RISC-V64 opensbi启动过程
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RISC-V64 opensbi启动过程
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1.说明
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2.环境准备
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2.1 交叉编译工具链
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2.2 源代码准备
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3.riscv架构 gdb调试方法
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4.opensbi底层初始化流程
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4.1 从qemu的加载执行开始
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4.2 opensbi底层初始化
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4.2 opensbi设备初始化
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4.3 二级boot的跳转
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5.小结
1.说明
最近有一些riscv的项目做，虽然以前也用过例如k210之类的riscv架构的芯片，但是都止于能够做一些应用，并未特别关注其芯片的体系架构方面的东西，但是随着接触的芯片架构的种类的逐渐的增加，发现要想使用一款好芯片的，仅仅做上层应用并不能完全发挥出特定架构芯片的全部优势。比如aarch64的el层级和虚拟化的模型，mips的mmu特性，以及sparc的窗口寄存器等等，芯片架构的特点要是能够完全的发挥出来，写起应用起来，那真是觉得很爽的事情。
目前在工作上做一些riscv项目，发现自己的积累的知识不够了，还是需要深入到底层去理解，于是需要疯狂的恶补相关的知识，看文档、读代码、每天就这样深入其中，看的多了，想法也很多，很容易就忘记了，有时也做做笔记，晚上下班后再将资料整理一下，如果觉得有些价值的东西，就编写成文章，分享经验。
学习使用riscv64的芯片的架构，首先可以了解学习opensbi，作为芯片启动的Bios，其作用不言而喻。工欲善其事，必先利其器。一个良好高效的开发环境将会使得分析代码变得得心应手。本文在Ubuntu18.04环境下进行测试，在riscv64的qemu上进行gdb的单步调试，主要分析的阶段是qemu启动后，执行到opensbi，直到启动uboot的阶段。
opensbi是研究和学习riscv底层的一个比较优秀的项目，代码量小，质量也很高，很值得推荐的一个开源项目。
关于opensbi与qemu的环境搭建，我前面的文章中已经提及，这里就不赘述了。
2.环境准备
2.1 交叉编译工具链
如果按照之前的文章下载的Linux版本的交叉编译工具链是不带有gdb工具，所以可以下载一个bare/rtos版本的gcc。建议下载sifive的riscv的交叉编译工具链
https://www.sifive.com/software
也可以到网盘下载：
https://pan.baidu.com/s/1_C-cFBD3ADVjVFm94bYzNw 提取码: v38x
下载完成后解压至自定义的文件夹中即可。
2.2 源代码准备
1.qemu最新版
2.opensbi
3.uboot
这些都可以参考文章：
3.riscv架构 gdb调试方法
首先需要编译安装完成qemu-system-riscv64。
编译uboot，进入uboot:
make CROSS_COMPILE=riscv64-linux- qemu-riscv64_smode_defconfig make CROSS_COMPILE=riscv64-linux- -j4
可见在uboot目录生成u-boot.bin文件。
编译opensbi，进入opensbi:
git clone https://github.com/riscv/opensbi.git export CROSS_COMPILE=riscv64-linux- make PLATFORM=generic FW_PAYLOAD_PATH=/u-boot.bin
可以生成build/platform/generic/firmware/fw_payload.elf文件。
在控制台输入
../riscv64-unknown-elf-gcc-8.3.0-2020.04.0-x86_64-linux-ubuntu14/bin/riscv64-unknown-elf-gdb build/platform/generic/firmware/fw_payload.elf -s -S
即可进入调试模式。其中需要知道的是-s -S,如果不加这两个参数，系统会直接运行起来。可作为环境搭建是否成功的判断依据。
当进入调试模式后，当前代码会hold住，可以ctrl+t另外开一个窗口，输入
../riscv64-unknown-elf-gcc-8.3.0-2020.04.0-x86_64-linux-ubuntu14/bin/riscv64-unknown-elf-gdb build/platform/generic/firmware/fw_payload.elf
然后输入
(gdb) target remote localhost:1234
如下图所示：
gdb的命令很多，这里就不展开进行细致的描述了，这里只演示一些基本的操作。
首先可以看到当程序加载完成后，已经hold等待gdb命令进行操作。
输入list可以列出当前的代码，每次list可以展示10行源代码。
输入si可以进行汇编级别的单步调试。
直接回车是继续执行上一条执行的命令。
继续向下跳转可以看到函数的入口和函数的名称。
输入info all-registers可以看到riscv所有寄存器的值的状态，这里刚到入口处寄存器怎么会有初值呢？这里就是很关键的问题，后面再分析代码的时候，会详细分析这些问题。另外可以分析得出当前的函数的入口0x80000000。
另外经常使用的就是打断点
b 10
