LK · source analysis

bootstrap2와 init hook 단계

scheduler 문맥으로 들어온 bootstrap thread가 platform, target, app 초기화를 어떤 level 순서로 호출하는지 읽습니다.

표의 버전은 소스 분석 기준이며 최신 보안 버전 권고가 아닙니다. TF-A LTS 2.14.3 이후에는 보안 수정이 있습니다. 제품 적용 시 공식 변경 기록과 사용 플랫폼의 errata를 확인하세요.

Series
04 / 20
Baseline
upstream 1eb9917
Commit
1eb99171efae
Source
top/main.c:18-106 (발췌 범위)

bootstrap2와 init hook 단계 단계에서 실제로 바뀌는 상태는 무엇인가?

초기 hook과 thread 단계 hook을 구분한다. blocking이나 heap 사용이 허용되는 level인지 모르고 hook을 옮기면 부팅 지연이나 deadlock이 생긴다.

각 init level은 이전 level이 게시한 서비스만 사용하고 같은 level 내부의 임의 순서에 기대지 않아야 한다. 이 문장을 기준으로 코드를 위에서 아래로 읽으면, 함수 이름을 외우는 대신 어느 시점에 어떤 상태를 신뢰할 수 있는지 판단할 수 있다.

객체와 주소가 놓이는 구조

그림 1. bootstrap2와 init hook 단계에서 입력, 내부 상태, 출력의 경계
입력과 전제내부 상태외부로 공개되는 결과
01init hook sections
02platform devices
03target policy
04application descriptors

lk_init_struct section / bootstrap2 thread를 중심에 놓고 왼쪽의 입력이 어떤 검사를 거쳐 오른쪽 결과로 공개되는지 표시했다. 실제 디버깅에서는 각 블록의 주소와 크기를 로그에 대입한다.

실행 흐름

그림 2. 정상 경로의 주요 호출과 상태 전달
bootstrap thread
LK_INIT_LEVEL
platform_init
target_init
apps_init

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.

단계별 입력과 출력

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

#단계진입 시 신뢰할 상태성공 뒤 남아야 할 상태다음 소비자
01bootstrap thread부트 CPU의 동기 실행 문맥init hook sectionsLK_INIT_LEVEL
02LK_INIT_LEVELbootstrap thread 완료 상태platform devicesplatform_init
03platform_initLK_INIT_LEVEL 완료 상태target policytarget_init
04target_initplatform_init 완료 상태application descriptorsapps_init
05apps_inittarget_init 완료 상태application descriptors이 단계의 처리 결과를 사용하는 코드

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

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. bootstrap thread에서 init hook이 실행되는 단계

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

01bootstrap2 시작
02LK_INIT_LEVEL_ARCH
03platform·target level
04heap·VM 이후 level
05apps_init
06초기화 thread 종료
그림 4. early init과 bootstrap2 init의 실행 조건

두 열의 객체는 이름이 비슷해도 생성 시점, 사용 가능한 API와 해제 책임이 다르다.

scheduler 이전

01boot CPU stack

02blocking 금지

03thread sleep 불가

04제한된 allocator

05interrupt 상태 제한

bootstrap thread

01정상 thread stack

02blocking 가능

03sleep·event 사용

04runtime heap

05driver·app 초기화

원본 코드

아래 코드는 LK upstream 1eb9917의 top/main.c에서 18-106줄을 그대로 가져온 것이다. 설명을 위해 실제 코드를 가짜 의사 코드로 바꾸지 않았다.

