TinyEMU源码分析之虚拟机初始化

TinyEMU源码分析之虚拟机初始化

  • 1 初始化结构参数
  • 2 配置RAM地址空间
  • 3 初始化设备
  • 4 拷贝BIOS和Kernel
  • 5 手动写入5条指令
  • 6 体验第一条指令的执行

本文属于《 TinyEMU模拟器基础系列教程》之一，欢迎查看其它文章。
本文中使用的代码，均为伪代码，删除了部分源码。

1 初始化结构参数

虚拟机的初始化，主要在virt_machine_init函数中完成。
virt_machine_init函数，如下：

static VirtMachine *riscv_machine_init(const VirtMachineParams *p)
{
    RISCVMachine *s;
    VIRTIODevice *blk_dev;
    VIRTIOBusDef vbus_s, *vbus = &vbus_s;
    
	// 初始化结构参数
    s->common.vmc = p->vmc;
    s->ram_size = p->ram_size;
    s->max_xlen = max_xlen;
    s->mem_map = phys_mem_map_init();
    s->mem_map->opaque = s;
    s->mem_map->flush_tlb_write_range = riscv_flush_tlb_write_range;
    s->cpu_state = riscv_cpu_init(s->mem_map, max_xlen);
	
	// 配置RAM地址空间
    /* RAM */
    ram_flags = 0;
    cpu_register_ram(s->mem_map, RAM_BASE_ADDR, p->ram_size, ram_flags);
    cpu_register_ram(s->mem_map, 0x00000000, LOW_RAM_SIZE, 0);
    cpu_register_device(s->mem_map, CLINT_BASE_ADDR, CLINT_SIZE, s,
                        clint_read, clint_write, DEVIO_SIZE32);
    cpu_register_device(s->mem_map, PLIC_BASE_ADDR, PLIC_SIZE, s,
                        plic_read, plic_write, DEVIO_SIZE32);
    cpu_register_device(s->mem_map, HTIF_BASE_ADDR, 16,
                        s, htif_read, htif_write, DEVIO_SIZE32);
    vbus->addr = VIRTIO_BASE_ADDR;
	
	// 初始化设备
    /* virtio console */
    if (p->console) {
        s->common.console_dev = virtio_console_init(vbus, p->console);
        vbus->addr += VIRTIO_SIZE;
    }
    
	...

    if (p->input_device) {
    	// 键盘
		s->keyboard_dev = virtio_input_init(vbus,
											VIRTIO_INPUT_TYPE_KEYBOARD);
		vbus->addr += VIRTIO_SIZE;

		// 鼠标
		s->mouse_dev = virtio_input_init(vbus,
										 VIRTIO_INPUT_TYPE_TABLET);
		vbus->addr += VIRTIO_SIZE;
    }
	
	// 拷贝BIOS和Kernel;手动写入5条指令
    copy_bios(s, p->files[VM_FILE_BIOS].buf, p->files[VM_FILE_BIOS].len,
              p->files[VM_FILE_KERNEL].buf, p->files[VM_FILE_KERNEL].len,
              p->files[VM_FILE_INITRD].buf, p->files[VM_FILE_INITRD].len,
              p->cmdline);
    
    return (VirtMachine *)s;
}

首先，初始化VirtMachineClass、ram大小、max_xlen，以及内存映射初始化等。
然后，在riscv_cpu_init函数中，会完成pc赋初值和TLB初始化（赋值为-1）。

s->pc = 0x1000; 
s->cpu_state = riscv_cpu_init(s->mem_map, max_xlen);

cpu_state的类型为RISCVCPUState结构，该结构中，包含mstatus、mtvec、mscratch等CSR寄存器定义。

我们猜测，第一条指令地址，就是0x1000。

初始化结构参数，其实就是把一些参数，保存到RISCVMachine对象中。

2 配置RAM地址空间

我们对本部分代码，进行分析，并结合以下常量定义。

#define LOW_RAM_SIZE   0x00010000 /* 64KB */
#define RAM_BASE_ADDR  0x80000000
#define CLINT_BASE_ADDR 0x02000000
#define CLINT_SIZE      0x000c0000
#define HTIF_BASE_ADDR 0x40008000
#define IDE_BASE_ADDR  0x40009000
#define VIRTIO_BASE_ADDR 0x40010000
#define VIRTIO_SIZE      0x1000
#define VIRTIO_IRQ       1
#define PLIC_BASE_ADDR 0x40100000
#define PLIC_SIZE      0x00400000
#define FRAMEBUFFER_BASE_ADDR 0x41000000

发现代码，构成了，如下的内存地址空间：
在这里插入图片描述
这里，主要是，确定Low Dram、CLINT、HTIF、VBUS、PLIC、High Dram的地址空间范围（申请内存），可以结合上面代码，好好看看，比较简单。

