crt0_64.S의 임시 stack과 global data | U-Boot

QUESTION

crt0_64.S의 임시 stack과 global data 단계에서 실제로 바뀌는 상태는 무엇인가?

x18의 global data 포인터와 SP의 배치를 함께 봐야 한다. 둘 중 하나가 잘못되면 첫 C 함수의 지역 변수나 gd 필드 접근부터 망가진다.

임시 stack과 gd 영역은 서로 겹치지 않고 요구 정렬을 만족해야 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. crt0_64.S의 임시 stack과 global data에서 입력, 내부 상태, 출력의 경계

입력과 전제내부 상태외부로 공개되는 결과

01SRAM top

02stack frame

03global data

04C ABI boundary

CONTRACT

이 흐름의 전제와 실패 조건

gd_t / initial stack를 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

_start

_main

initial SP

gd allocation

board_init_f

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	`_start`	초기 SRAM에서 실행하는 어셈블리 문맥	SRAM top	_main
02	`_main`	_start 완료 상태	stack frame	initial SP
03	`initial SP`	_main 완료 상태	global data	gd allocation
04	`gd allocation`	initial SP 완료 상태	C ABI boundary	board_init_f
05	`board_init_f`	gd allocation 완료 상태	C ABI boundary	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. 초기 SRAM과 relocation 이후 DRAM의 SP·gd 배치

왼쪽은 _main 진입 직후, 오른쪽은 relocation 준비가 끝난 뒤의 개념 배치다. 주소는 위로 갈수록 커진다.

초기 SRAM

01SRAM top

02초기 stack

03struct board_f

04초기 gd_t (x18)

05early malloc

06U-Boot text/data

DRAM 예약 결과

01DRAM top

02relocated U-Boot

03runtime malloc

04new bd_info

05new gd_t

06relocated FDT

07new stack

그림 4. SP와 x18이 새 주소로 넘어가는 순서

두 register는 함께 보이지만 담당 객체와 전환 시점이 다르다.

01초기 SP 설정

02gd_t 공간 확보

03x18 = 초기 gd

04board_init_f

05DRAM에 new gd·stack 예약

06gd 복사

07SP·x18 전환

08board_init_r

각 단계에서 (PC, SP, x18) 세 값을 동시에 기록하면 stack 문제와 global data 문제를 분리할 수 있다.

UPSTREAM SOURCE

원본 코드

아래 코드는 U-Boot v2026.07의 arch/arm/lib/crt0_64.S에서 43-131줄을 그대로 가져온 것이다. 설명을 위해 실제 코드를 가짜 의사 코드로 바꾸지 않았다.

commitece349ade2973e220f524ce59e59711cc919263fanchor · L67ENTRY(_main)

