龙芯内核启动流程（一）

• 了解龙芯内核启动流程。

1.MIPS CPU Address

  MIPS CPU运行时有三种状态：用户模式（User Mode）；核心模式（Kernel Mode）；管理模式（Supervisor Mode）。其中管理模式不常用。用户模式下，CPU只能访问KUSeg；当需要访问KSeg0、Kseg1和Kseg2时，必须使用核心模式或管理模 式。

  32位MIPS CPU将程序地址空间分为4部分：

• Kuseg：0×00000000～0×7FFFFFFF（2G）。这些地址是用户态可用的地址。 在有MMU的机器里，这些地址将一概被转换。除非MMU已经设置好，否则不应该使用这些地址；对于没有MMU的处理器，这些地址的行为与具体处理器有关。 如果想要你的代码能够移植到无MMU的处理器上，或者能够在无MMU的处理器间移植，应避免使用这块区域。

• Kseg0：0×80000000～0×9FFFFFFF（512M）。只要把最高位清零，这些地址就会转换成物理地址，映射到连续的 低端512M的物理空间上。这段区域的地址几乎总是要通过高速缓存来存取（write-back，或write-through模式），所以在高速缓存初 始化之前，不能使用。因为这种转换极为简单，且通过Cache访问，因而常称为这段地址为Unmapped Cached。这个区域在无MMU的系统中用来存放大多数程序和数据；在有MMU的系统中用来存放操作系统核心。

• KSeg1：0xA0000000～0xBFFFFFFF（512M）。这些地址通过把最高三位清零，映射到连续的第算512M的物理地址，即 Kseg1和Kseg0对应同一片物理内存。但是与通过Kseg0的访问不同，通过Kseg1访问的话，不经过高速缓存。 Kseg1是唯一的在系统加电/复位时，能正常访问的地址空间，这也是为什么复位入口点（0xBFC00000）放在这个区域的原因，即对应复位物理地址 为0×1FC00000。因而，一般情况下利用该区域存储Bootlooder；大多数人也把该区域用作IO寄存器（这样可以保证访问时，是直接访问 IO，而不是访问cache中内容），因而建议IO相关内容也要放在物理地址的512M空间内。

• KSeg2：0xC0000000～0xFFFFFFFF（1G）。这块区域只能在核心态下使用，并且要经过MMU的转换，因而在MMU设置好之前，不要存取该区域。除非你在写一个真正的操作系统，否则没有理由使用Kseg2。

2.内核启动

（1）主核core0 启动linux的入口是 kernel_entry（在arch/mips/kerenl/head.S中定义），跳转到kernel_entry_setup（在arch\mips\include\asm\mach-cavium-octeon\kernel-entry-init.h定义），因为BootLoader将主核core0的寄存器a2设置为1，所以跳转到octeon_main_processor，继而跳转到start_kernel继续启动linux；

（2）从核启动linux的入口也是kernel_entry，因为BootLoader将从核的寄存器a2设置为0，于是进入octeon_spin_wait_boot等待主核core0唤醒;

（3）主核core0执行start_kernel，调用boot_cpu_init，设置core0点cpu状态为online（可被 调度 ），active（可被 迁移 ）， present（ 被内核接管 ） ， possible（系统存在，但没有被内核接管）；

（4）主核 core0调用setup_arch进行mips体系结构相关初始化，与SMP相关的有：prom_init调用octeon_setup_smp注册octeon_smp_ops结构体，赋值给全局变量struct plat_smp_ops *mp_ops，是多核启动的操作函数集；plat_smp_setup调用 plat_smp_ops函数集octeon_smp_ops 的octeon_smp_setup根据coremask参数设置可以被启动点从核的各cpu状态为 present（ 被内核接管 ）和 possible（系统存在，但没有被内核接管），设置各从核cpu点logic map。

（5）主核 core0在kernel_init线程执行smp_prepare_cpus，调用octeon_smp_ops 的octeon_prepare_cpus初始化mailbox并申请mailbox中断；

（6）主核 core0执行smp_init，调用idle_threads_init初始化idle线程，然后调用cpu，最终调用octeon_smp_ops的octeon_boot_secondary，将 octeon_processor_sp和octeon_processor_gp指向idle线程的stack，将octeon_processor_sp赋值为待启动从核点逻辑core id；

