启动流程

本节详细介绍 QEMU RISC-V virt 虚拟机下 rCore 系统的启动流程，包括内存映射、固件动态信息结构、复位向量（Reset Vector）指令分析等内容。建议在完成环境准备后阅读本节内容。

如需调试启动流程，可参考代码调试章节，结合 GDB 工具进行单步跟踪和内存检视。

内存映射

系统启动可以看成是从内存某个地址开始执行代码，启动完成后跳转到另一个地址继续运行。而这些地址的意义依赖于内存映射。因此，我们需要了解内存映射。

QEMU RISC-V virt 虚拟机的内存映射表定义在以下文件：

qemu-7.0.0/hw/riscv/virt.c

static const MemMapEntry virt_memmap[] = {
    [VIRT_DEBUG] =       {        0x0,         0x100 },
    [VIRT_MROM] =        {     0x1000,        0xf000 },
    [VIRT_TEST] =        {   0x100000,        0x1000 },
    [VIRT_RTC] =         {   0x101000,        0x1000 },
    [VIRT_CLINT] =       {  0x2000000,       0x10000 },
    [VIRT_ACLINT_SSWI] = {  0x2F00000,        0x4000 },
    [VIRT_PCIE_PIO] =    {  0x3000000,       0x10000 },
    [VIRT_PLIC] =        {  0xc000000, VIRT_PLIC_SIZE(VIRT_CPUS_MAX * 2) },
    [VIRT_APLIC_M] =     {  0xc000000, APLIC_SIZE(VIRT_CPUS_MAX) },
    [VIRT_APLIC_S] =     {  0xd000000, APLIC_SIZE(VIRT_CPUS_MAX) },
    [VIRT_UART0] =       { 0x10000000,         0x100 },
    [VIRT_VIRTIO] =      { 0x10001000,        0x1000 },
    [VIRT_FW_CFG] =      { 0x10100000,          0x18 },
    [VIRT_FLASH] =       { 0x20000000,     0x4000000 },
    [VIRT_IMSIC_M] =     { 0x24000000, VIRT_IMSIC_MAX_SIZE },
    [VIRT_IMSIC_S] =     { 0x28000000, VIRT_IMSIC_MAX_SIZE },
    [VIRT_PCIE_ECAM] =   { 0x30000000,    0x10000000 },
    [VIRT_PCIE_MMIO] =   { 0x40000000,    0x40000000 },
    [VIRT_DRAM] =        { 0x80000000,           0x0 },
};

我们重点关注下表中的两个关键设备：

Identifier	Base	Size	Description
`VIRT_MROM`	`0x1000`	`0xf000`	Mask Read-only memory
`VIRT_DRAM`	`0x80000000`	-	Dynamic random-access memory

MROM（掩模只读存储器）

MROM（Mask ROM）是 QEMU RISC-V virt 虚拟机中的掩模只读存储器，物理地址起始于 0x1000。根据 QEMU 源码（hw/riscv/boot.c），MROM 区域存放着系统的复位向量（Reset Vector），即上电后 CPU 首先执行的启动指令。

DRAM（动态随机存取存储器）

DRAM（Dynamic RAM）是 QEMU RISC-V virt 虚拟机中的动态随机存取存储器，物理地址起始于 0x80000000。根据 QEMU 源码（hw/riscv/virt.c），DRAM 区域用于存放 SBI 固件（如 OpenSBI）的代码和数据，即后续启动阶段所需的固件映像。

固件动态信息

在深入分析 Reset Vector 启动指令之前，需要先了解固件动态信息的数据结构，因为启动指令的第一步就会用到该结构的地址。

固件动态信息的数据结构基于 OpenSBI 项目，相关定义位于以下文件：

qemu-7.0.0/include/hw/riscv/boot_opensbi.h

/* SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause */
/*
 * Copyright (c) 2019 Western Digital Corporation or its affiliates.
 *
 * Based on include/sbi/{fw_dynamic.h,sbi_scratch.h} from the OpenSBI project.
 */
#ifndef OPENSBI_H
#define OPENSBI_H

/** Expected value of info magic ('OSBI' ascii string in hex) */
#define FW_DYNAMIC_INFO_MAGIC_VALUE     0x4942534f

/** Maximum supported info version */
#define FW_DYNAMIC_INFO_VERSION         0x2

/** Possible next mode values */
#define FW_DYNAMIC_INFO_NEXT_MODE_U     0x0
#define FW_DYNAMIC_INFO_NEXT_MODE_S     0x1
#define FW_DYNAMIC_INFO_NEXT_MODE_M     0x3

enum sbi_scratch_options {
    /** Disable prints during boot */
    SBI_SCRATCH_NO_BOOT_PRINTS = (1 << 0),
    /** Enable runtime debug prints */
    SBI_SCRATCH_DEBUG_PRINTS = (1 << 1),
};

/** Representation dynamic info passed by previous booting stage */
struct fw_dynamic_info {
    /** Info magic */
    target_long magic;
    /** Info version */
    target_long version;
    /** Next booting stage address */
    target_long next_addr;
    /** Next booting stage mode */
    target_long next_mode;
    /** Options for OpenSBI library */
    target_long options;
    /**
     * Preferred boot HART id
     *
     * It is possible that the previous booting stage uses same link
     * address as the FW_DYNAMIC firmware. In this case, the relocation
     * lottery mechanism can potentially overwrite the previous booting
     * stage while other HARTs are still running in the previous booting
     * stage leading to boot-time crash. To avoid this boot-time crash,
     * the previous booting stage can specify last HART that will jump
     * to the FW_DYNAMIC firmware as the preferred boot HART.
     *
     * To avoid specifying a preferred boot HART, the previous booting
     * stage can set it to -1UL which will force the FW_DYNAMIC firmware
     * to use the relocation lottery mechanism.
     */
    target_long boot_hart;
};