43 *
44 * 4a.For U-Boot proper (not SPL), call relocate_code(). This function
45 *    relocates U-Boot from its current location into the relocation
46 *    destination computed by board_init_f().
47 *
48 * 4b.For SPL, board_init_f() just returns (to crt0). There is no
49 *    code relocation in SPL.
50 *
51 * 5. Set up final environment for calling board_init_r(). This
52 *    environment has BSS (initialized to 0), initialized non-const
53 *    data (initialized to their intended value), and stack in system
54 *    RAM (for SPL moving the stack and GD into RAM is optional - see
55 *    CONFIG_SPL_STACK_R). GD has retained values set by board_init_f().
56 *
57 * TODO: For SPL, implement stack relocation on AArch64.
58 *
59 * 6. For U-Boot proper (not SPL), some CPUs have some work left to do
60 *    at this point regarding memory, so call c_runtime_cpu_setup.
61 *
62 * 7. Branch to board_init_r().
63 *
64 * For more information see 'Board Initialisation Flow in README.
65 */
66
67ENTRY(_main)
68
69/*
70 * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
71 */
72#if CONFIG_IS_ENABLED(HAVE_INIT_STACK)
73	ldr	x0, =CONFIG_VAL(STACK)
74#elif defined(CONFIG_INIT_SP_RELATIVE)
75#if CONFIG_POSITION_INDEPENDENT
76	adrp	x0, __bss_start     /* x0 <- Runtime &__bss_start */
77	add	x0, x0, #:lo12:__bss_start
78#else
79	adr	x0, __bss_start
80#endif
81	add	x0, x0, #CONFIG_SYS_INIT_SP_BSS_OFFSET
82#else
83	ldr	x0, =(SYS_INIT_SP_ADDR)
84#endif
85	bic	sp, x0, #0xf	/* 16-byte alignment for ABI compliance */
86	mov	x0, sp
87	bl	board_init_f_alloc_reserve
88	mov	sp, x0
89	/* set up gd here, outside any C code */
90	mov	x18, x0
91	bl	board_init_f_init_reserve
92
93#if defined(CONFIG_DEBUG_UART) && CONFIG_IS_ENABLED(SERIAL)
94	bl	debug_uart_init
95#endif
96
97	mov	x0, #0
98	bl	board_init_f
99
100#if !defined(CONFIG_XPL_BUILD)
101/*
102 * Set up intermediate environment (new sp and gd) and call
103 * relocate_code(addr_moni). Trick here is that we'll return
104 * 'here' but relocated.
105 */
106	ldr	x0, [x18, #GD_START_ADDR_SP]	/* x0 <- gd->start_addr_sp */
107	bic	sp, x0, #0xf	/* 16-byte alignment for ABI compliance */
108	ldr	x18, [x18, #GD_NEW_GD]		/* x18 <- gd->new_gd */
109
110	/* Skip relocation in case gd->gd_flags & GD_FLG_SKIP_RELOC */
111	ldr	x0, [x18, #GD_FLAGS]		/* x0 <- gd->flags */
112	tbnz	x0, 11, relocation_return	/* GD_FLG_SKIP_RELOC is bit 11 */
113
114	adr	lr, relocation_return
115#if CONFIG_POSITION_INDEPENDENT
116	/* Add in link-vs-runtime offset */
117	adrp	x0, _start		/* x0 <- Runtime value of _start */
118	add	x0, x0, #:lo12:_start
119	ldr	x9, _TEXT_BASE		/* x9 <- Linked value of _start */
120	sub	x9, x9, x0		/* x9 <- Run-vs-link offset */
121	add	lr, lr, x9
122#if defined(CONFIG_ENV_RELOC_GD_ENV_ADDR)
123	ldr	x0, [x18, #GD_ENV_ADDR]	/* x0 <- gd->env_addr */
124	add	x0, x0, x9
125	str	x0, [x18, #GD_ENV_ADDR]
126#endif
127#endif
128	/* Add in link-vs-relocation offset */
129	ldr	x9, [x18, #GD_RELOC_OFF]	/* x9 <- gd->reloc_off */
130	add	lr, lr, x9	/* new return address after relocation */
131	ldr	x0, [x18, #GD_RELOCADDR]	/* x0 <- gd->relocaddr */

READING CONTRACT

발췌 범위와 읽기 기준

원문 43-131줄에는 앞뒤 문맥이 포함됩니다. 기준 구문 ENTRY(_main)은 L67에 있습니다. 발췌 첫 줄을 함수 정의의 시작으로 해석하지 않습니다.

x18의 global data 포인터와 SP의 배치를 함께 봐야 한다. 둘 중 하나가 잘못되면 첫 C 함수의 지역 변수나 gd 필드 접근부터 망가진다.

DETAILS

내부 동작을 더 깊게 읽기

진입 조건을 먼저 고정한다

_start에서 들어온 실행은 초기 SRAM에서 실행하는 어셈블리 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.

x18의 global data 포인터와 SP의 배치를 함께 봐야 한다. 둘 중 하나가 잘못되면 첫 C 함수의 지역 변수나 gd 필드 접근부터 망가진다.