（7）从核 octeon_spin_wait_boot检测到 octeon_processor_sp和自己的core id匹配了，就跳出 octeon_spin_wait_boot，执行smp_bootstrap，调用start_secondary，进而调用 octeon_smp_ops 的octeon_init_secondary和octeon_smp_finish；

（8）从核执行cpu_startup_entry进入idle loop。

2.1.启动流程分析

  系统加电启动后，任何MIPS Core都是从系统的虚拟地址0xbfc00000(BIOS入口地址)启动的，其对应的物理地址为0x1FC00000。因为上述地址处于kseg1中，所以此时系统不需要TLB映射就能够运行（这段空间通过去掉最高的三位来获得物理地址）。CPU从物理地址0x1FC00000开始取第一条指令，这个地址在硬件上已经确定为FLASH（BIOS）的位置，BIOS将Linux内核镜像文件拷贝到RAM中某个空闲地址（LOAD地址）处，然后一般有个内存移动的操作（Entry point(EP)的地址），最后BIOS跳转到EP指定的地址运行，此时开始运行Linux kernel。

  CPU根据型号不同，一个CPU里面可能集成了多个Core。这些Core里面，在上电时，只有core 0（一般称之为主核，其它核称为从核）会从reset状态跳转到物理地址0x1FC00000（我们的flash起始地址会映射成这个值），开始执行相关的一系列初始化代码，如内存、外设等等。而另外一些核则仍处于reset状态，只有core 0主动去唤醒它们时，从核才有可能开始正常运转。

  在编译完内核时，一般情况下生成两个版本的内核vmlinux与vmlinuz。其中vmlinux为非压缩版内核，vmlinuz为压缩版内核（包含内核自解压程序）。使用readelf -l vmlinux 命令可以读到LOAD地址，这个地址是由arch/mips/kernel/vmlinux.lds决定的：

  1 OUTPUT_ARCH(mips)                                                                                                                                                                                              
  2 ENTRY(kernel_entry)
  3 PHDRS {
  4  text PT_LOAD FLAGS(7);
  5  note PT_NOTE FLAGS(4);
  6 }
  7  jiffies = jiffies_64;
  8 SECTIONS
  9 {
 10  . = 0xffffffff80200000;
 11  _text = .;
 12  .text : {
 13   . = ALIGN(8); *(.text.hot .text .text.fixup .text.unlikely) *(.text..refcount) *(.ref.text) *(.meminit.text*) *(.memexit.text*)
 14   . = ALIGN(8); __sched_text_start = .; *(.sched.text) __sched_text_end = .;
 15   . = ALIGN(8); __cpuidle_text_start = .; *(.cpuidle.text) __cpuidle_text_end = .;
 16   . = ALIGN(8); __lock_text_start = .; *(.spinlock.text) __lock_text_end = .;
 17   . = ALIGN(8); __kprobes_text_start = .; *(.kprobes.text) __kprobes_text_end = .;
 18   . = ALIGN(8); __irqentry_text_start = .; *(.irqentry.text) __irqentry_text_end = .;
 19   . = ALIGN(8); __softirqentry_text_start = .; *(.softirqentry.text) __softirqentry_text_end = .;
 20   *(.text.*)
 21   *(.fixup)
 22   *(.gnu.warning)
 23  } :text = 0
 24  _etext = .;
 25  . = ALIGN(16); __ex_table : AT(ADDR(__ex_table) - 0) { __start___ex_table = .; KEEP(*(__ex_table)) __stop___ex_table = .; }
 26  __dbe_table : {
 27   __start___dbe_table = .;
 28   *(__dbe_table)
 29   __stop___dbe_table = .;
 30  }

关于Entry point(EP)的一些说明：

  EP（ELF可以读到）地址是BIOS移动完内核后，直接跳转的地址（控制权由BIOS转移到KERNEL）。这个地址由ld写入ELF的头中，会依次用下面的方法尝试设置入口地址，当遇见成功时则停止：

a.命令行选项 -e entry; 
b.脚本（vmlinux.lds）中的ENTRY（xxx）; 
c.如果有定义start符号，则使用start符号(xxx); 
d.如果存在.text节，则使用第一个字节的地址； 
e.地址0。

  由于上述ld 脚本（vmlinux.lds）中，用ENTRY宏设置了内核的EP是kernel_entry (KE)函数的地址，所以内核取得控制权（BIOS跳转之后）后执行的第一条指令就是 KE函数。

