start_barebox와 초기 runtime | Barebox

QUESTION

start_barebox와 초기 runtime 단계에서 실제로 바뀌는 상태는 무엇인가?

초기화 전후에 사용 가능한 API가 달라진다. panic console, malloc, globalvar, device tree가 처음 유효해지는 지점을 함수 순서와 맞춘다.

initcall 실행 전에 필수 memory allocator와 core registries가 일관된 초기 상태여야 한다. 이 문장을 기준으로 코드를 위에서 아래로 읽으면, 함수 이름을 외우는 대신 어느 시점에 어떤 상태를 신뢰할 수 있는지 판단할 수 있다.

STRUCTURE

객체와 주소가 놓이는 구조

그림 1. start_barebox와 초기 runtime에서 입력, 내부 상태, 출력의 경계

입력과 전제내부 상태외부로 공개되는 결과

01global runtime

02malloc arena

03root devices

04main thread

CONTRACT

이 흐름의 전제와 실패 조건

Barebox runtime globals / root device를 중심에 놓고 왼쪽의 입력이 어떤 검사를 거쳐 오른쪽 결과로 공개되는지 표시했다. 실제 디버깅에서는 각 블록의 주소와 크기를 로그에 대입한다.

CALL PATH

실행 흐름

그림 2. 정상 경로의 주요 호출과 상태 전달

ARM entry

start_barebox

memory/heap

initcalls

shell or boot

화살표는 단순 호출 순서만 뜻하지 않는다. 각 단계가 성공을 반환할 때 다음 단계가 읽을 수 있는 상태가 무엇인지 함께 확인한다. 오류 반환이 발생하면 바로 다음 화살표로 진행하지 않고 해당 단계의 정리 경로를 따라간다.

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.

#	단계	진입 시 신뢰할 상태	성공 뒤 남아야 할 상태	다음 소비자
01	`ARM entry`	부트 CPU의 동기 실행 문맥	global runtime	start_barebox
02	`start_barebox`	ARM entry 완료 상태	malloc arena	memory/heap
03	`memory/heap`	start_barebox 완료 상태	root devices	initcalls
04	`initcalls`	memory/heap 완료 상태	main thread	shell or boot
05	`shell or boot`	initcalls 완료 상태	main thread	이 단계의 처리 결과를 사용하는 코드

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.

그림 3. start_barebox가 shell 이전 runtime을 만드는 순서

호출 이름만 나열하지 않고, 각 단계가 다음 단계에 넘기는 상태를 기준으로 실행 순서를 표시한다.

01relocated image 진입

02BSS·globals

03memory bank·heap

04device tree root

05console

06initcall levels

07main shell/boot

그림 4. 초기 subsystem의 생산자와 소비자

왼쪽 생산자가 가운데 상태를 완성하고, 오른쪽 소비자가 그 상태를 처음 사용하는 관계다.

01memory registrationmalloc arenaallocations

02of_set_root_noderoot DTplatform populate

03console initlog sinklater initcalls

04run_initregistered servicesshell commands

05environment loadboot variablesboot command

UPSTREAM SOURCE

원본 코드

아래 코드는 Barebox v2026.06.1의 common/startup.c에서 424-511줄을 그대로 가져온 것이다. 설명을 위해 실제 코드를 가짜 의사 코드로 바꾸지 않았다.

commit314c679eea2d0ca847c64d1b646a1cf91225c0ecanchor · L448void __noreturn start_barebox(void)

