怎么转储linux内核崩溃信息

1　内核初始化

内核初始化分为汇编语言部分和C语言部分。

1.1　汇编语言部分

ARM64架构的内核的入口是标号_head，直接跳转到标号stext。

arch/arm64/kernel
1 _head:
2 #ifdef CONFIG_EFI
3 add x13, x18, #0x16
4 b stext
5 #else
6 b stext // 跳转到内核起始位置
7 .long0 // 保留
8 #endif

配置宏CONFIG_EFI表示提供UEFI运行时支持，UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）是统一的可扩展固件接口，用于取代BIOS。

标号stext开始的代码如下：

arch/arm64/kernel
1 ENTRY(stext)
2 bl preserve_boot_args
3 bl el2_setup // 降级到异常级别1, 寄存器w0存放cpu_boot_mode
4 adrp x23, __PHYS_OFFSET
5 and x23, x23, MIN_KIMG_ALIGN – 1 // KASLR偏移，默认值是0
6 bl set_cpu_boot_mode_flag
7 bl __create_page_tables
8 /*
9 * 下面调用设置处理器的代码，请看文件“arch/arm64/mm”
10 * 了解细节。
11 * 返回的时候，处理器已经为开启内存管理单元做好准备，
12 * 转换控制寄存器已经设置好。
13 */
14 bl __cpu_setup // 初始化处理器
15 b __primary_switch
16 ENDPROC(stext)

第2行代码，调用函数preserve_boot_args，把引导程序传递的4个参数保存在全局数组boot_args中。

第3行代码，调用函数el2_setup：如果处理器当前的异常级别是2，判断是否需要降级到异常级别1。

第6行代码，调用函数set_cpu_boot_mode_flag，根据处理器进入内核时的异常级别设置数组__boot_cpu_mode[2]。__boot_cpu_mode[0]的初始值是BOOT_CPU_MODE_EL2，__boot_cpu_mode[1]的初始值是BOOT_CPU_MODE_EL1。如果异常级别是1，那么把__boot_cpu_mode[0]设置为BOOT_CPU_MODE_EL1；如果异常级别是2，那么把__boot_cpu_mode[1]设置为BOOT_CPU_MODE_EL2。

第7行代码，调用函数__create_page_tables，创建页表映射。

第14行代码，调用函数__cpu_setup，为开启处理器的内存管理单元做准备，初始化处理器。

第15行代码，调用函数__primary_switch，为主处理器开启内存管理单元，搭建C语言执行环境，进入C语言部分的入口函数start_kernel。

1．函数el2_setup

进入内核的时候，ARM64处理器的异常级别可能是1或者2，函数el2_setup的主要工作如下。

（1）如果异常级别是1，那么在异常级别1执行内核。

（2）如果异常级别是2，那么根据处理器是否支持虚拟化宿主扩展（Virtualization Host Extensions，VHE），决定是否需要降级到异常级别1。

1）如果处理器支持虚拟化宿主扩展，那么在异常级别2执行内核。

2）如果处理器不支持虚拟化宿主扩展，那么降级到异常级别1，在异常级别1执行内核。

下面介绍ARM64处理器的异常级别和虚拟化宿主扩展。

如图1.4所示，通常ARM64处理器在异常级别0执行进程，在异常级别1执行内核。

虚拟机是现在流行的虚拟化技术，在计算机上创建一个虚拟机，在虚拟机里面运行一个操作系统，运行虚拟机的操作系统称为宿主操作系统（host OS），虚拟机里面的操作系统称为客户操作系统（guest OS）。

现在常用的虚拟机是基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine，KVM），KVM的主要特点是直接在处理器上执行客户操作系统，因此虚拟机的执行速度很快。KVM是内核的一个模块，把内核变成虚拟机监控程序。如图1.5所示，宿主操作系统中的进程在异常级别0运行，内核在异常级别1运行，KVM模块可以穿越异常级别1和2；客户操作系统中的进程在异常级别0运行，内核在异常级别1运行。

图1.4　普通的异常级别切换

图1.5　支持虚拟化的异常级别切换

常用的开源虚拟机管理软件是QEMU，QEMU支持KVM虚拟机。使用QEMU创建一个KVM虚拟机，和KVM的交互过程如下。

（1）打开KVM字符设备文件。

fd = open("/dev/kvm", O_RDWR);

（2）创建一个虚拟机，QEMU进程得到一个关联到虚拟机的文件描述符。

vmfd = ioctl(fd, KVM_CREATE_VM, 0);

（3）QEMU为虚拟机模拟多个处理器，每个虚拟处理器就是一个线程，调用KVM提供的命令KVM_CREATE_VCPU，KVM为每个虚拟处理器创建一个kvm_vcpu结构体，QEMU进程得到一个关联到虚拟处理器的文件描述符。

vcpu_fd = ioctl(vmfd, KVM_CREATE_VCPU, 0);

