OpenSBI 固件代码分析（一）：启动流程

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OpenSBI 固件代码分析（一）：启动流程

2024-06-04 15:48| 来源: 网络整理| 查看: 265

Corrector: TinyCorrect v0.2-rc1 - [tables urls refs autocorrect epw] Author: groot [email protected] Date: 2023/07/28 Revisor: Falcon [email protected] Project: RISC-V Linux 内核剖析 Proposal: RISC-V Linux 内核 SBI 调用技术分析 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS

前言

之前的文章给大家介绍了一下 SBI 和 OpenSBI，不过并没有特别深入地分析 OpenSBI 的整个流程。接下来我将带领读者从源码开始剖析，分析 OpenSBI 的启动流程，逐渐深入地学习 OpenSBI。

因为 OpenSBI 的启动过程从 firmware/fw_base.S 这个文件开始，所以我将从这个文件开始带领读者阅读 OpenSBI 的固件源码部分，探索 OpenSBI 的世界。

三种固件类型

该内容链接到《QEMU 启动方式分析（4）: OpenSBI 固件分析与 SBI 规范的 HSM 扩展》的第四部分，这里不做过多的赘述。

如果读者对这方面并不感兴趣，这里给出相关内容的简略概述：

FW_PAYLOAD 类型固件打包了二进制文件和固件，适用于无法同时加载 OpenSBI 和 Runtime 的下一引导阶段。FW_JUMP 类型固件能够跳转到下一引导阶段的入口，需要在编译时指定下一引导阶段要加载的地址。FW_DYNAMIC 类型固件可以从上一引导阶段获得 Runtime 的下一个入口地址，无需在编译时指定。使用 struct fw_dynamic_info 结构体提供信息。

如果想指定某个启动方式，可以在编译的时候使用 PLATFORM 参数进行指定。

make PLATFORM=

如果使用 FW_PAYLOAD 方式，可以在编译的时候使用 FW_PAYLOAD_PATH 进行指定。

make PLATFORM= FW_PAYLOAD_PATH=

同时，选择 FW_OPTIONS 来控制 OpenSBI 在运行时是否输出，具体的 options 支持可以在文件 include/sbi/sbi_scratch.h 代码 enum sbi_scratch_options 中查看。

make PLATFORM= FW_OPTIONS= RISC-V 汇编预知识通用寄存器

risc-v 有 32 个通用寄存器（简写 reg），标号为 x0 - x31

寄存器编程接口名称（ABI）描述使用x0zeroHard-wired zero硬件零x1raReturn address常用于保存（函数的）返回地址x2spStack pointer栈顶指针x3gpGlobal pointer—x4tpThread pointer—x5-7t0-2Temporary临时寄存器x8s0/fpSaved Register/ Frame pointer（函数调用时）保存的寄存器和栈顶指针x9s1Saved register（函数调用时）保存的寄存器x10-11a0-1Function argument/ return value（函数调用时）的参数/函数的返回值x12-17a2-7Function argument（函数调用时）的参数x18-27s2-11Saved register（函数调用时）保存的寄存器x28-31t3-6Temporary临时寄存器指令格式

RISC-V 基本整数指令集（”I”）有六种指令格式：

R 类型指令：用于寄存器 - 寄存器操作；I 类型指令：用于短立即数和访存 load 操作；S 类型指令：用于访存 store 操作；B 类型指令：用于条件跳转操作；U 类型指令：用于长立即数操作；J 类型指令：用于无条件操作；常见指令

这里不再花费篇幅给大家介绍常见指令，大家可以通过互联网学习相关内容。

对于初学者，我推荐可以先从《rvbook》和《RISC-V Assembly Programmer's Manual》开始学起。

汇编指示符

RISC-V 的汇编指示符和作用如下

指示符作用.text代码段，之后跟的符号都在 .text 内.data数据段，之后跟的符号都在 .data 内.bss未初始化数据段，之后跟的符号都在 .bss 中.section .foo自定义段，之后跟的符号都在.foo 段中，.foo 段名可以做修改.align n按 2 的 n 次幂字节对齐.balign n按 n 字节对齐.globl sym声明 sym 为全局符号，其它文件可以访问.string “str”将字符串 str 放入内存.byte b1,…,bn在内存中连续存储 n 个单字节.half w1,…,wn在内存中连续存储 n 个半字（2 字节）.word w1,…,wn在内存中连续存储 n 个字（4 字节）.dword w1,…,wn在内存中连续存储 n 个双字（8 字节）.float f1,…,fn在内存中连续存储 n 个单精度浮点数.double d1,…,dn在内存中连续存储 n 个双精度浮点数.option rvc使用压缩指令 (risc-v c).option norvc不压缩指令.option relax允许链接器松弛（linker relaxation，链接时多次扫描代码，尽可能将跳转两条指令替换为一条）.option norelax不允许链接松弛.option pic与位置无关代码段.option nopic与位置有关代码段.option push将所有 .option 设置存入栈.option pop从栈中弹出上次存入的 .option 设置 fw_base

firmware/fw_base.S 文件中的代码是整个 OpenSBI 的起点，我们理解 OpenSBI 的代码就从这里开始吧！

代码分析

该段代码首先执行启动函数，在这个过程中通过之前规定的启动方式（fw_payload, fw_jump, fw_dynamic）找到一个启动核。如果规定了 FW_PIC = y，意味着将生成位置无关的固件映像，代码将进行一些重定位工作。这一部分读者暂且先不用关心。

