trace linux kernel - 1

此篇原文撰寫於2008-0806
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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，所以就從它開始吧!!

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

line19,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functionreturn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，3 stages: 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，寫到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_startr5 = initrd_physr6 = initrd_sizeline 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，但是意圖不明，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。

由於上面的 code 裡面出現了一些還沒定義的symbol，例如 initrd_start, initrd_size等等，因此我們先岔斷出來做說明，其實這些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

1) 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動作的時候丟進來。

2) 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，特定的編排方式，對於撰寫kernel的時候，程式本身可以很方便到特定的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

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 - 32bytesline 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

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 
34 @ r5 = ATAG_CORE 
35 @ r6 = ATAG_INITRD2 
36 @ r7 = initrd start 
37 @ r8 = initrd end 
38 @ r9 = param_struct address 
39 
40 ldr r10, [r9, #4] @ get first tag 
41 teq r10, r5 @ is it ATAG_CORE?

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 @ terminator 
46 movne r4, #2 @ Size of this entry (2 words) 
47 stmneia r9, {r4, r5, r10} @ Size, ATAG_CORE, terminator

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 
55 teq r10, #0 @ last tag (zero length)? 
56 addne r9, r9, r10, lsl #2 
57 bne taglist 
58 
59 mov r5, #4 @ Size of initrd tag (4 words) 
60 stmia r9, {r5, r6, r7, r8, r10} 
61 b kernel_start @ call kernel

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 { 
u32 size; /* legth of tag in words including this header */ 
u32 tag; /* tag value */
};

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4line 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,我們可以粗略的知道他會

1) 處理ramdisk
2) 處理atag (也就是bootargs)

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。