表示打断点在第10行。
b main
表示断点在main函数处。
输入c可以让程序连续运行，直到遇到断点才停下来。
这些功能在跟踪代码的运行流程的时候比较实用，gdb还有许多功能，这里就不介绍了。
4.opensbi底层初始化流程
上面做了这么多环境搭建方面的工作，目的就是为了方便的分析opensbi的底层初始化步骤和流程。从而更加深刻的了解riscv的架构和初始化流程。
4.1 从qemu的加载执行开始
首先需要从qemu的源代码开始进行加载分析起，当前qemu-system-riscv64支持下面的开发板:
而在qemu的源代码中也有一些
这里我们就拿virt进行分析。
根据hw/riscv/virt.c来看，首先可以分析得到外设分布的地址。
上述可以得到DRAM的地址空间是从0x80000000处开始的，而大小是我们传递参数时传递进去的。另外也记录了一些外设的布局。
qemu加载程序之前的时候，与具体板子相关的部分，首先进入了hw/riscv/virt.c的virt_machine_init。
1.注册PLIC中断设备
这里需要注意的是VIRT_PLIC，在PLIC core这部分与riscv的中断处理相关。
2.注册系统内存
这部分的内存大小由外部传递
3.创建设备树
qemu也使用fdt创建了设备树，该设备树用于opensbi和uboot，这里的设备树放在qemu分配的内存的尾部。并且会将该参数传递，这就是为什么前面进行gdb调试时，入口处会发现寄存器上有参数。
根据riscv的寄存器的规则
寄存器a0-a7是用于传递函数参数的。另外这个设备树的参数会直接传递到opensbi进行解析和适配。同时uboot也会使用这个设备树。
4.2 opensbi底层初始化
最先进来的是opensbi/firmware/fw_payload.S的_start函数。
1.判断hart id
在riscv模式中会将riscv的core称为hart
2.代码重定位
会判断_load_start与_start是否一致，若不一致，则需要将代码重定位，该项目不用重定位。
3.清除寄存器值
这里会清除sp、gp、tp、t1-t6、s0-s11、a3-a7。注意保存设备数地址的a1、a2不会清除。
5.清除bss段
如果要想c语言执行起来，必须要做的事情有两个，一个是设置sp栈地址，另外就是清除bss段。
6.设置sp栈指针
这里栈的指针的地址也很有意思，设置的bss结尾，由于栈是向上增加的，所以预留栈的空间大小为2000。
7.读取设备树中的设备信息
执行call fw_platform_init函数，前面分析过该函数的原型在opensbi/platform/generic/platform.c。
带四个参数。
unsigned long fw_platform_init(unsigned long arg0, unsigned long arg1,
unsigned long arg2, unsigned long arg3,
unsigned long arg4)
{
const char *model;
void *fdt = (void *)arg1;
u32 hartid, hart_count = 0;
int rc, root_offset, cpus_offset, cpu_offset, len;
root_offset = fdt_path_offset(fdt, "/"); if (root_offset < 0)
goto fail;
fw_platform_lookup_special(fdt, root_offset);
model = fdt_getprop(fdt, root_offset, "model", &len); if (model)
sbi_strncpy(platform.name, model, sizeof(platform.name)); if (generic_plat && generic_plat->features)
platform.features = generic_plat->features(generic_plat_match);
cpus_offset = fdt_path_offset(fdt, "/cpus");
携带四个参数，根据汇编规则，正好传递a0,a1,a2,a3这四个参数，a0是0，a1是设备树地址，a2是设备树大小，a3是0。
正好将这些信息利用起来了，然后从设备树中解析qemu中设定相关的信息。
这样的好处是只要入口地址一致，就算设备地址不一样，也不用重新编译opensbi了。这就是有了设备树的好处。
8.fdt重定位
按照riscv的寄存器使用规则，a0-a7都是用于存放C语言函数参数的，下次执行c语言参数就清除掉了，所以需要把设备树从定位，从而让uboot也知道。
9.跳转到sbi_init
到这里，一些底层初始化的关键性细节就结束了，进入sbi的正式的程序中去了。
首先执行的opensbi/lib/sbi/sbi_init.c的sbi_init函数
4.2 opensbi设备初始化
在进入sbi_init会首先判断是通过S模式还是M模式启动，这里先知道在qemu的设备树中是以S模式启动。
所以直接会执行init_coldboot(scratch, hartid);,该函数的实现在opensbi/lib/sbi/sbi_scratch.c中。
看一下冷启动会做那些初始化工作。主要关注
1.sbi_domain_init
初始化动态加载的镜像的模块
2.sbi_platform_early_init
平台的早期初始化
3.sbi_console_init
控制台初始化，从这里开始，就可以使用串口输出了。
4.sbi_platform_irqchip_init
irq中断初始化
5.sbi_ipi_init
核间中断初始化
6.sbi_tlb_init
mmu的tlb表的初始化
7.sbi_timer_init
timer初始化
8.sbi_hsm_prepare_next_jump
准备下一级的boot
4.3 二级boot的跳转
上述条件为二级boot的跳转准备了环境，此时可以加载uboot，或者rtos，或者Linux了。
5.小结
对于riscv的opensbi的大致的执行流程就分析到这里，基本上概括了一个整体的执行的流程，具体的细节可以通过阅读代码，加上代码注释进行理解。本文只是一个map，大致的流程图，很多细节没有涉及到。如果去专研具体的细节部分，感觉还是有很多东西值得学习。opensbi是一个很好的开源项目，对于研究riscv的底层实现，以及代码的通用性上都很值得借鉴和学习。
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