Analyse des Startvorgangs der RISC-V-Linux-Assembly

Der Assembly-Startteil von RISC-V Linux ist relativ einfach und nicht zu kompliziert. Es gibt zwei Kernteile: die Erstellung und Umleitung von Seitentabellen. Die Erstellung der Seitentabelle ist in der Sprache C geschrieben. Heute analysieren wir zunächst den gesamten Assembly-Startprozess und analysieren dann die Umleitung.

Hinweis: Dieser Artikel basiert auf dem Linux5.10.111-Kernel

Assembly-Startprozess

Beginnen wir zunächst mit einer Gesamtanalyse der Funktionsweise der Assembly, und es gibt einen allgemeinen Rahmen.

Pfad: ENTRY(_start_kernel)arch/riscv/kernel/head.S，入口是ENTRY(_start_kernel)

从ENTRY(_start_kernel)

From ENTRY(_start_kernel)Starten Sie vor dem Start einige Initialisierungen und die Hauptarbeit, bevor Sie die Seitentabelle erstellen: 🎜

• Alle Interrupts ausschalten.

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

• Globalen Zeiger GP laden.

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

• FPU deaktivieren

/* 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

• Mache den Mist raus Segment

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

• Speichern Sie die Hart-ID und die DTB-Adresse

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

• Setzen Sie den SP-Zeiger

/* 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

• Nach Abschluss der oben genannten Arbeiten beginnt die Erstellung der temporären Seitentabelle. und springen Sie zur C-Funktion setup_vm, um die temporäre Seitentabelle zu erstellen C Funktion start_kernel, startet die Initialisierung des C-Sprachteils und führt den Assembly-Teil aus kann weiterlaufen. Nachdem setup_vm die Seitentabelle erstellt hat, beginnt es mit der Ausführung der Relocate-Umleitung. Diese Umleitung aktiviert hauptsächlich mmu. Die Zusammenstellung von Relocate wird unten analysiert.

• relocate

relocate-Weiterleitung, die MMU aktivieren soll. Der Vorgang zum Einschalten von MMU besteht darin, die Adresse und Berechtigungen der Seitentabelle der ersten Ebene in das
• -Register zu schreiben. Dies wird als Einschalten von MMU angesehen.

  #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

  • 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

  • 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

  • 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

  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

  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。

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