RISC-V Linux汇编启动过程分析

RISC-V Linux的汇编启动部分比较简单，不算复杂。有两个部分比较核心：页表创建和重定向。页表创建是用C语言写的，今天先分析汇编部分，先带大家分析整体汇编启动流程，然后再分析重定向。

注意：本文基于linux5.10.111内核

汇编启动流程

先从整体分析汇编做的事情，有个大体框架。

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

从ENTRY(_start_kernel)开始进行启动前的一些初始化，建立页表前的主要工作：

• 关闭所有中断

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

• 加载全局指针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

• 选择一个核启动

/* 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

• 保存hart id和dtb地址

/* 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

• 设置sp指针

    la sp, init_thread_union + THREAD_SIZE

• 上述工作完成，会开始临时页表的创建，跳转到C函数setup_vm建立临时页表

    mv a0, s1
    call setup_vm // 跳转到C函数setup_vm，setup_vm会创建临时页表

• 重定向

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

• 设置异常向量地址，重载C环境

    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

• 最后跳转到C函数start_kernel，开始C语言部分初始化，汇编部分执行完毕

tail start_kernel

完整_start_kernel汇编代码：

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

汇编中非常重要的一个部分就是页表的创建，关乎着后面的程序能不能继续往下跑。setup_vm创建页表后就会开始执行relocate重定向，这个重定向主要开启mmu，下面分析relocate的汇编。

relocate

relocate重定向，就是在开启mmu。开启mmu的操作就是将一级页表的地址以及权限写到satp寄存器中，这就算开启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

• 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。