commit1eb99171efae98867d4be4a5bd6479ea03f43ac9anchor · L42static int bootstrap2(void *arg)
18#include <kernel/mutex.h>
19#include <kernel/novm.h>
20#include <kernel/thread.h>
21#include <lib/heap.h>
22#include <lk/compiler.h>
23#include <lk/debug.h>
24#include <lk/init.h>
25#include <platform.h>
26#include <string.h>
27#include <target.h>
28
29/* saved boot arguments from whoever loaded the system */
30ulong lk_boot_args[4];
31
32extern void (*__ctor_list[])(void);
33extern void (*__ctor_end[])(void);
34extern int __bss_start;
35extern int _end;
36
37#if WITH_SMP
38static thread_t *secondary_bootstrap_threads[SMP_MAX_CPUS - 1];
39static uint secondary_bootstrap_thread_count;
40#endif
41
42static int bootstrap2(void *arg);
43
44static void call_constructors(void) {
45    void (**ctor)(void);
46
47    ctor = __ctor_list;
48    while (ctor != __ctor_end) {
49        void (*func)(void);
50
51        func = *ctor;
52
53        func();
54        ctor++;
55    }
56}
57
58/* called from arch code */
59void lk_main(ulong arg0, ulong arg1, ulong arg2, ulong arg3) {
60    // save the boot args
61    lk_boot_args[0] = arg0;
62    lk_boot_args[1] = arg1;
63    lk_boot_args[2] = arg2;
64    lk_boot_args[3] = arg3;
65
66    // get us into some sort of thread context
67    thread_init_early();
68
69    // early arch stuff
70    lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_EARLIEST, LK_INIT_LEVEL_ARCH_EARLY - 1);
71    arch_early_init();
72
73    // do any super early platform initialization
74    lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_ARCH_EARLY, LK_INIT_LEVEL_PLATFORM_EARLY - 1);
75    platform_early_init();
76
77    // do any super early target initialization
78    lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_PLATFORM_EARLY, LK_INIT_LEVEL_TARGET_EARLY - 1);
79    target_early_init();
80
81#if WITH_SMP
82    dprintf(INFO, "\nwelcome to lk/MP\n\n");
83#else
84    dprintf(INFO, "\nwelcome to lk\n\n");
85#endif
86    dprintf(INFO, "boot args 0x%lx 0x%lx 0x%lx 0x%lx\n",
87            lk_boot_args[0], lk_boot_args[1], lk_boot_args[2], lk_boot_args[3]);
88
89    // bring up the kernel heap
90    lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_TARGET_EARLY, LK_INIT_LEVEL_HEAP - 1);
91    dprintf(SPEW, "initializing heap\n");
92    heap_init();
93
94    // deal with any static constructors
95    dprintf(SPEW, "calling constructors\n");
96    call_constructors();
97
98    // initialize the kernel
99    lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_HEAP, LK_INIT_LEVEL_KERNEL - 1);
100    kernel_init();
101
102    lk_primary_cpu_init_level(LK_INIT_LEVEL_KERNEL, LK_INIT_LEVEL_THREADING - 1);
103
104    // create a thread to complete system initialization
105    dprintf(SPEW, "creating bootstrap completion thread\n");
106    thread_t *t = thread_create("bootstrap2", &bootstrap2, NULL, DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE);

발췌 범위와 읽기 기준

원문 18-106줄에는 앞뒤 문맥이 포함됩니다. 기준 구문 static int bootstrap2(void *arg)은 L42에 있습니다. 발췌 첫 줄을 함수 정의의 시작으로 해석하지 않습니다.

초기 hook과 thread 단계 hook을 구분한다. blocking이나 heap 사용이 허용되는 level인지 모르고 hook을 옮기면 부팅 지연이나 deadlock이 생긴다.

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. 보조 CPU를 scheduler에 참여시키는 초기화

top/main.c 156-181줄이다.

filetop/main.canchor · L164void lk_init_secondary_cpus
156
157static int secondary_cpu_bootstrap2(void *arg) {
158    /* secondary cpu initialize from threading level up. 0 to threading was handled in arch */
159    lk_init_level(LK_INIT_FLAG_SECONDARY_CPUS, LK_INIT_LEVEL_THREADING, LK_INIT_LEVEL_LAST);
160
161    return 0;
162}
163
164void lk_init_secondary_cpus(uint secondary_cpu_count) {
165    if (secondary_cpu_count >= SMP_MAX_CPUS) {
166        dprintf(CRITICAL, "Invalid secondary_cpu_count %d, SMP_MAX_CPUS %d\n",
167                secondary_cpu_count, SMP_MAX_CPUS);
168        secondary_cpu_count = SMP_MAX_CPUS - 1;
169    }
170    for (uint i = 0; i < secondary_cpu_count; i++) {
171        dprintf(SPEW, "creating bootstrap completion thread for cpu %d\n", i + 1);
172        thread_t *t = thread_create("secondarybootstrap2",
173                                    &secondary_cpu_bootstrap2, NULL,
174                                    DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE);
175        t->pinned_cpu = i + 1;
176        thread_detach(t);
177        secondary_bootstrap_threads[i] = t;
178    }
179    secondary_bootstrap_thread_count = secondary_cpu_count;
180}
181#endif

내부 동작을 더 깊게 읽기

01

진입 조건을 먼저 고정한다

bootstrap thread에서 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.