중심 객체의 생성과 공개를 나눈다

이 글의 중심 객체는 gd_t / initial stack다. 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

_main → initial SP → gd allocation 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 board_init_f에서 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

SP와 x18은 서로 독립된 두 경계다

AArch64 U-Boot는 x18을 global data pointer로 예약한다. _main은 초기 SRAM 상단에서 stack을 내리고 정렬한 뒤 gd_t 공간을 확보해 x18에 넣으므로 SP가 맞더라도 x18이 틀리면 첫 gd-> 접근에서 잘못된 주소를 읽는다.

compiler가 x18을 일반 register로 사용하지 않도록 toolchain option과 U-Boot ABI가 일치해야 한다. hand-written assembly가 C로 진입하기 전 callee-saved register와 stack alignment도 AAPCS64 조건을 만족해야 한다.

초기 gd는 runtime gd와 수명이 다르다

초기 gd_t는 작은 SRAM stack 근처에 놓이고 DRAM relocation을 준비하는 장부로 쓰인다. DRAM 상단에 새 gd 공간을 예약한 뒤 내용을 복사하고 register를 바꾸므로 pre-relocation gd의 pointer를 static 객체나 device private data에 저장하면 relocation 후 dangling reference가 된다.

gd 안의 모든 pointer가 자동으로 relocation되는 것도 아니다. 필드별로 원래 image 내부 주소인지, heap allocation인지, FDT나 bloblist처럼 명시적으로 옮겨지는 객체인지 구분해야 한다.

stack 여유는 map이 아니라 최악 호출 깊이로 검증한다

초기 stack은 full driver model과 runtime malloc이 없는 상태에서 printf, FDT scan, DRAM init 같은 코드가 사용할 수 있다. 단순히 sizeof(gd_t)와 정적 frame만 더하지 말고 exception frame, nested call, early malloc 영역과의 충돌까지 고려한다.

stack watermark pattern을 채운 뒤 board_init_f() 직전과 반환 직전에 최저 사용 주소를 측정하면 보드 설정 변경에 따른 여유를 수치로 남길 수 있다. debug build의 큰 stack frame도 별도로 측정한다.

OBJECT LIFETIME

객체와 수명

대상	만들어지는 시점	유효 범위	확인할 조건
`gd_t / initial stack`	_main	board_init_f 또는 오류 정리 완료까지	진입 전제와 상태 계약
입력 buffer / metadata	_start	parse와 검증이 끝날 때까지	길이, 정렬, 소유권, 변조 가능성
등록된 list / descriptor	initial SP	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	SRAM 크기 오판	stack overwrite	_main
02	x18 초기화 누락	gd 접근 fault	initial SP
03	BSS 사용 시점 오류	초기값 오염	gd allocation

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	전처리 결과	`make <board>_defconfig && make V=1`	선택된 CONFIG와 실제 compile/link 명령을 보관한다.
02	symbol과 section	`${CROSS_COMPILE}nm -n u-boot \| grep 'ENTRY'`	symbol 주소가 기대한 stage와 image에 들어갔는지 확인한다.
03	어셈블리 대조	`${CROSS_COMPILE}objdump -drS u-boot`	C 한 줄이 실제 branch, relocation, memory access로 어떻게 바뀌었는지 본다.
04	주소 배치	`bdinfo`	relocaddr, malloc, FDT, stack과 DRAM bank 주소를 한 번에 기록한다.
05	runtime 관찰	`dm tree; dm uclass; printenv`	driver model과 환경이 이 단계에서 실제로 공개되었는지 확인한다.

LAB

직접 확인할 실험

01
_main 진입 전후 SP/x18 덤프
_main 진입 전후에 SRAM top의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.
02
map 파일에서 초기 stack 심볼 확인
initial SP 진입 전후에 stack frame의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.
03
gd 크기 변경 후 정렬과 여유 공간 재검사
gd allocation 진입 전후에 global data의 주소·크기·반환값과 timestamp를 함께 남긴다.

PRIMARY REFERENCES

원문과 다음 글

arch/arm/lib/crt0_64.Sv2026.07 원본 파일 U-Boot source tree기준 commit ece349ade297