CPU & OS

EEEFFEE·2023년 12월 1일

Linux 환경

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23.12.01 최초 작성

1. 부팅 시나리오

1.1 마이크로 컨트롤러

모든 소프트웨어의 부트로더, 디바이스 트리, OS, root filesystem은 boot flash에 내장됨
cpu reset vector가 boot 플래시 안에 내장됨
RAM은 마이크로 컨트롤러에 내장됨

1.2 SOC

부트로더는 boot flash에 내장됨
cpu reset vector가 boot 플래시 안에 내장됨
디바이스 트리, OS, root filesystem은 mass memory flash에 내장되어있고 bootloader에 의해 메모리에 적재됨
메모리에 OS, root filesystem, 사용자 애플리케이션 등이 적재됨
boot flash, mass memory flash, bootloader는 같은 주소체계로 관리되며 각
전원이 인가되면 boot flash의 reset vector(0x0000_0000)가 실행되고 bootloader로 분기 됨
CPU의 RAM memory controller 수행
Stack과 heap을 RAM에 mapping 하기 위해
register 값 설정
device tree, operating system, system program,
application 을 RAM 으로 복사
응용을 위한 수행 환경 설정 / 응용 프로그램 시작

2. Device Tree

커널이 하드웨어 자원의 명세(Hardware Description (I/O device, memory))를 확인하는 2가지 방법
- 커널 바이너리 코드에 하드코딩 하기 :
- bootloader가 커널 바이너리를 로드할 때 자원 명세 파일(device tree blob)을 가져오는 방법
DTB (device tree blob)
- device tree source을 컴파일(scripts/dtc) 한 결과
- 하드웨어 변경시 DTS 컴파일만 필요

2.1 Armv8에서 Device Tree

arch/arm/boot/dts or arch/arm64/boot/dts에 위치
device tree compiler로 DTS를 DTB로 컴파일

2.2 Device Tree 문법

2.2.1 Data Format

/dts-v1/;

/ {
    node1: node@0 {
        a-string-property = "A string";
        a-string-list-property = "first string", "second string";
        // hex is implied in byte arrays. no '0x' prefix is required
        a-byte-data-property = [01 23 34 56];
        child-node1 {
            first-child-property;
            second-child-property = <1>;
            a-string-property = "Hello, world";
            a-reference-to-something = <&node2>;
        };
        child-node2 {
        };
    };
    node2 {
        an-empty-property;
        a-cell-property = <1 2 3 4>; /* each number (cell) is a uint32 */
        child-node1 {
        };
    };
};

/ : 루트 노드
node1, node2 : 자식 노드(노드 라벨)
node@0 : 노드 이름
child-node1, child-node2 : node1의 자식 노드

a-string-property, a-string-list-property : 문자열 정보
cell-property = <0xbeef 123 0xabcd1234> : unsigned 32bit 정보
binary-property = [0x01 0x23 0x45 0x67] : 이진 데이터
mixed-property = "a string", [0x01 0x23 0x45 0x67], <0x12345678> : 여려 형태의 데이터 정보
a-byte-data-property : 바이트값 정보
a-reference-to-something = <&node2> : 다른 노드의 주소 정보

2.2.2 Device Tree Addressing

다음과 같은 스펙의 기기의 디바이스 트리

- One 32bit ARM CPU
- processor local bus attached to memory mapped serial port, spi bus controller, i2c controller, interrupt controller, and external bus bridge
256MB of SDRAM based at 0
- 2 Serial ports based at 0x101F1000 and 0x101F2000
- GPIO controller based at 0x101F3000
- SPI controller based at 0x10170000 with following devices
	- MMC slot with SS pin attached to GPIO #1
- External bus bridge with following devices
	- SMC SMC91111 Ethernet device attached to external bus based at 0x10100000
	- i2c controller based at 0x10160000 with following devices
	- Maxim DS1338 real time clock. Responds to slave address 1101000 (0x58)
	- 64MB of NOR flash based at 0x30000000

1. 초기 구조

compatible : 시스템 이름 정보 (제조업체, 모델)
운영체제가 이 값을 통해 작동 방법을 지정
(디바이스 드라이버를 부팅시 or 사용 시 초기화할지 결정)

/dts-v1/;

/ {
    compatible = "acme,coyotes-revenge";
};

2. cpu

cpus : cpu 모델 지정 (제조업체, 모델)
cpu@0 : cpu 노드 이름과 장치의 주소(구분을 위함, 실제 주소는 reg로 지정)

/dts-v1/;

/ {
    compatible = "acme,coyotes-revenge";

