RISC-V内核启动要求和限制¶

Author:: Alexandre Ghiti <alexghiti@rivosinc.com>
Date:: 23 May 2023

这份文档描述了RISC-V内核对引导加载程序和固件的期望，以及任何开发者在接触早期启动过程时必须牢记的约束。在这份文档中， 早期启动过程 指的是在最终虚拟映射设置之前运行的任何代码。

内核预加载的要求和限制¶

RISC-V内核对引导加载程序和平台固件有以下要求：

寄存器状态¶

RISC-V内核期望：

$a0 应包含当前核心的hartid。

$a1 应包含内存中设备树的地址。

CSR 寄存器状态¶

RISC-V内核期望：

$satp = 0：如果存在MMU，必须将其禁用。

为常驻固件保留的内存¶

RISC-V内核在直接映射中不能映射任何常驻内存或用PMPs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。

内核的位置¶

RISC-V内核期望被放置在PMD边界（对于rv64为2MB对齐，对于rv32为4MB对齐）。请注意，如果不是这样，EFI stub 将重定位内核。

硬件描述¶

固件可以将设备树或ACPI表传递给RISC-V内核。

设备树可以直接从前一阶段通过$a1寄存器传递给内核，或者在使用UEFI启动时，可以通过EFI配置表传递。

ACPI表通过EFI配置表传递给内核。在这种情况下，EFI stub 仍然会创建一个小的设备树。请参阅下面的”EFI stub 和设备树”部分，了解这个设备树的详细信息。

内核入口¶

在SMP系统中，有两种方法可以进入内核：

RISCV_BOOT_SPINWAIT：固件在内核中释放所有的hart，一个hart赢得抽奖并执行早期启动代码，而其他的hart则停在那里等待初始化完成。这种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：固件只释放一个将执行初始化阶段的hart，然后使用SBI HSM 扩展启动所有其他的hart。有序启动方法是启动RISC-V内核的首选启动方法，因为它可以支持CPU热插拔和kexec。

UEFI¶

UEFI 内存映射¶

使用UEFI启动时，RISC-V内核将只使用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，将这些子节点的属性（ no-map 和 reusable ）转换为其正确的EFI等价物（参见设备树规范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 需要引导hartid以便将其传递给 $a1 中的 RISC-V内核。EFI stub使用以下方法之一获取引导hartid：

RISCV_EFI_BOOT_PROTOCOL （首选）。
boot-hartid 设备树子节点（已弃用）。

任何新的固件都必须实现 RISCV_EFI_BOOT_PROTOCOL，因为基于设备树的方法现已被弃用。

早期启动的要求和约束¶

RISC-V内核的早期启动过程遵循以下约束：

EFI stub 和设备树¶

使用UEFI启动时，EFI stub 会用与arm64相同的参数补充（或创建）设备树，这些参数在Documentation/arch/arm/uefi.rst中的 “UEFI kernel supporton ARM”段落中有描述。

虚拟映射安装¶

在RISC-V内核中，虚拟映射的安装分为两步进行：

setup_vm() 在 early_pg_dir 中安装一个临时的内核映射，这允许发现系统内存。此时只有内核文本/数据被映射。在建立这个映射时，不能进行分配（因为系统内存还未知），所以``early_pg_dir``页表是静态分配的（每个级别只使用一个表）。
setup_vm_final() 在 swapper_pg_dir 中创建最终的内核映射，并利用发现的系统内存创建线性映射。在建立这个映射时，内核可以分配内存，但不能直接访问它（因为直接映射还不存在），所以它使用fixmap 区域的临时映射来访问新分配的页表级别。

为了让 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（参见arch/riscv/mm/init.c中的 setup_bootmem() 函数）。在安装最终虚拟映射之前使用这些宏时必须仔细检查。

通过fixmap进行设备树映射¶

由于 reserved_mem 数组是用 setup_vm() 建立的虚拟地址初始化的，并且与``setup_vm_final()``建立的映射一起使用，RISC-V内核使用 fixmap区域来映射设备树。这确保设备树可以通过两种虚拟映射访问。

Pre-MMU执行¶

在建立第一个虚拟映射之前，需要运行一些代码。这些包括第一个虚拟映射的安装本身，早期替代方案的修补，以及内核命令行的早期解析。这些代码必须非常小心地编译，因为：

-fno-pie：这对于使用``-fPIE``的可重定位内核是必需的，否则，任何对全局符号的访问都将通过 GOT进行，而GOT只是虚拟地重新定位。
-mcmodel=medany：任何对全局符号的访问都必须是PC相对的，以避免在设置MMU之前发生任何重定位。
所有的仪表化功能也必须被禁用（包括KASAN，ftrace和其他）。

由于使用来自不同编译单元的符号需要用这些标志编译该单元，我们建议尽可能不要使用外部符号。