该文件是 RISC-V 处理器的引导程序，用于启动操作系统或其他固件。

代码以汇编语言和宏定义为主，用于初始化处理器，设置运行时环境，并将控制权转移到操作系统或其他固件。下面将解释代码的主要部分：

起始部分：该部分定义了代码的许可证、版权信息和作者。宏定义：在这部分，定义了一些宏指令，用于简化代码中的重复操作，例如 MOV_3R 和 MOV_5R 宏用于将寄存器中的值复制到另一个寄存器。_start：这是代码的主要入口点。它开始执行时会查找首选的启动核心（preferred boot HART id）。然后，它调用 fw_boot_hart 函数，该函数会尝试选择要启动的核心，如果未指定，它将选择一个核心来执行。启动核心将进行一系列初始化操作，然后根据指定的启动参数跳转到适当的代码段。_try_lottery：这段代码在多核情况下使用。在多个核同时启动时，只有最先执行原子加指令的核心会获得 “lottery”，其他核心将等待启动核心完成初始化。_relocate：如果启动核心的加载地址和链接地址不同，将进行重定位。它将把代码从加载地址复制到链接地址，以便在链接地址上运行。这部分代码是用于位置无关执行（FW_PIC=y）的情况，使 OpenSBI 能够在不同的地址上正确运行。_relocate_done：在重定位完成后，将在这里标记重定位完成。这对于其他核心等待重定位完成非常重要。_scratch_init：在这里设置了每个 HART（核心）的 scratch 空间，该空间用于保存处理器的运行时信息。_start_warm：在这里进行非启动核心的初始化，等待启动核心完成初始化。非启动核心会等待启动核心在主要初始化工作完成后，再进行自己的初始化。_hartid_to_scratch：用于将 HART ID 映射到 scratch 空间的函数。其他一些功能：还包括处理中断、初始化 FDT（Flattened Device Tree）等功能。

firmware 部分是一个用于 RISC-V 平台的引导程序，用于初始化处理器和运行时环境，并最终将控制权转移到操作系统或其他固件。它支持多核处理器，并确保每个核心都能正确初始化和运行。

代码流程分析

初始化：

代码以宏和包含必要的头文件开始。定义了在不同寄存器之间移动寄存器值的宏。定义了基于范围进行条件分支的宏。

开始和引导 HART 识别：

定义了 _start 标签，引导过程从此开始。代码使用一个函数（fw_boot_hart）来确定首选引导 HART（硬件线程）ID。结果存储在寄存器 a6 中。如果结果为 -1，则表示使用 _try_lottery 机制随机选择引导 HART。

重定位和初始化：

如果定义了 FW_PIC 并且编译器启用了位置无关可执行文件（英文：position-independent executable，缩写为 PIE），代码执行重定位。设置了 BSS 段，初始化临时陷阱处理程序、堆栈和其他临时空间。为不同的 HART 初始化了各种临是空间的值。

设备树重定位：

如果提供了设备树，代码将对其进行重定位。

引导状态和等待：

标记引导 HART 为完成状态，并等待所有 HART 完成重定位和初始化。

非引导 HART 的热启动：

非引导 HART 进行热启动初始化，包括设置它们的临时空间、堆栈、陷阱处理程序和其他运行时数据。

进入 SBI 运行时：

非引导 HART 初始化 SBI 运行时环境。

非引导 HART 的循环：

非引导 HART 进入循环，不断执行 wfi（等待中断）指令，基本上处于空闲状态。

另外，固件中还实现了一些基础的内存复制函数：

内存复制（memcpy）和内存置位（memset）函数。

需要注意的是，这里只涉及了启动代码的一部分，还有其他的功能和细节可能没有在这个代码片段中展示出来。

整个 OpenSBI 启动过程涵盖了从硬件复位到 SBI 初始化和传递控制权给操作系统的完整流程。

将流程整理一下，以字符画的形式绘制出来 OpenSBI 的启动流程大致分为以下几个步骤：

+-------------------+ | | | _start | | | +-------------------+ | v +-------------------+ | | | Find preferred | | boot HART | | | +-------------------+ | v +-------------------+ | | | Call fw_boot_hart | | | +-------------------+ | v +-------------------+ | | | Handle Boot HART | | | +-------------------+ / | \ v | v +-----------------+ | +-----------------+ | | | | | | Handle lottery | | | Wait for Boot | | and relocation | | | HART Done | | | | | | +-----------------+ | +-----------------+ \ | / v | v +----------------------+----------------------+ | | | Boot HART Done | | | +----------------------+----------------------+ | v +------------------------+ | | | Initialize | | for Boot HART | | | +------------------------+ | v +-------------------------------+ | | | Mark relocate copy done | | | +-------------------------------+ | v +-------------------------------+ | | | Clear BSS, Set Stack, etc. | | | +-------------------------------+ | v +---------------------------------+ | | | Store Information in Scratch | | | +---------------------------------+ | v +---------------------------------+ | | | Relocate Flattened Device Tree | | | +---------------------------------+ | v +-------------------------------+ | | | Mark boot hart done | | | +-------------------------------+ | v +-------------------------------+ | | | Warm Boot Start | | | +-------------------------------+ | v +----------------------------------+ | | | Initialize for Non-Boot | | HART | | | +----------------------------------+ | v +-------------------------------+ | | | sbi_init | | | +-------------------------------+ 小结

通过分析 fw_base.S 中的源码，我们已经知道了 OpenSBI 的启动流程的最前面一段的逻辑内容。之后我们会对其中的代码进行具体的解析，将上面的内容与具体的代码对应起来，加深读者对 OpenSBI 固件代码的理解。

参考资料OpenSBI 源代码RISC-V 手册Lingrui98/RISC-V-book/blob/master/rvbook.pdfOpenSBI 官方仓库固件部分文档opensbi-firmware-and-sbi-hsmriscv-non-isa/riscv-asm-manual/blob/master/riscv-asm.md

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