SMP多核啟動

来源:https://www.cnblogs.com/linhaostudy/archive/2018/07/26/9371562.html
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在 Linux系統中,對於多核的ARM晶元而言,在Biotron代碼中,每個CPU都會識別自身ID,如果ID是0,則引導Bootloader和 Linux內核執行,如果ID不是0,則Biotron一般在上電時將自身置於WFI或者WFE狀態,並等待CPU0給其發CPU核間中斷或事件(一般通過SEV指令 ...


在 Linux系統中,對於多核的ARM晶元而言,在Biotron代碼中,每個CPU都會識別自身ID,如果ID是0,則引導Bootloader和 Linux內核執行,如果ID不是0,則Biotron一般在上電時將自身置於WFI或者WFE狀態,並等待CPU0給其發CPU核間中斷或事件(一般通過SEV指令)以喚醒它。一個典型的多核 Linux啟動過程如圖20.6所示。
被CPU0喚醒的CPUn可以在運行過程中進行熱插拔,譬如運行如下命令即可卸載CPU1,並且將CPUI上的任務全部遷移到其他CPU中:

# echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu1/online

同理,運行如下命令可以再次啟動CPU1:

# echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu1/online

之後CPU1會主動參與系統中各個CPU之間的運行任務的負載均衡工作;

CPUO喚醒其他CPU的動作在內核中被封裝為一個 smp_operations的結構體,對於ARM而言,它定義於 arch/arm/include/asm/smp.h中。該結構體的成員函數如代碼清單所示。


struct smp_operations {
#ifdef CONFIG_SMP
    /*
     * Setup the set of possible CPUs (via set_cpu_possible)
     */
    void (*smp_init_cpus)(void);
    /*
     * Initialize cpu_possible map, and enable coherency
     */
    void (*smp_prepare_cpus)(unsigned int max_cpus);

    /*
     * Perform platform specific initialisation of the specified CPU.
     */
    void (*smp_secondary_init)(unsigned int cpu);
    /*
     * Boot a secondary CPU, and assign it the specified idle task.
     * This also gives us the initial stack to use for this CPU.
     */
    int  (*smp_boot_secondary)(unsigned int cpu, struct task_struct *idle);
#ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
    int  (*cpu_kill)(unsigned int cpu);
    void (*cpu_die)(unsigned int cpu);
    int  (*cpu_disable)(unsigned int cpu);
#endif
#endif
};

CPUO喚醒其他CPU的動作在內核中被封裝為一個 smp_operations 的結構體,對於ARM而言,它定義於 arch/arm/include/asm/smp.h中。該結構體的成員函數如代碼清單所示。

DT_MACHINE_START(VEXPRESS DT,"ARM-Versatile Express)
.dt_compat = v2m_dt_match,
.smp = smp_ops(express_smp_ops),
.map_io = v2m_dt_map_io,
MACHINE_END

通過 arch/arm/mach-vexpress/platsmp.c的實現代碼可以看出, smp_operations的成員函數smp_init_cpus(),即 vexpress_smp_init_cpus調用的ct_ca9x4_init_cpu_map(會探測SoC內CPU核的個數,並通過 set_cpu_possible設置這些CPU可見。
smp_operations的成員函數 smp_prepare_cpus,即 vexpress_smp_prepare_cpus則會通過v2m_flags_set( virt_to_phys( versatile_secondary_startup)設置其他CPU的啟動地址為versatile_secondary_startup,如代碼清單所示。
smp_prepare_cpus()設置CPU1...n啟動地址:


static void __init vexpress_smp_prepare_cpus(unsigned int max_cpus)
{
    /*
     * Initialise the present map, which describes the set of CPUs
     * actually populated at the present time.
     */
    if (ct_desc)
        ct_desc->smp_enable(max_cpus);
    else
        vexpress_dt_smp_prepare_cpus(max_cpus);

    /*
     * Write the address of secondary startup into the
     * system-wide flags register. The boot monitor waits
     * until it receives a soft interrupt, and then the
     * secondary CPU branches to this address.
     */
    vexpress_flags_set(virt_to_phys(versatile_secondary_startup));
}

註意這部分具體實現方式是與SOC相關的,由晶元設計及晶元內部的Bootrom決定。對於VEXPRESS來講,設置方法如下:

void __init v2m_flags_set(u32 data)
{
    writel(~0, v2m_sysreg_base + V2M_SYS_FLAGSCLR);
    writel(data, v2m_sysreg_base + V2M_SYS_FLAGSCLR);
}

