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Zephyr のブート処理 - C 言語と出会うまで

以前(2020年 2月 1日の日記参照)Zephyr のエントリアドレスを調べましたが、もう少し先まで Zephyr のブート処理を調べます。復習となりますが、起動の仕方は下記のとおりです。

QEMU Spike モードで Zephyr を起動
$ qemu-system-riscv32 -nographic -machine spike -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -kernel zephyr/build/zephyr/zephyr.elf -s -S

$ riscv64-zephyr-elf-gdb zephyr/build/zephyr/zephyr.elf

...

(gdb) target remote localhost:1234
Remote debugging using localhost:1234
0x00001000 in ?? ()

ブート処理を追うにはデバッガが必須です(ブート部分でシリアル出力はできません)。これも前回の復習となりますが、QEMU は GDB でデバッグするためのオプションを持っています。オプション -s は GDB の接続を localhost:1234 で受け付けます、という意味で、オプション -S はエミュレータを Halted 状態で起動するという意味です。

GDB を接続すると、PC は 0x1000 を指しています。QEMU Spike モードはリセット後 0x1000 から実行を開始するようです。何度かステップ実行 si を行うと、0x1010 から 0x80000000 にジャンプするはずです。

QEMU ブート直後

   0x1000:      auipc   t0,0x0
   0x1004:      addi    a1,t0,32
   0x1008:      csrr    a0,mhartid
   0x100c:      lw      t0,24(t0)
=> 0x1010:      jr      t0        # 0x80000000 にジャンプ

0x1000: 0x00000297      0x02028593      0xf1402573      0x0182a283
0x1010: 0x00028067      0x00000000      0x80000000      0x00000000
                                        ↑この値をロードする

特に難しい話ではなく 0x1000 + 24 = 0x1018 からロード(0x80000000 が書かれている)して、ジャンプするだけです。ジャンプ先には Zephyr のエントリポイント __start がいます。

__start(0x80000000 ジャンプ後)

// zephyr/soc/riscv/riscv-privilege/common/vector.S

SECTION_FUNC(vectors, __start)
        .option norvc;

        /*
         * Set mtvec (Machine Trap-Vector Base-Address Register)
         * to __irq_wrapper.
         */
        la t0, __irq_wrapper
        csrw mtvec, t0

        /* Jump to __initialize */
        tail __initialize


// zephyr/arch/riscv/core/isr.S

/*
 * Handler called upon each exception/interrupt/fault
 * In this architecture, system call (ECALL) is used to perform context
 * switching or IRQ offloading (when enabled).
 */
SECTION_FUNC(exception.entry, __irq_wrapper)
        /* Allocate space on thread stack to save registers */
        addi sp, sp, -__z_arch_esf_t_SIZEOF

        /*
         * Save caller-saved registers on current thread stack.
         * NOTE: need to be updated to account for floating-point registers
         * floating-point registers should be accounted for when corresponding
         * config variable is set
         */
        RV_OP_STOREREG ra, __z_arch_esf_t_ra_OFFSET(sp)
        RV_OP_STOREREG gp, __z_arch_esf_t_gp_OFFSET(sp)
        RV_OP_STOREREG tp, __z_arch_esf_t_tp_OFFSET(sp)
        RV_OP_STOREREG t0, __z_arch_esf_t_t0_OFFSET(sp)
        ...

__start は __irq_wrapper 関数のアドレス(C 言語の関数ではないので、関数と呼ぶのは変ですが)を割り込みベクタに設定したあと、__initialize にジャンプします。

__initialize

// zephyr/arch/riscv/core/reset.S

/*
 * Remainder of asm-land initialization code before we can jump into
 * the C domain
 */
SECTION_FUNC(TEXT, __initialize)
        /*
         * This will boot master core, just halt other cores.
         * Note: need to be updated for complete SMP support
         */
        csrr a0, mhartid
        beqz a0, boot_master_core

loop_slave_core:
        wfi
        j loop_slave_core

boot_master_core:

#ifdef CONFIG_INIT_STACKS
        ...
#endif

        /*
         * Initially, setup stack pointer to
         * _interrupt_stack + CONFIG_ISR_STACK_SIZE
         */
        la sp, _interrupt_stack
        li t0, CONFIG_ISR_STACK_SIZE
        add sp, sp, t0

#ifdef CONFIG_WDOG_INIT
        call _WdogInit
#endif

        /*
         * Jump into C domain. _PrepC zeroes BSS, copies rw data into RAM,
         * and then enters kernel z_cstart
         */
        call _PrepC

最初に mhartid という CPU コアの ID を読み取ります。0 番をマスターコアとして、0 番以外のコアは割り込み待ち(wfi)の無限ループに入ります。マスターコアはスタックポインタの初期化を行って、_PrepC() 関数を呼び出します。

ここからやっと C 言語の世界です。

[編集者: すずき]
[更新: 2020年 2月 19日 22:10]

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