从QEMU切换到客户操作系统的过程如下。

（1）QEMU进程调用“ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, 0)”，陷入到内核。

（2）KVM执行命令KVM_RUN，从异常级别1切换到异常级别2。

（3）KVM首先把调用进程的所有寄存器保存在kvm_vcpu结构体中，然后把所有寄存器设置为客户操作系统的寄存器值，最后从异常级别2返回到异常级别1，执行客户操作系统。

如图1.6所示，为了提高切换速度，ARM64架构引入了虚拟化宿主扩展，在异常级别2执行宿主操作系统的内核，从QEMU切换到客户操作系统的时候，KVM不再需要先从异常级别1切换到异常级别2。

图1.6　支持虚拟化宿主扩展的异常级别切换

2．函数__create_page_tables

函数__create_page_tables的主要工作如下。

（1）创建恒等映射（identity mapping）。

（2）为内核镜像创建映射。

恒等映射的特点是虚拟地址和物理地址相同，是为了在开启处理器的内存管理单元的一瞬间能够平滑过渡。函数__enable_mmu负责开启内存管理单元，内核把函数__enable_mmu附近的代码放在恒等映射代码节（.idmap.text）里面，恒等映射代码节的起始地址存放在全局变量__idmap_text_start中，结束地址存放在全局变量__idmap_text_end中。

恒等映射是为恒等映射代码节创建的映射，idmap_pg_dir是恒等映射的页全局目录（即第一级页表）的起始地址。

在内核的页表中为内核镜像创建映射，内核镜像的起始地址是_text，结束地址是_end，swapper_pg_dir是内核的页全局目录的起始地址。

3．函数__primary_switch

函数__primary_switch的主要执行流程如下。

（1）调用函数__enable_mmu以开启内存管理单元。

（2）调用函数__primary_switched。

函数__enable_mmu的主要执行流程如下。

（1）把转换表基准寄存器0（TTBR0_EL1）设置为恒等映射的页全局目录的起始物理地址。

（2）把转换表基准寄存器1（TTBR1_EL1）设置为内核的页全局目录的起始物理地址。

（3）设置系统控制寄存器（SCTLR_EL1），开启内存管理单元，以后执行程序时内存管理单元将会把虚拟地址转换成物理地址。

函数__primary_switched的执行流程如下。

（1）把当前异常级别的栈指针寄存器设置为0号线程内核栈的顶部（init_thread_union + THREAD_SIZE）。

（2）把异常级别0的栈指针寄存器（SP_EL0）设置为0号线程的结构体thread_info的地址（ini）。

（3）把向量基准地址寄存器（VBAR_EL1）设置为异常向量表的起始地址（vectors）。

（4）计算内核镜像的起始虚拟地址（kimage_vaddr）和物理地址的差值，保存在全局变量kimage_voffset中。

（5）用0初始化内核的未初始化数据段。

（6）调用C语言函数start_kernel。

1.2　C语言部分

内核初始化的C语言部分入口是函数start_kernel，函数start_kernel首先初始化基础设施，即初始化内核的各个子系统，然后调用函数rest_init。函数rest_init的执行流程如下。

（1）创建1号线程，即init线程，线程函数是kernel_init。

（2）创建2号线程，即kthreadd线程，负责创建内核线程。

（3）0号线程最终变成空闲线程。

init线程继续初始化，执行的主要操作如下。

（1）smp_prepare_cpus()：在启动从处理器以前执行准备工作。

（2）do_pre_smp_initcalls()：执行必须在初始化SMP系统以前执行的早期初始化，即使用宏early_initcall注册的初始化函数。

（3）smp_init()：初始化SMP系统，启动所有从处理器。

（4）do_initcalls()：执行级别0～7的初始化。

（5）打开控制台的字符设备文件“/dev/console”，文件描述符0、1和2分别是标准输入、标准输出和标准错误，都是控制台的字符设备文件。

（6）prepare_namespace()：挂载根文件系统，后面装载init程序时需要从存储设备上的文件系统中读文件。

（7）free_initmem()：释放初始化代码和数据占用的内存。

（8）装载init程序（U-Boot程序可以传递内核参数“init=”以指定init程序），从内核线程转换成用户空间的init进程。

级别0～7的初始化，是指使用以下宏注册的初始化函数：

include/linux
#define pure_initcall(fn) __define_initcall(fn, 0)
#define core_initcall(fn) __define_initcall(fn, 1)
#define core_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 1s)
#define postcore_initcall(fn) __define_initcall(fn, 2)
#define postcore_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 2s)
#define arch_initcall(fn) __define_initcall(fn, 3)
#define arch_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 3s)
#define subsys_initcall(fn) __define_initcall(fn, 4)
#define subsys_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 4s)
#define fs_initcall(fn) __define_initcall(fn, 5)
#define fs_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 5s)
#define rootfs_initcall(fn) __define_initcall(fn, rootfs)
#define device_initcall(fn) __define_initcall(fn, 6)
#define device_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 6s)
#define late_initcall(fn) __define_initcall(fn, 7)
#define late_initcall_sync(fn) __define_initcall(fn, 7s)