即填充v2m_sysreg_base+V2M_SYS_FLAGSCLR標記清除寄存器為0xFFFFFFFF,將CPU1...n初始啟動執行的指令地址填入v2m_sysreg_base+V2M_SYS_FLAGSSET寄存器。這兩個地址由晶元內部的Bootrom程式設定的。填入的CPU1...n的起始地址都通過virt_to_phys轉化為物理地址,因為此時CPU1...n的MMU尚未開啟;
比較關鍵的是smp_operations的成員函數smp_boot_secondary(),它是完成CPU最終喚醒的工作,對於本例而言,versatile_boot_secondary()
CPU0通過終端喚醒其他CPU:

/*
 * Write pen_release in a way that is guaranteed to be visible to all
 * observers, irrespective of whether they're taking part in coherency
 * or not.  This is necessary for the hotplug code to work reliably.
 */
static void __cpuinit write_pen_release(int val)
{
    pen_release = val;
    smp_wmb();
    __cpuc_flush_dcache_area((void *)&pen_release, sizeof(pen_release));
    outer_clean_range(__pa(&pen_release), __pa(&pen_release + 1));
}
int __cpuinit versatile_boot_secondary(unsigned int cpu, struct task_struct *idle)
{
    unsigned long timeout;

    /*
     * Set synchronisation state between this boot processor
     * and the secondary one
     */
    spin_lock(&boot_lock);

    /*
     * This is really belt and braces; we hold unintended secondary
     * CPUs in the holding pen until we're ready for them.  However,
     * since we haven't sent them a soft interrupt, they shouldn't
     * be there.
     */
    write_pen_release(cpu_logical_map(cpu));

    /*
     * Send the secondary CPU a soft interrupt, thereby causing
     * the boot monitor to read the system wide flags register,
     * and branch to the address found there.
     */
    arch_send_wakeup_ipi_mask(cpumask_of(cpu));

    timeout = jiffies + (1 * HZ);
    while (time_before(jiffies, timeout)) {
        smp_rmb();
        if (pen_release == -1)
            break;

        udelay(10);
    }

    /*
     * now the secondary core is starting up let it run its
     * calibrations, then wait for it to finish
     */
    spin_unlock(&boot_lock);

    return pen_release != -1 ? -ENOSYS : 0;
}

調用的 write_pen_release會將 pen_release變數設置為要喚醒的CPU核的CPU號 cpu_logical_map(cpu),而後通過 arch_send_wakeup_ipi mask給要喚醒的CPU發IPI中斷,這個時候,被喚醒的CPU會退出WFI狀態並從前面 smp_operations中的smp_prepare_cpus成員函數,即 vexpress_smp_prepare_cpus里通過 v2m_flags_set()設置的起始地址 versatile_secondary_startup開始執行,如果順利的話,該CPU會將原先為正數的pen_release寫為-1,以便CPU0從等待pen_release成為-1的迴圈跳出;

versatile_secondary_startup實現於arch/arm/plat-versatile/headsmp.S中,是一段彙編,如下代碼所示:


/*
 * Realview/Versatile Express specific entry point for secondary CPUs.
 * This provides a "holding pen" into which all secondary cores are held
 * until we're ready for them to initialise.
 */
ENTRY(versatile_secondary_startup)
    mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5
    bic r0, #0xff000000
    adr r4, 1f
    ldmia   r4, {r5, r6}
    sub r4, r4, r5
    add r6, r6, r4
pen:    ldr r7, [r6]
    cmp r7, r0
    bne pen

    /*
     * we've been released from the holding pen: secondary_stack
     * should now contain the SVC stack for this core
     */
    b   secondary_startup

    .align
1:  .long   .
    .long   pen_release
ENDPROC(versatile_secondary_startup)

上述迴圈代碼的迴圈是等待pen_release變數稱為CPU0設置的cpu_logical_map(cpu),一般就直接成立了。第16行調用內核通用的secondary_startup()函數,經過一系列初始化(如MMU等),最終新的被喚醒的CPU將調用smp_operationssmp_secondary_init()的成員函數,對於本例為versatile_secondary_init()

void __cpuinit versatile_secondary_init(unsigned int cpu)
{
    /*
     * let the primary processor know we're out of the
     * pen, then head off into the C entry point
     */
    write_pen_release(-1);

    /*
     * Synchronise with the boot thread.
     */
    spin_lock(&boot_lock);
    spin_unlock(&boot_lock);
}

上述代碼會將pen_release寫為-1,於是CPU0還在執行代碼的versatile_boot_secondary()函數中的如下迴圈就退出了:

timeout = jiffies + (1 * HZ);
while (time_before(jiffies, timeout)) {
    smp_rmb();
    if (pen_release == -1)
        break;

    udelay(10);
}

這樣CPU0就知道目標CPU已經被正確地喚醒,此後CPU0和新喚醒的其他CPU各自運行。整個系統在運行過程中會進行實時進程和正常進程的動態負載均衡。

下圖總結了前文提到的vexpress_smp_prepare_cpus()versatile_boot_secondary()write_pen_release()versatile_secondary_startup()versatile_secondary_init()這些函數的執行順序;


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