#endif

该结构体的各属性含义如下表所示：

Field	Description
`magic`	Info magic
`version`	Info version
`next_addr`	Next booting stage address
`next_mode`	Next booting stage mode
`options`	Options for OpenSBI library
`boot_hart`	Preferred boot HART id

启动指令

在 virt 通用虚拟平台启动后，系统首先执行复位向量（Reset Vector）中的指令，具体定义如下：

qemu-7.0.0/hw/riscv/boot.c

void riscv_setup_rom_reset_vec(MachineState *machine, RISCVHartArrayState *harts,
                               hwaddr start_addr,
                               hwaddr rom_base, hwaddr rom_size,
                               uint64_t kernel_entry,
                               uint32_t fdt_load_addr, void *fdt)
{
    int i;
    uint32_t start_addr_hi32 = 0x00000000;

    if (!riscv_is_32bit(harts)) {
        start_addr_hi32 = start_addr >> 32;
    }
    /* reset vector */
    uint32_t reset_vec[10] = {
        0x00000297,                  /* 1:  auipc  t0, %pcrel_hi(fw_dyn) */
        0x02828613,                  /*     addi   a2, t0, %pcrel_lo(1b) */
        0xf1402573,                  /*     csrr   a0, mhartid  */
        0,
        0,
        0x00028067,                  /*     jr     t0 */
        start_addr,                  /* start: .dword */
        start_addr_hi32,
        fdt_load_addr,               /* fdt_laddr: .dword */
        0x00000000,
                                     /* fw_dyn: */
    };
    if (riscv_is_32bit(harts)) {
        reset_vec[3] = 0x0202a583;   /*     lw     a1, 32(t0) */
        reset_vec[4] = 0x0182a283;   /*     lw     t0, 24(t0) */
    } else {
        reset_vec[3] = 0x0202b583;   /*     ld     a1, 32(t0) */
        reset_vec[4] = 0x0182b283;   /*     ld     t0, 24(t0) */
    }

    /* copy in the reset vector in little_endian byte order */
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(reset_vec); i++) {
        reset_vec[i] = cpu_to_le32(reset_vec[i]);
    }
    rom_add_blob_fixed_as("mrom.reset", reset_vec, sizeof(reset_vec),
                          rom_base, &address_space_memory);
    riscv_rom_copy_firmware_info(machine, rom_base, rom_size, sizeof(reset_vec),
                                 kernel_entry);

    return;
}

结合前述环境准备，通过启动 gdbserver 和 gdbclient，在系统启动后暂停执行，并查看当前 pc 寄存器所指向的指令内容：

x/6i $pc

即可查看接下来将要执行的 6 条指令。

   0x1000:	auipc	t0,0x0
   0x1004:	addi	a2,t0,40
   0x1008:	csrr	a0,mhartid
   0x100c:	ld	a1,32(t0)
   0x1010:	ld	t0,24(t0)
   0x1014:	jr	t0

执行前两条指令：

   0x1000:	auipc	t0,0x0
   0x1004:	addi	a2,t0,40

执行完上述两条指令后，a2 寄存器被赋值为 0x0000000000001028，即 fw_dyn 的地址。接下来可使用内存查看命令：

x/6gx $a2

以检视该地址处的固件动态信息内容。执行后，终端将输出如下内容：

0x1028:	0x000000004942534f	0x0000000000000002
0x1038:	0x0000000000000000	0x0000000000000001
0x1048:	0x0000000000000000	0x0000000000000000

各字段的含义如下：

0x000000004942534f：magic，标识固件动态信息的起始（'OSBI' 的 ASCII 编码）
0x0000000000000002：version，版本号为 0x2，符合最大支持版本
0x0000000000000000：next_addr，下一启动阶段地址（此处为 0x0，表示尚未指定）
0x0000000000000001：next_mode，下一个启动模式为 S 态
0x0000000000000000：options，未设置任何选项
0x0000000000000000：boot_hart，首选启动 HART id 为 0x0

由于这部分信息主要供 SBI 使用，在深入学习 SBI 之前，暂时无需关心这些字段为何如此设置，可以先跳过。

第三条指令：

   0x1008:	csrr	a0,mhartid

执行该指令后，硬件线程 ID 被写入 a0 寄存器，其值为 0x0。

随后执行的指令为：

   0x100c:	ld	a1,32(t0)
   0x1010:	ld	t0,24(t0)

执行上述指令后，

a1 寄存器被赋值为 0x0000000087000000，表示设备树的地址
t0 寄存器被赋值为 0x0000000080000000，表示 SBI 的起始地址

最后一条指令：

   0x1014:	jr	t0

执行该指令后，系统将跳转到 SBI 的起始地址，本阶段的启动流程就告一段落，接下来将进入并执行 SBI 阶段的相关代码。

本节内容主要聚焦于 QEMU RISC-V virt 虚拟机下的 rCore 启动流程。

若需进一步调试启动过程、查看寄存器和内存内容，请参考代码调试章节。

内存映射​

MROM（掩模只读存储器）​

DRAM（动态随机存取存储器）​

固件动态信息​

启动指令​

内存映射

MROM（掩模只读存储器）

DRAM（动态随机存取存储器）

固件动态信息

启动指令