424
425	if (current_autoboot != AUTOBOOT_MENU) {
426		if (current_autoboot == AUTOBOOT_ABORT &&
427		    current_autoboot == global_autoboot_state)
428			watchdog_inhibit_all();
429
430		run_shell();
431	}
432
433	do {
434		/*
435		 * Let's run the command once at least, so an error
436		 * message is printed if the file doesn't exist
437		 */
438		run_command(MENUFILE);
439	} while (stat(MENUFILE, &s) == 0);
440
441	hang();
442}
443
444int (*barebox_main)(void)
445	= !IS_ENABLED(CONFIG_SHELL_NONE) &&
446           IS_ENABLED(CONFIG_COMMAND_SUPPORT) ? run_init : NULL;
447
448void __noreturn start_barebox(void)
449{
450	initcall_t *initcall;
451	int result;
452
453	for (initcall = __barebox_initcalls_start;
454			initcall < __barebox_initcalls_end; initcall++) {
455		pr_debug("initcall-> %pS\n", *initcall);
456		result = (*initcall)();
457		if (result)
458			pr_err("initcall %pS failed: %pe\n", *initcall,
459					ERR_PTR(result));
460	}
461
462	barebox_system_state = BAREBOX_RUNNING;
463	pr_debug("initcalls done\n");
464
465
466	if (IS_ENABLED(CONFIG_SELFTEST_AUTORUN))
467		selftests_run();
468
469	if (barebox_main)
470		barebox_main();
471
472	if (IS_ENABLED(CONFIG_SHELL_NONE)) {
473		pr_crit("Nothing left to do\n");
474		poweroff_machine(0);
475	} else {
476		while (1)
477			run_shell();
478	}
479}
480
481void __noreturn hang (void)
482{
483	puts ("### ERROR ### Please RESET the board ###\n");
484	for (;;);
485}
486
487/* Everything needed to cleanly shutdown barebox.
488 * Should be called before starting an OS to get
489 * the devices into a clean state
490 */
491void shutdown_barebox(void)
492{
493	exitcall_t *exitcall;
494
495	barebox_system_state = BAREBOX_EXITING;
496
497	for (exitcall = __barebox_exitcalls_start;
498			exitcall < __barebox_exitcalls_end; exitcall++) {
499		pr_debug("exitcall-> %pS\n", *exitcall);
500		(*exitcall)();
501	}
502
503	console_flush();
504}
505
506BAREBOX_MAGICVAR(global.autoboot,
507                 "Autoboot state. Possible values: countdown (default), abort, halt, menu, boot");
508BAREBOX_MAGICVAR(global.autoboot_abort_key,
509                 "Which key allows to interrupt autoboot. Possible values: 'any', 'ctrl-c' or any other single ascii character.");
510BAREBOX_MAGICVAR(global.autoboot_timeout,
511                 "Timeout before autoboot starts in seconds");

READING CONTRACT

발췌 범위와 읽기 기준

원문 424-511줄에는 앞뒤 문맥이 포함됩니다. 기준 구문 void __noreturn start_barebox(void)은 L448에 있습니다. 발췌 첫 줄을 함수 정의의 시작으로 해석하지 않습니다.

초기화 전후에 사용 가능한 API가 달라진다. panic console, malloc, globalvar, device tree가 처음 유효해지는 지점을 함수 순서와 맞춘다.

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.

01. rootfs, environment, initcall을 실행하는 run_init

common/startup.c 327-429줄이다.

filecommon/startup.canchor · L337static int run_init(void)