1.3　SMP系统的引导

对称多处理器（Symmetric Multi-Processor，SMP）系统包含多个处理器，并且每个处理器的地位平等。在启动过程中，处理器的地位不是平等的，0号处理器称为引导处理器，负责执行引导程序和初始化内核；其他处理器称为从处理器，等待引导处理器完成初始化。引导处理器初始化内核以后，启动从处理器。

引导处理器启动从处理器的方法有3种。

（1）自旋表（spin-table）。

（2）电源状态协调接口（Power State Coordination Interface，PSCI）。

（3）ACPI停车协议（parking-protocol），ACPI是高级配置与电源接口（Advanced Configuration and Power Interface）。

引导处理器怎么获取从处理器的启动方法呢？读者可以参考函数cpu_read_enable_method，获取方法如下。

（1）不支持ACPI的情况：引导处理器从扁平设备树二进制文件中“cpu”节点的属性“enable-method”读取从处理器的启动方法，可选的方法是自旋表或者PSCI。

（2）支持ACPI的情况：如果固定ACPI描述表（Fixed ACPI Description Table，FADT）设置了允许PSCI的引导标志，那么使用PSCI，否则使用ACPI停车协议。

假设使用自旋表启动方法，编译U-Boot程序时需要开启配置宏CONFIG_ARMV8_SPIN_TABLE。如图1.7所示，SMP系统的引导过程如下。

图1.7　ARM64架构下SMP系统的自旋表引导过程

（1）从处理器的第一个关卡是U-Boot程序中的函数spin_table_secondary_jump，从处理器睡眠等待，被唤醒后，检查全局变量spin_table_cpu_release_addr的值是不是0，如果是0，继续睡眠等待。引导处理器将会把全局变量spin_table_cpu_release_addr的值设置为一个函数的地址。

（2）U-Boot程序：引导处理器执行函数boot_prep_linux，为执行内核做准备工作，其中一项准备工作是调用函数spin_table_update_dt，修改扁平设备树二进制文件如下。

1）为每个处理器的“cpu”节点插入一个属性“cpu-release-addr”，把属性值设置为全局变量spin_table_cpu_release_addr的地址，称为处理器放行地址。

2）在内存保留区域（memory reserve map，对应扁平设备树源文件的字段“/memreserve/”）添加全局变量spin_table_cpu_release_addr的地址。

（3）引导处理器在内核函数smp_cpu_setup中，首先调用函数cpu_read_enable_method以获取从处理器的启动方法，然后调用函数smp_spin_table_cpu_init，从扁平设备树二进制文件中“cpu”节点的属性“cpu-release-addr”得到从处理器的放行地址。

（4）引导处理器执行内核函数smp_spin_table_cpu_prepare，针对每个从处理器，把放行地址设置为函数secondary_holding_pen，然后唤醒从处理器。

（5）从处理器被唤醒，执行函数secondary_holding_pen，这个函数设置了第二个关卡，当引导处理器把全局变量secondary_holding_pen_release设置为从处理器的编号时，才会放行。

（6）引导处理器完成内核的初始化，启动所有从处理器，针对每个从处理器，调用函数smp_spin_table_cpu_boot，把全局变量secondary_holding_pen_release设置为从处理器的编号。

（7）从处理器发现引导处理器把全局变量secondary_holding_pen_release设置为自己的编号，通过第二个关卡，执行函数secondary_startup。

（8）从处理器执行函数__secondary_switched：把向量基准地址寄存器（VBAR_EL1）设置为异常向量表的起始地址，设置栈指针寄存器，调用C语言部分的入口函数secondary_start_kernel。

（9）从处理器执行C语言部分的入口函数secondary_start_kernel。

下面是扁平设备树源文件的一个片段，可以看到每个处理器对应一个“cpu”节点，属性“enable-method”指定启动方法，属性“cpu-release-addr”指定放行地址。需要通过字段“/memreserve/”把放行地址设置为内存保留区域，两个参数分别是起始地址和长度。

/memreserve/ 0x80000000 0x00010000;
/{
…
cpus {
#address-cells = <2>;
#size-cells = <0>;
cpu@0 {
device_type = "cpu";
compatible = "arm,armv8";
reg = <0x0 0x0>;
enable-method = "spin-table";
cpu-release-addr = <0x0 0x8000fff8>;
next-level-cache = <&L2_0>;
};
cpu@1 {
device_type = "cpu";
compatible = "arm,armv8";
reg = <0x0 0x1>;
enable-method = "spin-table";
cpu-release-addr = <0x0 0x8000fff8>;
next-level-cache = <&L2_0>;
};
L2_0: l2-cache0 {
compatible = "cache";
};
};
…
};

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