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RISC-V 内核启动要求和约束

作者:

Alexandre Ghiti <alexghiti@rivosinc.com>

日期:

2023 年 5 月 23 日

本文档描述了 RISC-V 内核对引导加载程序和固件的期望，以及任何开发人员在接触早期启动过程时必须牢记的约束。 就本文档而言，早期启动过程 是指在最终虚拟映射设置之前运行的任何代码。

内核前的要求和约束

RISC-V 内核对引导加载程序和平台固件有以下期望

寄存器状态

RISC-V 内核期望

  • $a0 包含当前核心的 hartid。

  • $a1 包含内存中设备树的地址。

CSR 状态

RISC-V 内核期望

  • $satp = 0: MMU（如果存在）必须禁用。

为驻留固件保留内存

RISC-V 内核不得在直接映射中映射任何驻留内存或受 PMP 保护的内存，因此固件必须根据设备树规范和/或 UEFI 规范正确标记这些区域。

内核位置

RISC-V 内核希望放置在 PMD 边界（rv64 为 2MB 对齐，rv32 为 4MB 对齐）。 请注意，如果不是这种情况，EFI stub 将在物理上重新定位内核。

硬件描述

固件可以将设备树或 ACPI 表传递给 RISC-V 内核。

设备树要么使用 $a1 寄存器从上一阶段直接传递给内核，要么在使用 UEFI 启动时，可以使用 EFI 配置表传递。

ACPI 表使用 EFI 配置表传递给内核。 在这种情况下，仍然由 EFI stub 创建一个小的设备树。 有关此设备树的详细信息，请参阅下面的“EFI stub 和设备树”部分。

内核入口

在 SMP 系统上，有两种方法进入内核

  • RISCV_BOOT_SPINWAIT：固件释放内核中的所有 hart，一个 hart 赢得彩票并执行早期启动代码，而其他 hart 则停放在那里等待初始化完成。 此方法主要用于支持没有 SBI HSM 扩展和 M 模式 RISC-V 内核的旧固件。

  • 有序启动：固件仅释放一个将执行初始化阶段的 hart，然后使用 SBI HSM 扩展启动所有其他 hart。 有序启动方法是启动 RISC-V 内核的首选启动方法，因为它支持 CPU 热插拔和 kexec。

UEFI

UEFI 内存映射

使用 UEFI 启动时，RISC-V 内核将仅使用 EFI 内存映射来填充系统内存。

UEFI 固件必须解析 /reserved-memory 设备树节点的子节点，并遵守设备树规范，以将这些子节点的属性（no-map 和 reusable）转换为其正确的 EFI 等效项（请参阅设备树规范 v0.4-rc1 的“3.5.4 /reserved-memory 和 UEFI”部分）。

RISCV_EFI_BOOT_PROTOCOL

使用 UEFI 启动时，EFI stub 需要启动 hartid，以便将其传递给 $a1 中的 RISC-V 内核。 EFI stub 使用以下方法之一检索启动 hartid

  • RISCV_EFI_BOOT_PROTOCOL (首选)。

  • boot-hartid 设备树子节点 (已弃用)。

任何新固件都必须实现 RISCV_EFI_BOOT_PROTOCOL，因为现在基于设备树的方法已弃用。

早期启动要求和约束

RISC-V 内核的早期启动过程在以下约束下运行

EFI stub 和设备树

使用 UEFI 启动时，设备树由 EFI stub 补充（或创建），其参数与 arm64 相同，如 统一可扩展固件接口 (UEFI) 中的“ARM 上的 UEFI 内核支持”段落中所述。

虚拟映射安装

虚拟映射的安装在 RISC-V 内核中分 2 步完成

  1. setup_vm() 在 early_pg_dir 中安装临时内核映射，允许发现系统内存。 此时仅映射内核文本/数据。 建立此映射时，无法进行分配（因为系统内存尚未知），因此静态分配 early_pg_dir 页表（每级仅使用一个表）。

  2. setup_vm_final() 在 swapper_pg_dir 中创建最终内核映射，并利用发现的系统内存来创建线性映射。 建立此映射时，内核可以分配内存但无法直接访问它（因为直接映射尚不存在），因此它使用 fixmap 区域中的临时映射来访问新分配的页表级别。

为了使 virt_to_phys() 和 phys_to_virt() 能够正确地将直接映射地址转换为物理地址，它们需要知道 DRAM 的起始位置。 这发生在步骤 1 之后，就在步骤 2 安装直接映射之前（请参阅 arch/riscv/mm/init.c 中的 setup_bootmem() 函数）。 在安装最终虚拟映射之前，必须仔细检查这些宏的任何用法。

通过 fixmap 映射设备树

由于 reserved_mem 数组使用由 setup_vm() 建立的虚拟地址初始化，并与由 setup_vm_final() 建立的映射一起使用，因此 RISC-V 内核使用 fixmap 区域来映射设备树。 这确保了设备树仍然可以通过两种虚拟映射访问。

MMU 前执行

甚至在建立第一个虚拟映射之前，都需要运行一些代码。 这些是第一个虚拟映射本身的安装、早期备选项的修补以及内核命令行早期解析。 该代码必须非常小心地编译为

  • -fno-pie：这对于使用 -fPIE 的可重定位内核是必需的，因为否则，对全局符号的任何访问都将通过仅虚拟重定位的 GOT。

  • -mcmodel=medany：对全局符号的任何访问都必须是 PC 相关的，以避免在 MMU 设置之前发生任何重定位。

  • 所有 检测也必须禁用（包括 KASAN、ftrace 和其他）。

由于从不同的编译单元使用符号需要使用这些标志编译该单元，因此我们建议尽可能不要使用外部符号。