327/**
328 * get_autoboot_state - get the autoboot state
329 *
330 * This functions returns the autoboot state last used.
331 */
332enum autoboot_state get_autoboot_state(void)
333{
334	return current_autoboot;
335}
336
337static int run_init(void)
338{
339	const char *bmode, *cmdline;
340	bool env_bin_init_exists;
341	struct stat s;
342	glob_t g;
343	int i, ret;
344	size_t size;
345	void *ext_dtb;
346
347	setenv("PATH", "/env/bin");
348	export("PATH");
349
350	/* Run legacy /env/bin/init if it exists */
351	env_bin_init_exists = stat(INITFILE, &s) == 0;
352	if (env_bin_init_exists) {
353		pr_info("running legacy %s...\n", INITFILE);
354		run_command("source " INITFILE);
355		return 0;
356	}
357
358	/* Unblank console cursor */
359	printf("\e[?25h");
360
361	if (test_abort()) {
362		pr_info("Init sequence aborted\n");
363		return -EINTR;
364	}
365
366	/* Run scripts in /env/init/ */
367	ret = glob("/env/init/*", 0, NULL, &g);
368	if (!ret) {
369		for (i = 0; i < g.gl_pathc; i++) {
370			const char *path = g.gl_pathv[i];
371
372			ret = stat(path, &s);
373			if (ret)
374				continue;
375
376			if (!S_ISREG(s.st_mode))
377				continue;
378
379			pr_debug("Executing '%s'...\n", path);
380			run_command("source %s", path);
381		}
382
383		globfree(&g);
384	}
385
386	cmdline = barebox_cmdline_get();
387	if (cmdline) {
388		ret = write_file("/cmdline", cmdline, strlen(cmdline));
389		if (ret)
390			return ret;
391
392		console_ctrlc_allow();
393		run_command("source /cmdline");
394	}
395
396	ext_dtb = handoff_data_get_entry(HANDOFF_DATA_EXTERNAL_DT, &size);
397	if (ext_dtb)
398		write_file("/external-devicetree", ext_dtb, size);
399
400	/* source matching script in /env/bmode/ */
401	bmode = reboot_mode_get();
402	if (bmode) {
403		char *scr, *path;
404
405		scr = xasprintf("source /env/bmode/%s", bmode);
406		path = &scr[strlen("source ")];
407		if (stat(path, &s) == 0) {
408			pr_info("Invoking '%s'...\n", path);
409			run_command("%s", scr);
410		}
411		free(scr);
412	}
413
414	current_autoboot = do_autoboot_countdown();
415
416	console_ctrlc_allow();
417
418	if (current_autoboot == AUTOBOOT_BOOT)
419		run_command("boot");
420
421	if (IS_ENABLED(CONFIG_NET) && !IS_ENABLED(CONFIG_CONSOLE_DISABLE_INPUT) &&
422	    current_autoboot != AUTOBOOT_HALT)
423		eth_open_all();
424
425	if (current_autoboot != AUTOBOOT_MENU) {
426		if (current_autoboot == AUTOBOOT_ABORT &&
427		    current_autoboot == global_autoboot_state)
428			watchdog_inhibit_all();
429

DETAILS

내부 동작을 더 깊게 읽기

진입 조건을 먼저 고정한다

ARM entry에서 들어온 실행은 부트 CPU의 동기 실행 문맥에 놓여 있다. 이때 interrupt, MMU/cache, stack, heap 중 무엇이 이미 준비되었는지 소스의 호출자까지 올라가 확인한다. 같은 함수라도 SPL, relocation 전후, app thread처럼 호출 문맥이 달라지면 허용되는 API와 지연 시간이 달라진다.

초기화 전후에 사용 가능한 API가 달라진다. panic console, malloc, globalvar, device tree가 처음 유효해지는 지점을 함수 순서와 맞춘다.

중심 객체의 생성과 공개를 나눈다

이 글의 중심 객체는 Barebox runtime globals / root device다. 메모리를 확보한 시점, 필드를 채운 시점, 전역 list나 다른 subsystem에 공개한 시점을 구분한다. 공개 뒤 오류가 발생한다면 목록에서 제거하고 child, buffer, reference를 역순으로 정리하는지 확인한다.

빌드 산출물 관점에서는 최종 부트로더 이미지 안에 해당 symbol과 section이 실제로 포함되었는지도 map과 objdump로 검증한다.

주소, 크기와 정렬을 계산한다

부트 코드에서는 주소 계산 오류를 주의해야 한다. 원본과 목적지의 주소 범위, 헤더에 기록된 데이터 크기, 블록·페이지 단위를 표로 정리하고 각 구간의 끝 주소를 계산한다. 끝 주소가 start + size - 1처럼 마지막 바이트를 가리키는지, 구간 바로 다음 주소를 가리키는지는 API 규약에서 확인한다.

성공 flag와 실제 완료 시점을 맞춘다

start_barebox → memory/heap → initcalls 구간에서는 부분 초기화 상태가 생길 수 있다. flag, list insertion, callback 등록, storage write 완료 중 무엇이 성공의 기준인지 찾는다. hardware write나 DMA가 포함되면 함수 반환과 장치 완료가 같은 시점인지도 확인한다.

다른 CPU, 인터럽트 처리기, USB 완료 콜백, 셸 명령에서도 이 상태를 읽는다면 메모리 접근 순서와 잠금 범위를 함께 확인한다.

제어권을 넘기기 전에 확인할 조건을 정리한다

정상 경로는 shell or boot에서 끝난다. 이 단계가 함수 반환인지, scheduler 전환인지, 다른 image로의 비복귀 분기인지 구분한다. 비복귀 handoff라면 cache clean/invalidate, interrupt disable, 장치 quiesce, argument register와 FDT 또는 image address가 최종 점검 항목이다.

