(.comment) }
     30 }

8 \! d6 y9 ?, y3 L對於object file的格式不熟悉的話
$ y0 @. F; s. n* Y" `% K$ s8 h; X可以參考ELF format的相關文件

gogojesse

接著繼續看 init.S
5 h# F2 x, C+ b  r5 \  R" q  M之前的code已經goto到move這邊來
3 X+ g4 R+ B" O* i  O所以貼一些move的程式碼
, O6 r* v0 I, |$ M
     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
! ?. ?) D+ |- X! r: Q0 Y7 j4 X# x% H     71         bcs move
     72         mov pc, lr

& h0 x8 c; u  @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
; l& _0 Y. I% t% Y, J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
5 H" z1 ^2 k0 ?5 }2 f) T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
. x- \8 \' v7 `) N. j; W就剛好是initrd所在的地方
: H7 g; Y" |4 O
7 e3 U; Q0 \4 Z* ]4 @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
( J/ `- C5 H' x, f9 A9 \) rr7寫到r5指到的位置
3 n/ b2 n2 C* S, K+ @r8->r5+1
8 H- |4 D7 Y' pr9->r5+2
( P7 y0 q& s" G% k+ Rr10->r5+3
所以我們發現，66,67行就是將r4所指的東西搬到r5。

: |6 c$ v  r, S! ?, |line 68, 69也是一樣copy了4x4bytes，一共是32bytes。
/ X8 l& n, \5 O1 w* \) U/ aline 70,『subs    r6, r6, #8 * 4』，將length - 32bytes
+ H) O2 i! ]9 iline 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，
& i5 w) w+ t/ q+ Z% O7 t9 l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』
  Q! O; k& v8 y& K3 x& C* j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。
( C2 U+ A& z: h' @' B; q1 m
以上的動作，慢慢看得出來有在做些什麼事
! z2 T9 P. ?" e0 _: a8 H1. 找出initrd的所在位置
2. 將它copy到一個指定的destination去

gogojesse

程式返回之後
我們接著看下一行

1.      33         ldmia   r13, {r5-r9}        @ get size and addr of initrd
   
2.      34                         @ r5 = ATAG_CORE
   
3.      35                         @ r6 = ATAG_INITRD2
   
4.      36                         @ r7 = initrd start
   + h: I; x4 q/ R' I) e* I
5.      37                         @ r8 = initrd end
   9 |5 v5 M: z5 t1 p6 H
6.      38                         @ r9 = param_struct address
   % p, k7 `1 }8 G/ ?& s
7.      39
   
8.      40         ldr r10, [r9, #4]       @ get first tag
   
9.      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
( m( |* {  G3 s! M! _/ s+ {  C( P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，
  O+ R5 y. T% H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。
0 M; K9 o8 B3 g3 M6 e
0 P3 e0 l1 |3 T. j, F" Qline 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
, ]4 @6 }" I. |$ b) vatag list 是不是成立的。

3 I  I6 ]3 d" @繼續接著看

1.      45         movne   r10, #0         @ terminator
   
2.      46         movne   r4, #2          @ Size of this entry (2 words)
   / Q- G* t3 L# J% r+ F
3.      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.』
  C2 O. {# C  k0 t: d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。
0 n$ j% s# K4 X3 z$ R
接著來看init.S最後一段程式碼 (終於~)

1.      54 taglist:    ldr r10, [r9, #0]       @ tag length
   " ?& I4 d6 Q$ A8 y  O
2.      55         teq r10, #0         @ last tag (zero length)?
   
3.      56         addne   r9, r9, r10, lsl #2
   
4.      57         bne taglist
   
5.      58
   ! C0 w* T- R3 R0 n0 v1 G
6.      59         mov r5, #4          @ Size of initrd tag (4 words)
   : O) V5 l) Z$ U- e# R$ W
7.      60         stmia   r9, {r5, r6, r7, r8, r10}
   
8.      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
) R4 _$ @! Q1 Y& P4 I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。

1. struct atag_header {
   
2.         u32 size; /* legth of tag in words including this header */
   ) A8 u8 _$ o6 W! H
3.         u32 tag;  /* tag value */
   
4. };

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
: l: Z0 @6 x. v7 [& m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。
5 m8 y, O$ h3 J' H
$ |/ ]% s5 g  K4 t& mline 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
+ A$ v* ?( ~2 ulr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。
: \1 l. U' V# Y* U  a% Z
! \$ J" X( y4 J7 ^( \; Bkernel_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。

jacky002

好一段時間沒有碰程式了，看到你的分析讓我想起年輕時候的我 ~~~~ 還是不要透漏年齡

gogojesse

原帖由 jacky002 於 2008-8-9 07:44 AM 發表
好一段時間沒有碰程式了，看到你的分析讓我想起年輕時候的我 ~~~~ 還是不要透漏年齡

( `9 F$ u+ R9 A
' r$ |8 w6 n5 }. {
有些時候  東西是越陳越香啊~~
6 U! o" h/ c/ p5 c...........

gogojesse

剛剛發現一個大陸網站的blog貼了我的文章
但是沒表明出處 = =
) A( H5 j% T; b8 J: K2 o7 J- I( d還把標題改過，感覺像是他自己寫的
真是麻煩~
/ K' l/ _" C. C- O1 d. k' T6 D
已經好幾次這樣的經驗
以前幫忙有弄網站也是這樣
抄襲得很嚴重
內地那邊到底有沒有在管啊!!