注意：这种情况只是vmlinux（非压缩版的内核），对于vmlinuz（压缩版的内核）,EP会被设置成内核自解压缩的程序代码的地址，这样固件就会跳转到内核自解压代码（此时的EP为解压程序的代码地址），最后还是会到KE函数去执行。
vmlinux ： 执行入口是arch/mips/boot//head.S中的kernel_entry；
vmlinuz ： 解压前真正执行入口是arch/mips/boot/compressed/head.S中的start标号；

  由以上分析可知无论是压缩版还是非压缩版的Linux内核，内核第一个执行的函数是KE。kernel_entry()函数是体系结构相关的汇编语言，它首先初始化内核堆栈段，来为创建系统中的第一个进程进行准备，接着用一段循环将内核映像的未初始化数据段（bss段，在_edata和_end之间）清零，最后跳转到 /init/main.c 中的 start_kernel()初始化硬件平台相关的代码。源代码如下：

NESTED(kernel_entry, 16, sp)            # KE函数定义，函数栈的大小为16字节

    kernel_entry_setup          # 对CPU的配置，详情见kernel_entry_setup函数分析NOTE1

    setup_c0_status_pri         #设置mips协处理器（cp0）中的寄存器，详情见NOTE2

    PTR_LA  t0, 0f
    jr  t0
0:

#ifdef CONFIG_MIPS_MT_SMTC     #硬件多线程
    mtc0    zero, CP0_TCCONTEXT
    mfc0    t0, CP0_STATUS
    ori t0, t0, 0xff1f
    xori    t0, t0, 0x001e
    mtc0    t0, CP0_STATUS
#endif /* CONFIG_MIPS_MT_SMTC */

    PTR_LA      t0, __bss_start     # 清除BSS段，详情见NOTE3
    LONG_S      zero, (t0)
    PTR_LA      t1, __bss_stop - LONGSIZE
1:
    PTR_ADDIU   t0, LONGSIZE
    LONG_S      zero, (t0)
    bne     t0, t1, 1b

    LONG_S      a0, fw_arg0     # BIOS传参数，详情见NOTE4
    LONG_S      a1, fw_arg1
    LONG_S      a2, fw_arg2
    LONG_S      a3, fw_arg3

    MTC0        zero, CP0_CONTEXT   # NOTE5 
    PTR_LA      $28, init_thread_union    #为0号进程准备内核栈，详情见NOTE6
    PTR_LI      sp, _THREAD_SIZE - 32 - PT_SIZE
    PTR_ADDU    sp, $28
    back_to_back_c0_hazard #NOTE7
    set_saved_sp    sp, t0, t1 #NOTE6
    PTR_SUBU    sp, 4 * SZREG       #NOTE8

    j       start_kernel  #NOTE9
    END(kernel_entry)

    __CPUINIT

1).NOTE1（kernel_entry_setup函数分析）：

  KE第一个调用函数则是kernel_entry_setup(arch/mips/include/asm/mach-loongson/kernel-entry-init.h)
源代码：

#ifndef __ASM_MACH_LOONGSON_KERNEL_ENTRY_H
#define __ASM_MACH_LOONGSON_KERNEL_ENTRY_H
    .macro  kernel_entry_setup
#ifdef CONFIG_CPU_LOONGSON3
    .set    push
    .set    mips64
    /* Set LPA on LOONGSON3 config3 */
    mfc0    t0, $16, 3
    or  t0, (0x1 << 7)
    mtc0    t0, $16, 3
    /* Set ELPA on LOONGSON3 pagegrain */
    mfc0    t0, $5, 1
    or  t0, (0x1 << 29)
    mtc0    t0, $5, 1
#ifdef CONFIG_LOONGSON3_ENHANCEMENT
    /* Enable STFill Buffer */
    mfc0    t0, $16, 6
    or  t0, 0x100
    mtc0    t0, $16, 6
#endif
    _ehb
    .set    pop
#endif
    .endm

  通常情况下这个函数的实现与具体的CPU有关，阅读这段代码得结合LOONGSON CPU手册。 这个函数的作用是设置CPU，由于LOONGSON是基于MIPS架构架构的，所以对CPU的设置是对CPU协处理器（CP0）的寄存器进行设置来设置CPU。kernel_entry_setup函数主要做了俩件事情：