초기 hook과 thread 단계 hook을 구분한다. blocking이나 heap 사용이 허용되는 level인지 모르고 hook을 옮기면 부팅 지연이나 deadlock이 생긴다.

02

중심 객체의 생성과 공개를 나눈다

이 글의 중심 객체는 lk_init_struct section / bootstrap2 thread다. 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.

03

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.

04

성공 flag와 실제 완료 시점을 맞춘다

LK_INIT_LEVEL → platform_init → target_init 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.

05

제어권을 넘기기 전에 확인할 조건을 정리한다

정상 경로는 apps_init에서 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.

구현을 읽을 때 놓치기 쉬운 부분

01

init hook level은 linker section의 실행 계약이다

매크로가 callback descriptor를 level별 section에 놓고 bootstrap2가 범위를 순회한다. source file 순서가 실행 순서를 보장하지 않으므로 같은 level callback끼리의 암묵적 dependency를 만들면 linker와 toolchain 변경에 깨질 수 있다.

map에서 section boundary와 callback 주소를 뽑아 runtime 출력 순서와 대조한다.

02

hook의 flags는 실행 thread와 timing을 바꾼다

일부 hook은 별도 thread에서 실행되거나 특정 level 완료를 기다릴 수 있다. callback이 stack 지역 인자나 초기화 중인 global object를 비동기 작업에 넘기면 bootstrap2가 다음 level로 간 뒤 수명이 끊길 수 있다.

threaded hook의 완료 대기, 오류 전달과 timeout 정책을 확인한다.

03

초기화 실패를 단순 계속 진행으로 숨기지 않는다

void callback이나 반환값을 무시하는 framework에서는 실패 flag와 log만 남고 다음 level이 부분 subsystem을 사용할 수 있다. 필수 provider는 panic할지 degraded mode로 갈지 제품 정책을 정해야 한다.

provider hook에 실패를 주입하고 consumer가 접근하기 전에 차단되는지 시험한다.

객체와 수명

대상만들어지는 시점유효 범위확인할 조건
lk_init_struct section / bootstrap2 threadLK_INIT_LEVELapps_init 또는 오류 정리 완료까지진입 전제와 상태 계약
입력 buffer / metadatabootstrap threadparse와 검증이 끝날 때까지길이, 정렬, 소유권, 변조 가능성
등록된 list / descriptorplatform_init하위 시스템을 종료하거나 다음 이미지에 제어권을 넘길 때까지중복 등록, 해제된 객체를 가리키는 포인터, 오류 후 자원 정리
hardware 또는 persistent state실제 write/probe가 완료된 뒤reset 또는 명시적 해제·갱신까지쓰기 완료, 시간 초과, 전원 차단, 이전 상태 복원
최종 부트로더 이미지link/image 생성 시점다음 stage가 새 image로 교체할 때까지적재 주소, 진입점, 섹션, 헤더의 일치 여부

실패 지점과 증상

#조건관찰되는 증상먼저 볼 단계
01hook level 오류provider보다 consumer 먼저 실행LK_INIT_LEVEL
02target init 실패 무시app가 없는 장치 사용platform_init
03blocking hook전체 부팅 정지target_init

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

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.

#목적명령 또는 계측판정 기준
01빌드 구성make <project> -j1platform, target, app 선택과 linker 입력을 로그로 남긴다.
02symbol과 주소nm -n build-*/lk.elf | grep 'static int bootstrap2'init hook, app descriptor와 함수가 어느 주소에 놓였는지 확인한다.
03어셈블리 대조objdump -drS build-*/lk.elfthread 전환과 interrupt disable 구간의 실제 명령을 확인한다.
04초기화 순서init level 전후에 current_time_hires()와 함수 이름 기록level 내부 순서와 지연을 serial log로 남긴다.
05문맥 확인current_thread, interrupt state, stack pointer 기록함수가 bootstrap thread인지 scheduler 이후 thread인지 구분한다.

직접 확인할 실험

  1. 01
    init hook마다 timestamp 출력

    LK_INIT_LEVEL 진입 전후에 init hook sections의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

  2. 02
    link map에서 hook section 순서 확인

    platform_init 진입 전후에 platform devices의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

  3. 03
    provider hook level을 늦춰 dependency 실패 재현

    target_init 진입 전후에 target policy의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

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