Linux内核深度解析
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1.3.3 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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