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

함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.

오류 처리 확인

정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 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

왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 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: 진입 함수가 있는 파일과 구조체 정의, 아키텍처별 연결 코드, 콜백 구현을 함께 확인한다. 여러 파일을 대조해야 호출 관계와 각 코드의 역할을 알 수 있다.

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.

원본 코드를 함수별로 나누어 살펴본다. 각 함수가 준비하는 값과 다음 함수가 그 값을 사용하는 방식을 확인한다.

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 단계의 입력과 처리 결과를 연결해 본다. 다음 단계로 넘어가기 전에 바뀌는 필드를 코드에서 확인한다.

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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 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 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 kernel image와 initrd가 제외됨을 전제로 삼을 수 있다.

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

함수입력상태 변경확인할 사항
setup_machine_fdtboot_command_line, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건FDT accepted: DTB magic과 위치가 검증됨FDT 주소를 virtual address처럼 해석함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
arm64_memblock_initinitial_boot_params, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건memory reserved: kernel image와 initrd가 제외됨reserved-memory와 kernel image 겹침을 늦게 발견함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체와 필드

구조체의 필드를 언제 바꿀 수 있고 다른 코드가 언제 읽을 수 있는지 확인한다. 필드의 의미와 함께 잠금 등 접근을 보호하는 규칙을 살펴본다.

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

각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.

어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.

필드읽는 법
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

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 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
memory reservedkernel image와 initrd가 제외됨앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
paging preparedlinear map과 fixmap 전제가 생김앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때
arch hooks donegeneric init이 arch state를 소비 가능앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 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

다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.

오류 복구

중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.

bring-up symptom

임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.

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

로그를 무작정 추가하지 말고 확인할 가설을 먼저 세운다. 상태표에서 처리가 멈춘 단계를 찾은 뒤, 상태를 바꾸는 함수와 그 결과를 사용하는 함수를 함께 살펴본다.

로그가 출력되었다고 처리가 끝난 것으로 판단하지 않는다. 원본 코드에서 로그 앞뒤의 필드 변경을 확인한다.

도구보는 것
earlyconsetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
memblock=debugsetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
ftrace function_graph:setup_archsetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인
dtc -I fs /proc/device-treesetup_arch() 실행이 어느 단계에서 멈추는지 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?