• 使LOONGSON CPU支持大物理地址；
• 使LOONGSON CPU支持合并写功能。

2).NOTE2（setup_c0_status_pri函数分析）：

    mfc0    t0, CP0_STATUS
    or  t0, ST0_CU0|\set|0x1f|\clr
    xor t0, 0x1f|\clr
    mtc0    t0, CP0_STATUS
    .set    noreorder
    sll zero,3              # ehb
    .set    pop
    .endm
.macro  setup_c0_status_pri 
#ifdef CONFIG_64BIT
#ifdef CONFIG_CPU_LOONGSON3
    setup_c0_status ST0_KX|ST0_MM 0  #（1）
#else
    setup_c0_status ST0_KX 0
#endif
#else
#ifdef CONFIG_CPU_LOONGSON3
    setup_c0_status ST0_MM 0 
#else
    setup_c0_status 0 0
#endif
#endif
    .endm

  setup_c0_status_pri函数与具体的CPU有关的汇编实现的。根据芯片手册及代码可以看出这个函数主要做了一下几个事情：

• (1)使能XTLB Refill列外向量；
• (2)使能协处理器2；
• (3)使能协处理器0；
• (4)关闭中断；
• (5)还有一些其他位设置。

3).NOTE3（清除BBS段）:

    PTR_LA      t0, __bss_start     
    LONG_S      zero, (t0)
    PTR_LA      t1, __bss_stop - LONGSIZE
1:
    PTR_ADDIU   t0, LONGSIZE
    LONG_S      zero, (t0)
    bne     t0, t1, 1b

  以bss_start为起始地址，步调为LONGSIZE（LOONGSON 是64位处理器，所以LOONGSIZE为8）,终点地址为 bss_stop-LONGSIZE做循环清零的事情。

4).NOTE4（BIOS传参）：

    LONG_S      a0, fw_arg0     
    LONG_S      a1, fw_arg1
    LONG_S      a2, fw_arg2
    LONG_S      a3, fw_arg3

  固件将要传递的参数的地址放在了a0,a1,a2,a3寄存器中，通过这段代码将地址赋予fw_arg*等变量。这段代码通过传递地址间接做参数传递。

5).NOTE5：

MTC0        zero, CP0_CONTEXT  

  清除CP0的Context寄存器，这个寄存器用来保存页表的起始地址

6).NOTE6（为0号进程准备内核栈）：

    PTR_LA      $28, init_thread_union    
    PTR_LI      sp, _THREAD_SIZE - 32 - PT_SIZE
    PTR_ADDU    sp, $28
    set_saved_sp    sp, t0, t1 

源文件：arch/mips/include/asm/stackframe.h 
    .macro  set_saved_sp stackp temp temp2
    ASM_CPUID_MFC0  \temp, ASM_SMP_CPUID_REG
    LONG_SRL    \temp, SMP_CPUID_PTRSHIFT
    LONG_S  \stackp, kernelsp(\temp)
    .endm

如图所示：

代码片段2将SP保存到kernelsp数组中去。

其中kernelsp数组定义在arch/mips/kernel/setup.c中。
unsigned long kernelsp[NR_CPUS]; #NR_CPUS CPU核的个数

注意：代码片段2将SP最终保存到kernelsp数组中，它是以CPUID号作为数组的偏移，而CPUID是存在CP0 Context寄存器中的，虽然前面已经清零，但是在这一刻，CPU将ID存到了这个寄存器中。

由上图引发的一些问题：

• 1、init_thread_union 是何物？它存在哪里？
• 2、为何要将它的地址保存到GP？
• 3、PT_SIZE作甚？
• 4、为何将最后的SP保存到kernelsp数组中去？

如图所示：

2.2.获取入口地址

arch/mips/Makefile :
entry-y = $(shell $(objtree)/arch/mips/tools/elf-entry vmlinux)

~/work/code/linux/loongson/loongson-kernel/arch/mips/tools$ ./elf-entry ../../../vmlinux
0xffffffff81b62b80

refer to

• https://techpubs.jurassic.nl/manuals/hdwr/developer/DevDrvrO2_PG/sgi_html/ch01.html
• https://tams.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades/webdemos/mips.html
• https://jgsun.github.io/2019/05/08/octeon-mips-SMP-linux-startup/
• https://www.cnblogs.com/morphling/p/3595287.html