Lec 06 系统初始化

Lec 06 系统初始化

目录

• Lec 06 系统初始化
  • Contents
    • 1.启动过程和系统初始化
      • 1.从上电到等待输入
      • 2. 计算机上电到内核启动
      • 3. 实例：树莓派启动
      • 4. 树莓派GPU启动
      • 5. 内核入口函数地址
      • 6. ARMv8架构下内核启动的3个主要任务
    • 2. 物理地址空间
      • 1. 物理地址空间$\ne$物理内存空间
      • 2. 读内存示例：LOAD 1742，R1
    • 3. Chcore启动
    • 4. 页表初始化
      • 开启页表前后
    • 5 异常向量表初始化
    • 6 小结

Contents

1.启动过程和系统初始化

1.从上电到等待输入

2. 计算机上电到内核启动

1. 上电后，开始执行BIOS ROM中的代码（早期设备）
   -- 自检（POST: Power-On Self Test）
   -- 找到第一个可启动设备（如第一块磁盘）
   -- 将可启动设备的第一个块（Master Boot Record ）加载到内存固定地址中
   -- 跳转到bootloader的内存地址（MBR中包含bootloader）并继续执行
2. bootloader开始执行
   -- 将内核的二进制文件从启动设备加载到内存中
   -- 若内核文件是压缩包，则对其进行解压
   -- 跳转到（解压后的）内核加载地址（物理地址）并继续执行
3. 内核代码开始执行

3. 实例：树莓派启动

• 树莓派：上电后真正运行的第一行代码（没有BIOS）
  -- 板子上电后固定从0x0地址运行firmware（也称 bootloader）
  -- firmware放在SD卡中
  -- 然后再由这段代码去初始化CPU、SDRAM等
  -- 最后再加载内核、根文件系统到内存，实现系统启动
• 不同主板厂商的实现可以不同
  -- 这部分代码由主板厂商提供，使用人员通常不用关心
  -- 树莓派的启动比较特殊：第一行代码由GPU运行
  -- 不同版本的树莓派也可能不一样

4. 树莓派GPU启动

• Step-1
  -- GPU：运行0x0地址的firmware，将将SD卡根目录下的bootcode.bin加载到内存中
• Step-2
  -- GPU：运行bootcode.bin，将SD卡根目录下的start.elf加载到内存中
• Step-3
  -- GPU：运行start.elf，将SD卡根目录下的kernel.img加载到内存中
  -- 然后，CPU 跳转到 kernel.img，开始真正运行内核代码

5. 内核入口函数地址

CPU从预定义的RAM地址读取第一行代码，由硬件厂商决定
树莓派：32位为0x8000，64位为0x80000

6. ARMv8架构下内核启动的3个主要任务

1. 设置CPU异常级别（特权级别）
   -- 内核通常运行在EL1，CPU上电后的异常级别不一定是EL1，如何切换异常级别？
2. 设置页表并开启虚拟内存机制
   -- 页表究竟改如何具体配置？
   -- 难点：开启地址翻译的前一行指令使用物理地址，开启后立即使用虚拟地址，前后如何衔接？
3. 设置异常向量表并打开中断
   -- 异常向量表如何配置？
   -- 打开后，异常处理的指令流如何流动？

2. 物理地址空间

1. 物理地址空间$\ne$物理内存空间

• 物理地址空间通常指：系统总线地址空间
  -- 系统总线连接内存，也连接其他设备，每个设备都占一块地址空间

2. 读内存示例：LOAD 1742，R1

1. 总线上的设备可以向总线发起请求，称为事务（Transaction）。处理器-2向总线发起事务 {1742, READ, 102} ，总线上所有设备均可见

2. 内存-1发现地址在自己的范围（仅需检查地址高位即可）

3. 内存-1 ACK，处理器-2释放总线，内存-1在内部读取位于1742地址的数据

4. 内存-1 ACK，处理器-2释放总线，内存-1在内部读取位于1742地址的数据

5. 处理器-2正在等待结果，将数据从总线复制到寄存器R1中

6. 处理器-2 ACK，内存释放总线

3. Chcore启动

4. 页表初始化

开启页表前后

执行267行，为何能顺利执行？

• 页表不是在低地址区域（0-1G）么？
• 虚拟地址和物理地址完全相同
• 回想下页表中的映射（TTBR1）

start_kernel位于高地址段：

• 0xffffff0000000000 + init_end
• 从 init_c （低地址范围）跳过去后
• 高地址范围的地址已经被映射
• 栈在 start_kernel 已经换成了高地址

5 异常向量表初始化

6 小结

• 设置CPU异常级别为EL1
• 设置页表并开启虚拟内存机制
  -- TTBR0_EL1: 虚拟地址 = 物理地址
  -- TTBR1_EL1: 虚拟地址 = 物理地址 + OFFSET
• 设置异常向量表
  -- 每个异常向量表项跳转到对应的异常处理函数
  -- 处理异常前保存进程上下文、返回进程前恢复其上下文