    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
        };
        cpu@1 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
        };
    };
};

3. cpu addressing

cell : 주소나 길이를 나타내는 값 (32bit)
#address-cells : 시작주소를 나타내는데 필요한 셀 갯수
#size-cells : 할당받은 영역을 나타내는데 필요한 셀 갯수

	32 bit	64 bit
#address-cells	1	2
#size-cells	1	2

reg = <address1 length 1 [address2 length2]...> : 노드에 할당된 시작주소, 길이
#address-cells, #size-cells는 부모노드에서 정의되어 자식노드 reg의 데이터에 대한 규칙 지정
cpu는 유일한 ID를 가지기 때문에 #size-cells = <0>;으로 지정

cpus {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    cpu@0 {
        compatible = "arm,cortex-a9";
        reg = <0>;
    };
    cpu@1 {
        compatible = "arm,cortex-a9";
        reg = <1>;
    };
};

4. device

compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash"; : 플래시 노드의 경우 해당 장치와 호환되는 다른 장치를 나타냄

/dts-v1/;

/ {
    compatible = "acme,coyotes-revenge";

    cpus {
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
        };
        cpu@1 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
        };
    };

    serial@101F0000 {
        compatible = "arm,pl011";
    };

    serial@101F2000 {
        compatible = "arm,pl011";
    };

    gpio@101F3000 {
        compatible = "arm,pl061";
    };

    interrupt-controller@10140000 {
        compatible = "arm,pl190";
    };

    spi@10115000 {
        compatible = "arm,pl022";
    };

    external-bus {
        ethernet@0,0 {
            compatible = "smc,smc91c111";
        };

        i2c@1,0 {
            compatible = "acme,a1234-i2c-bus";
            rtc@58 {
                compatible = "maxim,ds1338";
            };
        };

        flash@2,0 {
            compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash";
        };
    };
};

5. 메모리에 매핑된 장치

reg = <0x101f0000 0x1000 > : 메모리 상의 장치의 시작 주소와 할당받은 크기를 나타냄

/dts-v1/;

/ {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;

    ...

    serial@101f0000 {
        compatible = "arm,pl011";
        reg = <0x101f0000 0x1000 >;
    };

    serial@101f2000 {
        compatible = "arm,pl011";
        reg = <0x101f2000 0x1000 >;
    };

    gpio@101f3000 {
        compatible = "arm,pl061";
        reg = <0x101f3000 0x1000
               0x101f4000 0x0010>;
    };

    interrupt-controller@10140000 {
        compatible = "arm,pl190";
        reg = <0x10140000 0x1000 >;
    };

    spi@10115000 {
        compatible = "arm,pl022";
        reg = <0x10115000 0x1000 >;
    };

    ...

};

6. Chip select가 있는 외부 장치

#address-cells = <2> : 주소를 2개 사용
(chip select number, chip select base에서 offset)

external-bus {
    #address-cells = <2>;
    #size-cells = <1>;

    ethernet@0,0 {
        compatible = "smc,smc91c111";
        reg = <0 0 0x1000>;
    };

    i2c@1,0 {
        compatible = "acme,a1234-i2c-bus";
        reg = <1 0 0x1000>;
        rtc@58 {
            compatible = "maxim,ds1338";
        };
    };

    flash@2,0 {
        compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash";
        reg = <2 0 0x4000000>;
    };
};

7. 비 메모리 매핑 장치

주소 범위를 가질 수 있으나 cpu에서 직접 접근 불가능
장치 드라이버를 통해 접근 가능

i2c@1,0 {
    compatible = "acme,a1234-i2c-bus";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    reg = <1 0 0x1000>;
    rtc@58 {
        compatible = "maxim,ds1338";
        reg = <58>;
    };
};

8. 주소 변환

루트의 직계 자식 노드는 cpu의 주소 체계를 사용하므로 명시적인 매핑이 필요하지 않음
그렇지 않은 노드는 cpu의 주소 체계를 사용하지 않으므로 메모리 매핑된 주소를 얻으러면 주소를 변환해 줘야 함
range : 직계 자식 노드의 주소를 cpu체계에 맞게 변환해주는 방법 지정
range = <자식주소1 부모주소1 자식주소크기1, ...> : 자식의 주소를 cpu체계에 맞는 부모주소로 변환
0 0 0x10100000 0x10000 : chip select 0의 오프셋 0은 주소 범위 0x10100000 ~ 0x1010ffff에 매핑

/dts-v1/;

