ARM memory area와 MMU 초기화

QUESTION

ARM memory area와 MMU 초기화 단계에서 실제로 바뀌는 상태는 무엇인가?

STRUCTURE

객체와 주소가 놓이는 구조

CALL PATH

실행 흐름

STATE LEDGER

단계별 입력과 출력

각 단계의 입력과 처리 후 바뀌는 상태를 정리한 표다. 사용 중인 소스 버전에서 다른 필드를 변경한다면 그에 맞춰 표도 수정한다.

분석 범위의 전제와 비교해, 다음 단계에 잘못된 입력을 넘긴 부분부터 조사한다.

VISUAL WALKTHROUGH

주소와 객체의 이동을 그림으로 읽기

아래 그림은 주소, 객체를 사용하는 기간, 제어권을 넘기는 시점을 중심으로 정리했다. 실제 주소와 크기는 사용 중인 보드의 bdinfo, 맵 파일과 링커 심벌로 확인한다.

UPSTREAM SOURCE

원본 코드

아래 코드는 Barebox v2026.06.1의 arch/arm/cpu/mmu-common.c에서 141-194줄을 그대로 가져온 것이다. 설명을 위해 실제 코드를 가짜 의사 코드로 바꾸지 않았다.

141	 * those here.
142	 *
143	 * This code will become much less complex once we switch over to using
144	 * CONFIG_MEMORY_ATTRIBUTES for MMU as well.
145	 */
146	for_each_memory_bank(bank) {
147		struct resource *rsv;
148		resource_size_t pos;
149
150		pos = bank->res->start;
151
152		/* Skip reserved regions */
153		for_each_reserved_region(bank, rsv) {
154			if (pos != rsv->start)
155				remap_range_end_sans_image(pos, rsv->start, MAP_CACHED);
156			pos = rsv->end + 1;
157		}
158
159		remap_range_end_sans_image(pos, bank->res->end + 1, MAP_CACHED);
160	}
161
162	setup_trap_pages();
163}
164
165static int mmu_init(void)
166{
167	if (efi_is_payload())
168		return 0;
169
170	if (list_empty(&memory_banks)) {
171		resource_size_t start;
172		int ret;
173
174		/*
175		 * If you see this it means you have no memory registered.
176		 * This can be done either with arm_add_mem_device() in an
177		 * initcall prior to mmu_initcall or via devicetree in the
178		 * memory node.
179		 */
180		pr_emerg("No memory bank registered. Limping along with initial memory\n");
181
182		start = arm_mem_membase_get();
183		ret = barebox_add_memory_bank("initmem", start,
184					      arm_mem_endmem_get() - start);
185		if (ret)
186			panic("");
187	}
188
189	__mmu_init(get_cr() & CR_M);
190	mmu_remap_memory_banks();
191
192	return 0;
193}
194mmu_initcall(mmu_init);

READING CONTRACT

발췌 범위와 읽기 기준

원문 141-194줄에는 앞뒤 문맥이 포함됩니다. 기준 구문 static int mmu_init(void)은 L165에 있습니다. 발췌 첫 줄을 함수 정의의 시작으로 해석하지 않습니다.

RAM을 전부 normal cacheable로 매핑하지 않는다. image, stack, coherent region, MMIO와 reserved memory의 attribute를 구분한다.

RELATED SOURCE

함께 읽어야 하는 원본 코드

첫 코드 조각만으로 동작이 완성되지 않는 경우 호출 매크로, 객체 정의와 실제 실행 목록을 같은 페이지에 묶었다. 각 조각은 같은 기준 commit에서 가져왔다.

119		remap_range_end(start, image_start, MAP_CACHED);
120		/* skip barebox segments here, PBL has already mapped them */
121		start = image_end;
122	}
123
124	start = ALIGN(start, PAGE_SIZE);
125
126	remap_range_end(start, end, MAP_CACHED);
127}
128
129static void mmu_remap_memory_banks(void)
130{
131	struct memory_bank *bank;
132
133	/*
134	 * Early mmu init will have mapped everything but the initial memory area
135	 * (excluding final OPTEE_SIZE bytes) uncached. We have now discovered
136	 * all memory banks, so let's map all pages, excluding reserved memory areas
137	 * and barebox text area cacheable.
138	 *
139	 * PBL has already set up the MMU with proper permissions for text, data
140	 * and rodata based on ELF segment information, so we don't need to remap
141	 * those here.
142	 *
143	 * This code will become much less complex once we switch over to using
144	 * CONFIG_MEMORY_ATTRIBUTES for MMU as well.
145	 */
146	for_each_memory_bank(bank) {
147		struct resource *rsv;
148		resource_size_t pos;
149
150		pos = bank->res->start;
151
152		/* Skip reserved regions */
153		for_each_reserved_region(bank, rsv) {
154			if (pos != rsv->start)
155				remap_range_end_sans_image(pos, rsv->start, MAP_CACHED);
156			pos = rsv->end + 1;
157		}
158
159		remap_range_end_sans_image(pos, bank->res->end + 1, MAP_CACHED);
160	}
161
162	setup_trap_pages();
163}
164
165static int mmu_init(void)
166{
167	if (efi_is_payload())
168		return 0;
169
170	if (list_empty(&memory_banks)) {
171		resource_size_t start;
172		int ret;
173
174		/*
175		 * If you see this it means you have no memory registered.
176		 * This can be done either with arm_add_mem_device() in an
177		 * initcall prior to mmu_initcall or via devicetree in the
178		 * memory node.
179		 */
180		pr_emerg("No memory bank registered. Limping along with initial memory\n");
181
182		start = arm_mem_membase_get();
183		ret = barebox_add_memory_bank("initmem", start,
184					      arm_mem_endmem_get() - start);
185		if (ret)
186			panic("");
187	}
188
189	__mmu_init(get_cr() & CR_M);

DETAILS

내부 동작을 더 깊게 읽기

IMPLEMENTATION NOTES

구현을 읽을 때 놓치기 쉬운 부분

OBJECT LIFETIME

객체와 수명

FAILURE PATH

실패 지점과 증상

로그가 끊긴 함수뿐 아니라 그 함수에 주소, 크기, 플래그를 전달한 앞 단계도 조사한다. 오류 처리 후 등록된 객체나 하드웨어 설정이 그대로 남아 있는지도 확인한다.

EVIDENCE

소스 밖에서 확인할 증거

소스에서 파악한 동작을 실제 빌드 결과와 대상 보드의 로그로 확인한다. 아래 명령의 보드 이름과 툴체인 접두사는 사용 중인 빌드 환경에 맞게 바꾼다.

LAB

직접 확인할 실험

1. 01
   iomem 명령과 page table dump 대조

   reserved regions 진입 전후에 RAM banks의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

2. 02
   MMIO mapping attribute 확인

   page tables 진입 전후에 resource reservations의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

3. 03
   MMU enable 직전/직후 stack과 PC 주소 기록

   enable MMU/cache 진입 전후에 translation tables의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

PRIMARY REFERENCES

원문과 다음 글