호출한 함수로 돌아오는 경로라면 오류와 일부 처리만 완료된 상태를 구분하는지 확인한다. 이어서 다음 후보를 시도할지, 복구 절차를 실행할지 살펴본다.

IMPLEMENTATION NOTES

구현을 읽을 때 놓치기 쉬운 부분

start_barebox는 초기 runtime의 사용 가능 순서를 정한다

BSS, malloc arena, globalvar, console, device tree와 initcall이 차례로 열리므로 각 단계 이전에 허용되는 API가 다르다. early panic 경로가 일반 allocation이나 등록된 console에 의존하지 않는지 확인한다.

root device와 model 정보가 만들어지는 시점을 initcall 실행보다 앞뒤로 구분한다.

malloc 영역과 image end의 경계를 계산한다

linker symbol에서 image 끝을 얻어 heap을 배치하는 경우 relocation address, stack, page table과 겹치지 않아야 한다. memory bank가 여러 개인 보드는 선택한 bank와 reserved 영역을 함께 본다.

allocator가 시작된 뒤 이전 temporary allocation이 runtime object로 남지 않는지 확인한다.

main thread와 shell 진입은 init 완료를 의미한다

initcall 실패를 log만 남기고 계속한 optional subsystem과 필수 subsystem을 구분한다. shell이 열려도 boot device provider가 준비되지 않았을 수 있으므로 capability를 명시적으로 검사한다.

각 initcall level의 시간과 오류를 남겨 boot delay와 degraded 상태를 재현한다.

OBJECT LIFETIME

객체와 수명

대상	만들어지는 시점	유효 범위	확인할 조건
`Barebox runtime globals / root device`	start_barebox	shell or boot 또는 오류 정리 완료까지	진입 전제와 상태 계약
입력 buffer / metadata	ARM entry	parse와 검증이 끝날 때까지	길이, 정렬, 소유권, 변조 가능성
등록된 list / descriptor	memory/heap	하위 시스템을 종료하거나 다음 이미지에 제어권을 넘길 때까지	중복 등록, 해제된 객체를 가리키는 포인터, 오류 후 자원 정리
hardware 또는 persistent state	실제 write/probe가 완료된 뒤	reset 또는 명시적 해제·갱신까지	쓰기 완료, 시간 초과, 전원 차단, 이전 상태 복원
`최종 부트로더 이미지`	link/image 생성 시점	다음 stage가 새 image로 교체할 때까지	적재 주소, 진입점, 섹션, 헤더의 일치 여부

FAILURE PATH

실패 지점과 증상

#	조건	관찰되는 증상	먼저 볼 단계
01	malloc 이전 allocation	crash	start_barebox
02	console 선택 전 일반 printf 의존	원인 미출력	memory/heap
03	root DT 누락	device population 없음	initcalls

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.

#	목적	명령 또는 계측	판정 기준
01	빌드 구성	`make <board>_defconfig && make V=1`	Kconfig, linker section과 최종 barebox image 생성 명령을 보관한다.
02	symbol과 section	`${CROSS_COMPILE}nm -n barebox \| grep 'void __noreturn start_barebox'`	initcall, command, driver descriptor가 image에 남았는지 확인한다.
03	주소와 resource	`iomem`	image, malloc, stack, device resource와 reserved 영역의 겹침을 확인한다.
04	device 상태	`devinfo; drvinfo; of_dump`	DT node 생성, device 등록, driver probe를 서로 구분한다.
05	boot 정책	`boot -d -v; state -d`	entry 탐색 결과와 persistent state가 실제 선택에 미친 영향을 확인한다.

LAB

직접 확인할 실험

01
start_barebox 단계별 timestamp 추가
start_barebox 진입 전후에 global runtime의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.
02
malloc arena와 image end 비교
memory/heap 진입 전후에 malloc arena의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.
03
빈/잘못된 DTB로 early failure 경로 확인
initcalls 진입 전후에 root devices의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

PRIMARY REFERENCES

원문과 다음 글

common/startup.cv2026.06.1 원본 파일 Barebox source tree기준 commit 314c679eea2d