因为，在执行指令时，必须要知道具体的内存空间，是如何分布的，以便正确访问内存。

3 初始化设备

初始化console、net device、block device、filesystem、display device、input device。
不详述，自己看源码。

4 拷贝BIOS和Kernel

在copy_bios函数中，完成拷贝BIOS和Kernel，其代码如下：

static void copy_bios(RISCVMachine *s, const uint8_t *buf, int buf_len,
                      const uint8_t *kernel_buf, int kernel_buf_len,
                      const uint8_t *initrd_buf, int initrd_buf_len,
                      const char *cmd_line)
{
	// 拷贝BIOS到0x80000000
    ram_ptr = get_ram_ptr(s, RAM_BASE_ADDR, TRUE);
    memcpy(ram_ptr, buf, buf_len);

	// 拷贝Kernel到0x80200000
    kernel_base = 0;
    if (kernel_buf_len > 0) {
        /* copy the kernel if present */
        if (s->max_xlen == 32)
            align = 4 << 20; /* 4 MB page align */
        else
            align = 2 << 20; /* 2 MB page align */
        kernel_base = (buf_len + align - 1) & ~(align - 1);
        memcpy(ram_ptr + kernel_base, kernel_buf, kernel_buf_len);
    }
    
	// 创建设备树，并写入内存地址(0x1000+8*8)处
    ram_ptr = get_ram_ptr(s, 0, TRUE);
    fdt_addr = 0x1000 + 8 * 8;
    riscv_build_fdt(s, ram_ptr + fdt_addr,
                    RAM_BASE_ADDR + kernel_base, kernel_buf_len,
                    RAM_BASE_ADDR + initrd_base, initrd_buf_len,
                    cmd_line);

	// 手动写入5条指令
    /* jump_addr = 0x80000000 */
    q = (uint32_t *)(ram_ptr + 0x1000);
    q[0] = 0x297 + 0x80000000 - 0x1000; /* auipc t0, jump_addr */
    q[1] = 0x597; /* auipc a1, dtb */
    q[2] = 0x58593 + ((fdt_addr - 4) << 20); /* addi a1, a1, dtb */
    q[3] = 0xf1402573; /* csrr a0, mhartid */
    q[4] = 0x00028067; /* jalr zero, t0, jump_addr */
}
  • 将bios（bbl64.bin）拷贝到0x80000000地址处（物理地址），本例中bbl64.bin长度为0xd21a。
  • 将kernel（kernel-riscv64.bin）拷贝到0x80200000地址处（物理地址），本例中kernel-riscv64.bin长度为0x3d5324。

拷贝BIOS和Kernel的地址，与上图中内存地址空间，一致。

5 手动写入5条指令

手动写入的5条指令，翻译过来，就是如下：

    /* jump_addr = 0x80000000 */
    // 从物理地址0x1000位置处开始，手动写入5条指令的机器码
    q = (uint32_t *)(ram_ptr + 0x1000);

    // t0=0x80000000
    q[0] = 0x297 + 0x80000000 - 0x1000; /* auipc t0, jump_addr */

    // a1=PC
    q[1] = 0x597; /* auipc a1, dtb */

    // a1=a1+0x3c
    q[2] = 0x58593 + ((fdt_addr - 4) << 20); /* addi a1, a1, dtb */

    // a0=mhartid
    q[3] = 0xf1402573; /* csrr a0, mhartid */

    // PC=t0
    q[4] = 0x00028067; /* jalr zero, t0, jump_addr */

从物理地址0x1000位置处开始，手动写入5条指令的机器码，一共20字节。
到这里，虚拟机的初始化，就完成了。

6 体验第一条指令的执行

通过目前源码的分析，可以得知，以下大致启动流程：

  • 第一条指令，从0x1000处，开始取指执行。
  • 然后，以上这5条指令运行完毕，最后一条指令，设置PC=0x80000000，该地址，正是我们bbl64.bin，在内存中的基地址。
  • 也就是说，下一条指令，将跳转到bbl64.bin，执行指令。
  • 等待bbl64.bin执行完毕，再开始执行kernel-riscv64.bin。

我们可以在glue函数的，s->pc = GET_PC()位置处，打上断点，检查第一条指令的PC，的确是0x1000；并且依次取出的指令，的确为这5条指令。

static void no_inline glue(riscv_cpu_interp_x, XLEN)(RISCVCPUState *s, int n_cycles1)
{
	for(;;) {
		// 获取PC
		s->pc = GET_PC(); 
		addr = s->pc;
		ptr = (uint8_t *)(s->tlb_code[tlb_idx].mem_addend +
                                  (uintptr_t)addr);
		code_ptr = ptr;
		
		//根据PC获取一条指令机器码
		insn = get_insn32(code_ptr); 
	}
}

上述启动执行流程，如下图所示：
在这里插入图片描述

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