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ChCore Lab1 Report

SJTU ChCore Lab1 思考题个人解答

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By Bouncy
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ChCore Lab1 Report

[1. 控制单一核完成初始化]

通过 CPU 的逻辑 ID，控制 CPU 0 进入初始化流程，而其他 CPU 进入忙等直到 BSS 段清空完成

[4. 为什么进入 C 函数前要设置启动栈]

C 函数需要使用栈空间保存函数状态、局部变量等信息

[5. 为什么要清空 BSS 段]

为了压缩 ELF 文件大小，ELF 文件中只有文件头中存有 BSS 段的长度信息，但不包含段信息. 内核默认这些变量初始为 0. 若不清空 BSS 段，未初始化的全局变量/静态局部变量是未知的，导致内核初始状态不可控，可能引发不可预测的行为

bss 段: Blocked Started by Symbol, 用来存放程序中未初始化/初始化为 0 的全局变量/静态局部变量的内存区域,属于静态内存分配

[UART 交互逻辑]

参考课程文档 rpi-os

Raspberry Pi 3 预留 0x3F000000 往上的物理地址作为外设空间. 内核通过读写外设的寄存器来实现对外设的控制.

在裸机环境中，UART 设备的寄存器地址通常是硬编码的, 在硬件设计时会在总线上分配不重叠的物理地址范围给不同外设

启动阶段 MMU 未开启，内核直接使用物理地址访问外设寄存器(片上总线，与内存无关)

uart_init

整体代码如下：

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void early_uart_init(void)
{
    unsigned int ra;

    ra = early_get32(GPFSEL1);

    /* Set GPIO14 as function 0. */
    ra &= ~(7 << 12);
    ra |= 4 << 12;
    /* Set GPIO15 as function 0. */
    ra &= ~(7 << 15);
    ra |= 4 << 15;

    early_put32(GPFSEL1, ra);
    early_put32(GPPUD, 0);
    delay(150);
    early_put32(GPPUDCLK0, (1 << 14) | (1 << 15));
    delay(150);
    early_put32(GPPUDCLK0, 0);

    /* Close serial briefly. */
    early_put32(RASPI3_PL011_CR, 0);
    /* Set baud rate as 115200. */
    early_put32(RASPI3_PL011_IBRD, 26);
    early_put32(RASPI3_PL011_FBRD, 3);
    /* Enable FIFO. */
    early_put32(RASPI3_PL011_LCRH, (1 << 4) | (3 << 5));
    /* Inhibit interrupt. */
    early_put32(RASPI3_PL011_IMSC, 0);
    /* Enable serial to send or receive data. */
    early_put32(RASPI3_PL011_CR, 1 | (1 << 8) | (1 << 9));
}

我们可以分成几个部分拆解：

印脚配置

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ra = early_get32(GPFSEL1);

/* Set GPIO14 as function 0. */
ra &= ~(7 << 12);
ra |= 4 << 12;
/* Set GPIO15 as function 0. */
ra &= ~(7 << 15);
ra |= 4 << 15;

early_put32(GPFSEL1, ra);

这一段代码实际上是配置 GPIO 的 14, 15 印脚为 UART 功能：

  1. GDFSEL1 寄存器控制 GPIO 10-19 的功能选择，每个 GPIO 占用 3 位
  2. GPIO14 对应寄存器的第 12-14 位，GPIO15 对应寄存器的第 15-17 位
  3. GPIO14 为 100 (ALT0) 表示将设置为 TXD0 功能，表示 UART 传输印脚
  4. GPIO15 为 100 (ALT0) 表示将设置为 RXD0 功能，表示 UART 接受印脚

上下拉电阻配置

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early_put32(GPPUD, 0);
delay(150);
early_put32(GPPUDCLK0, (1 << 14) | (1 << 15));
delay(150);
early_put32(GPPUDCLK0, 0);

根据 BCM2837 ARM Peripherals 文档，GPPUD 寄存器用于控制 GPIO 的上拉/下拉电阻：

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The GPIO Pull-up/down Clock Registers control the actuation of internal pull-downs on
the respective GPIO pins. These registers must be used in conjunction with the GPPUD
register to effect GPIO Pull-up/down changes. The following sequence of events is
required:
1. Write to GPPUD to set the required control signal (i.e. Pull-up or Pull-Down or neither
to remove the current Pull-up/down)
2. Wait 150 cycles – this provides the required set-up time for the control signal
3. Write to GPPUDCLK0/1 to clock the control signal into the GPIO pads you wish to
modify – NOTE only the pads which receive a clock will be modified, all others will
retain their previous state.
4. Wait 150 cycles – this provides the required hold time for the control signal
5. Write to GPPUD to remove the control signal
6. Write to GPPUDCLK0/1 to remove the clock

初始化 UART

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/* Close serial briefly. */
early_put32(RASPI3_PL011_CR, 0);
/* Set baud rate as 115200. */
early_put32(RASPI3_PL011_IBRD, 26);
early_put32(RASPI3_PL011_FBRD, 3);
/* Enable FIFO. */
early_put32(RASPI3_PL011_LCRH, (1 << 4) | (3 << 5));
/* Inhibit interrupt. */
early_put32(RASPI3_PL011_IMSC, 0);
/* Enable serial to send or receive data. */
early_put32(RASPI3_PL011_CR, 1 | (1 << 8) | (1 << 9));

uart_send

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static void early_uart_send(unsigned int c)
{
	/* Check if the send fifo is full. */
	while (early_uart_fr() & (1 << 5));
	early_put32(RASPI3_PL011_DR, c);
}

[8. 多级页表优劣分析]

  • 优势：
    • 节省内存：只为实际使用的内存区域分配页表
    • 灵活性高：支持大块连续内存映射和小块不连续内存映射
    • 扩展性好：适应不同大小的虚拟地址空间
  • 劣势：
    • 查找开销大：多级页表需要多次内存访问，增加了地址转换的时间开销
    • 实现复杂：多级页表的管理和维护比单级页表复杂
    • 内存碎片：多级页表可能导致内存碎片化，影响内存利用率

[11. init_kernel_pt 配置低地址页表的原因]

在正式启动内核之前，CPU 处于物理地址模式，需要通过低地址页表映射来访问内核代码和数据，否则无法正确执行内核代码

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BEGIN_FUNC(el1_mmu_activate)
    ...     # enable MMU
    ldp     x29, x30, [sp], #16
    ret
END_FUNC(el1_mmu_activate)

实际实验中，若不配置低地址页表，内核会在启动页表后返回时需要从栈中弹出返回地址和帧指针，由于此时内核运行在低地址 ($sp=0x89fe0) 且低地址页表未配置，会立即发生地址翻译错误，进而尝试跳转到异常处理函数。后续流程与未配置启动页表相同，内核会陷入 0x200 处非法指令的无限循环。

[12. 其他核心什么时候恢复运行]

在 CPU 0 完成计时器，调度器，中断向量表，PMU 以及锁的初始化后，为所有核心创造 IDLE 线程后，修改 secondary_boot_flag 变量，唤醒其他核心，其他核心在 secondary_init_c 后进入 IDLE 线程正式运行

可以发现，初始化流程中，调度器、中断向量表、PMU 都是共享资源，必须由单一核心完成初始化，防止多个核心同时操作导致数据竞争，因此只能由 CPU 0 完成初始化

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