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Boot / Init · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

setup_arch()

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 위치와 링크를 맞춘 원본 코드 분석 노트입니다. arch-specific memory, dtb, cpu, paging setup.

전체 흐름

부팅 코드는 이미 완성된 커널 위에서 실행되는 코드가 아니다. allocator, scheduler, IRQ, RCU, driver core가 아직 부분적으로만 준비된 상태에서 다음 단계의 전제 조건을 만드는 코드다. 따라서 함수 호출 순서보다 '이 호출 이후 무엇이 가능해지는가'를 표시해야 한다.

핵심 확인 사항

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

오류 처리 확인

정상 경로와 실패 경로를 함께 확인한다. 성공 경로뿐 아니라 오류 복구, hotplug, 해제 과정에서 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.

그림 1. setup_arch() 이 kernel 안에서 놓이는 위치
bootloader stateFDT, initrd, command line, image placement
early kernelmemblock, early params, boot CPU identity
generic initallocator, scheduler, IRQ, timekeeping
pid 1 / kthreaddinitcall, rootfs, userspace handoff

왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 각 코드 조각이 어느 단계에 해당하는지 대조한다.

소스 코드 위치

먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 파일

원본 코드:
Linux 6.18.37 LTS: arch/arm64/kernel/setup.c
Linux 6.18.37 LTS: arch/arm64/mm/init.c
Linux 6.18.37 LTS: arch/arm64/mm/mmu.c
Linux 6.18.37 LTS: drivers/of/fdt.c

설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.

대표 코드

setup_machine_fdt

원본 코드: arch/arm64/kernel/setup.c, 179행 부근

	early_fixmap_init();
	early_fdt_ptr = fixmap_remap_fdt(dt_phys, &fdt_size, PAGE_KERNEL);
}

static void __init setup_machine_fdt(phys_addr_t dt_phys)
{
	int size;
	void *dt_virt = fixmap_remap_fdt(dt_phys, &size, PAGE_KERNEL);
	const char *name;

	if (dt_virt)
		memblock_reserve(dt_phys, size);

	if (!dt_virt || !early_init_dt_scan(dt_virt)) {
		pr_crit("\n"
			"Error: invalid device tree blob at physical address %pa (virtual address 0x%px)\n"
			"The dtb must be 8-byte aligned and must not exceed 2 MB in size\n"
			"\nPlease check your bootloader.",
			&dt_phys, dt_virt);

		/*
		 * Note that in this _really_ early stage we cannot even BUG()
		 * or oops, so the least terrible thing to do is cpu_relax(),
		 * or else we could end-up printing non-initialized data, etc.
		 */
		while (true)
			cpu_relax();
	}

	/* Early fixups are done, map the FDT as read-only now */
	fixmap_remap_fdt(dt_phys, &size, PAGE_KERNEL_RO);

	name = of_flat_dt_get_machine_name();
	if (!name)
		return;

	pr_info("Machine model: %s\n", name);
	dump_stack_set_arch_desc("%s (DT)", name);
}

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

arm64_memblock_init

원본 코드: arch/arm64/kernel/setup.c, 340행 부근
			pr_warn(FW_BUG "Kernel image misaligned at boot, please fix your bootloader!");
		WARN_TAINT(mmu_enabled_at_boot, TAINT_FIRMWARE_WORKAROUND,
			   FW_BUG "Booted with MMU enabled!");
	}

	arm64_memblock_init();

	paging_init();

	acpi_table_upgrade();

	/* Parse the ACPI tables for possible boot-time configuration */
	acpi_boot_table_init();

	if (acpi_disabled)
		unflatten_device_tree();

	bootmem_init();

	kasan_init();

	request_standard_resources();

	early_ioremap_reset();

	if (acpi_disabled)
		psci_dt_init();
	else
		psci_acpi_init();

	init_bootcpu_ops();
	smp_init_cpus();
	smp_build_mpidr_hash();

	/* Init percpu seeds for random tags after cpus are set up. */
	kasan_init_sw_tags();

#ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
	/*
	 * Make sure init_thread_info.ttbr0 always generates translation

확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.

함수별 분석

arm64가 bootloader에게 받은 FDT, memory map, CPU feature, initrd 위치를 generic kernel이 이해할 수 있는 상태로 정규화하는 관문이다.

이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.

그림 2. setup_arch() 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
setup_machine_fdtDTB magic과 위치가 검증됨
arm64_memblock_initkernel image와 initrd가 제외됨
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.

1. setup_machine_fdt

setup_machine_fdt 주변에서는 boot_command_line를 중심으로 본다. 이 필드는 early param과 일반 param으로 갈라질 문자열 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 FDT accepted 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 DTB magic과 위치가 검증됨을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: FDT 주소를 virtual address처럼 해석함

2. arm64_memblock_init

arm64_memblock_init 주변에서는 initial_boot_params를 중심으로 본다. 이 필드는 FDT 물리 주소와 lifetime 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 memory reserved 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 kernel image와 initrd가 제외됨을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: reserved-memory와 kernel image 겹침을 늦게 발견함

함수입력상태 변경검증 질문
setup_machine_fdtboot_command_line, caller context, subsystem 전제 조건FDT accepted: DTB magic과 위치가 검증됨FDT 주소를 virtual address처럼 해석함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
arm64_memblock_initinitial_boot_params, caller context, subsystem 전제 조건memory reserved: kernel image와 initrd가 제외됨reserved-memory와 kernel image 겹침을 늦게 발견함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. setup_arch() 핵심 필드 연결
boot_command_lineearly param과 일반 param으로 갈라질 문자열
initial_boot_paramsFDT 물리 주소와 lifetime
memblock.memoryRAM interval의 원본
initrd_start/initrd_endrootfs 후보의 물리 배치

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

필드읽는 법확인
boot_command_lineearly param과 일반 param으로 갈라질 문자열누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
initial_boot_paramsFDT 물리 주소와 lifetime누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
memblock.memoryRAM interval의 원본누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
initrd_start/initrd_endrootfs 후보의 물리 배치누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인

실행 단계와 상태 변화

실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.

그림 4. setup_arch() 실행 단계
FDT acceptedDTB magic과 위치가 검증됨
memory reservedkernel image와 initrd가 제외됨
paging preparedlinear map과 fixmap 전제가 생김
arch hooks donegeneric init이 arch state를 소비 가능

화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
FDT acceptedDTB magic과 위치가 검증됨앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
memory reservedkernel image와 initrd가 제외됨앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
paging preparedlinear map과 fixmap 전제가 생김앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
arch hooks donegeneric init이 arch state를 소비 가능앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
setup_arch() 검토 기준 = 상태 변화 + 소유권 변화 + 외부 공개 시점

불변 조건과 실패 사례

lifetime

setup_arch()의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

오류 복구

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

FDT 주소를 virtual address처럼 해석함

주의

reserved-memory와 kernel image 겹침을 늦게 발견함

주의

setup_arch 이후에만 가능한 allocator를 이전 단계에서 사용함

계측과 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

도구보는 것해석
earlyconsetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
memblock=debugsetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
ftrace function_graph:setup_archsetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
dtc -I fs /proc/device-treesetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
기본 추적 경로:
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

추가 확인 사항

  • setup_arch() 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
  • setup_arch() 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
  • 실험으로 확인한다면 'FDT 주소를 virtual address처럼 해석함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
  • 실험으로 확인한다면 'reserved-memory와 kernel image 겹침을 늦게 발견함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?