/ {
    compatible = "acme,coyotes-revenge";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    ...
    external-bus {
        #address-cells = <2>
        #size-cells = <1>;
        ranges = <0 0  0x10100000   0x10000     // Chipselect 1, Ethernet
        		//0 0 : 자식주소 정보 ~~
                  1 0  0x10160000   0x10000     // Chipselect 2, i2c controller
                  2 0  0x30000000   0x1000000>; // Chipselect 3, NOR Flash

        ethernet@0,0 {
            compatible = "smc,smc91c111";
            reg = <0 0 0x1000>;
        };

        i2c@1,0 {
            compatible = "acme,a1234-i2c-bus";
            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;
            reg = <1 0 0x1000>;
            rtc@58 {
                compatible = "maxim,ds1338";
                reg = <58>;
            };
        };

        flash@2,0 {
            compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash";
            reg = <2 0 0x4000000>;
        };
    };
};

9. 인터럽트

interrupt-controller : 인터럽트 신호를 수신하는 장치로 노드를 선언하는 빈 속성. 해당 장치가 인터럽트 신호를 수신하는 장치임을 나타냄.
#interrupt-cells : 인터럽트에 대한 정보를 속성값으로 표현할때 사용될 셀 갯수
interrupt-parent : 연결된 인터럽트 컨트롤러에 대한 디바이스 노드의 속성. 해당 값이 없는 노드는 부모 노드로 부터 상속받을 수 있음.
interrupts : interrupts 속성은 디바이스가 발생하는 인터럽트 출력 신호에 대한 정보의 리스트를 값으로 표현

/dts-v1/;

/ {
    compatible = "acme,coyotes-revenge";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    interrupt-parent = <&intc>;

    cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            reg = <0>;
        };
        cpu@1 {
            compatible = "arm,cortex-a9";
            reg = <1>;
        };
    };

    serial@101f0000 {
        compatible = "arm,pl011";
        reg = <0x101f0000 0x1000 >;
        interrupts = < 1 0 >;
    };

    serial@101f2000 {
        compatible = "arm,pl011";
        reg = <0x101f2000 0x1000 >;
        interrupts = < 2 0 >;
    };

    gpio@101f3000 {
        compatible = "arm,pl061";
        reg = <0x101f3000 0x1000
               0x101f4000 0x0010>;
        interrupts = < 3 0 >;
    };

    intc: interrupt-controller@10140000 {
        compatible = "arm,pl190";
        reg = <0x10140000 0x1000 >;
        interrupt-controller;
        #interrupt-cells = <2>;
    };

    spi@10115000 {
        compatible = "arm,pl022";
        reg = <0x10115000 0x1000 >;
        interrupts = < 4 0 >;
    };

    external-bus {
        #address-cells = <2>
        #size-cells = <1>;
        ranges = <0 0  0x10100000   0x10000     // Chipselect 1, Ethernet
                  1 0  0x10160000   0x10000     // Chipselect 2, i2c controller
                  2 0  0x30000000   0x1000000>; // Chipselect 3, NOR Flash

        ethernet@0,0 {
            compatible = "smc,smc91c111";
            reg = <0 0 0x1000>;
            interrupts = < 5 2 >;
        };

        i2c@1,0 {
            compatible = "acme,a1234-i2c-bus";
            #address-cells = <1>;
            #size-cells = <0>;
            reg = <1 0 0x1000>;
            interrupts = < 6 2 >;
            rtc@58 {
                compatible = "maxim,ds1338";
                reg = <58>;
                interrupts = < 7 3 >;
            };
        };

        flash@2,0 {
            compatible = "samsung,k8f1315ebm", "cfi-flash";
            reg = <2 0 0x4000000>;
        };
    };
};

10. 특수 노드

aliases : 노드에 별칭 지정
chosen : boot time에 kernel에 넘길 인자를 정의하는 노드. 실제 장치를 나타내지 않지만 부팅 인수와 같이 펌웨어와 운영 체제간에 데이터를 전달하는 장소 역할.

aliases {
    ethernet0 = &eth0;
    serial0 = &serial0;
};

chosen {
    bootargs = "root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.1 console=ttyS0,115200";
};

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1. 부팅 시나리오

1.1 마이크로 컨트롤러

1.2 SOC

2. Device Tree

2.1 Armv8에서 Device Tree

2.2 Device Tree 문법

2.2.1 Data Format

2.2.2 Device Tree Addressing

1. 초기 구조

2. cpu

3. cpu addressing

4. device

5. 메모리에 매핑된 장치

6. Chip select가 있는 외부 장치

7. 비 메모리 매핑 장치

8. 주소 변환

9. 인터럽트

10. 특수 노드

ELF

프로세스 스케줄러 트레이스

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