基于QEMU+OpenSBI+edk2的riscv启动流程解析

目标：了解riscv平台，基于QEMU+OpenSBI+edk2的启动流程

主要回答以下几个关键问题：

1. QEMU启动流程中QEMU 、 OpenSBI 、 UEFI的职责分别是什么？
2. DT（Device Tree）如何在QEMU 、 OpenSBI 、 UEFI 、 Linux间流转？
3. QEMU 、 OpenSBI 、 UEFI固件之间的跳转点及参数传递是什么？

以下面的qemu-system-riscv64启动参数为例，结合源码进行分析：

qemu-system-riscv64 \
    -M virt,pflash0=pflash0,pflash1=pflash1,acpi=off,accel=tcg \
    -m 8192 \
    -smp 2 \
    -serial mon:stdio \
    -bios opensbi/build/platform/generic/firmware/fw_dynamic.bin  \
    -blockdev node-name=pflash0,driver=file,read-only=on,filename=RISCV_VIRT_CODE.fd \
    -blockdev node-name=pflash1,driver=file,filename=RISCV_VIRT_VARS.fd

主要流程如下：

名词解释

设备树相关名词解释：

• DT (Device Tree)：DT 是一种描述硬件拓扑与资源的抽象数据结构规范，是一棵逻辑树
  

• DTS (Device Tree Source)：DTS 是 DT 的一种"文本表示形式"内核工程师、固件工程师真正"写"的东西
  

• DTB (Device Tree Blob)：DTB 是 DTS 编译后的二进制文件，由 dtc 生成，一般存在于SPI Flash、UEFI firmware volume、/boot 目录等。是"可以被传递、加载、校验的实体"。
  

• FDT（Flattened Device Tree）：FDT 是 DTB 在内存中的"线性布局表示"在代码里看到的其实都是 FDT
  

1. 工程介绍与代码分析

• Qemu
  • https://github.com/qemu/qemu
  • QEMU (Quick Emulator) 是一个通用且开源的机器与用户空间模拟器及虚拟化器，为完整计算机系统提供了全面的模拟功能。
• Opensbi
  • https://github.com/riscv-software-src/opensbi
  • RISC-V Supervisor Binary Interface (SBI) 是运行在 M-mode 的平台特定固件与更高特权级软件之间的推荐接口。OpenSBI 提供了一个在 M-mode 执行的开源参考实现，RISC-V 平台和 SoC 供应商可以轻松扩展它以适应其特定的硬件配置。
• EDK2
  • https://github.com/tianocore/edk2
  • EDK II（EFI 开发工具包 II）是一个现代、功能丰富、跨平台的固件开发环境，用于实现符合 UEFI（统一可扩展固件接口）标准的固件。

QEMU相关源码解析

hw/riscv/virt.c

参数解析-->硬件初始化 --> 固件加载与启动决策

1. 硬件初始化阶段(virt_machine_init)

   • 创建 CPU/HART 与中断控制器：遍历 socket，创建 TYPE_RISCV_HART_ARRAY，根据 aia/aclint/tcg 选择 PLIC/ACLINT/CLINT 等中断相关设备。
   • 创建 Flash 设备: 由于传入了 pflash0=pflash0，代码通过 virt_flash_create 和 virt_flash_map 将 Flash 设备映射到地址 0x20000000。
   • 内存初始化: 根据 -m 8192，将 8GB RAM 映射到 0x80000000 开始的区域。
   • 外设：创建 virtio-mmio、PCIe、platform-bus、UART、RTC 等设备并连接 IRQ。
   • 设备树：如果没有用户提供 dtb，动态生成 FDT
   • 注册完成回调：注册 virt_machine_done，用于在初始化结束后加载固件/FDT/reset_vec。

2. 固件加载与启动决策阶段 (virt_machine_done)

   ① 加载 OpenSBI 到 RAM

   • firmware_end_addr = riscv_find_and_load_firmware(machine, firmware_name, &start_addr, NULL);
   • QEMU 将 -bios 指定的fw_dynamic.bin加载到 RAM 中（通常是 0x80000000处）。
   • 变量start_addr被更新为 OpenSBI 在 RAM 中的入口地址。

   ② 检测 Flash 并决定下一步跳转edk2地址pflash

   • pflash_blk0 = pflash_cfi01_get_blk(s->flash[0]);
     kernel_entry = s->memmap[VIRT_FLASH].base; // 设置下一步入口为 0x20000000 (Flash)
     关键结果: kernel_entry被强制修改为 Flash 的基地址 (0x20000000)。这意味着 QEMU 决定：OpenSBI 运行完后，应该去执行 Flash 里的代码 (EDK2)。

   ③加载FDT到RAM

   • 将初始化动态生成的FDT放入 DRAM 高地址处（靠近 DRAM 末尾）。

   ④ 设置复位向量 (Reset Vector)， riscv_setup_rom_reset_vec (在 boot.c)

   • 把 reset_vec 写到 rom_base（MROM 起始地址）后，客户机 CPU 在复位时会从 rom_base 取指执行，按顺序执行这些指令。
     ⑤ 构造smbios、ACPI（若有）

3. 复位向量生成细节 (riscv_setup_rom_reset_vec)

• 生成 MROM 启动指令:

  • 在 0x1000 (MROM) 处写入几条汇编指令。
  • 指令的作用是跳转到 start_addr (即 RAM 中的 OpenSBI)。
    

• 生成 OpenSBI 引导信息 (riscv_rom_copy_firmware_info):

  • 该函数构建一个 fw_dynamic_info 结构体， - 存放在 MROM 中并通过寄存器 a2 传递给 OpenSBI。
    
    总结：QEMU virt启动的3个阶段：
    

2. OpenSBI源码解析------OpenSBI入口

OpenSBI入口，基于 fw_dynamic 的启动流程（fw_base.S、fw_dynamic.S）:

1. 进入 _start：调用 fw_boot_hart（fw_dynamic 会校验 fw_dynamic_info，若版本≥2可返回 boot_hart，否则返回 -1），决定是否进入启动核/仲裁流程。
2. 完成重定位、清 BSS、设置临时 trap 和栈。
3. 调用 fw_save_info：fw_dynamic 把 a1（FDT 地址）保存为 next_arg1，并从 fw_dynamic_info 读取 next_addr、next_mode、options（以及可选 boot_hart）缓存起来。
4. fw_platform_init 初始化平台信息。
5. 为每个 HART 初始化 scratch（含 fw_next_arg1、fw_next_addr、fw_next_mode、fw_options 的返回值）。
6. 如 a1 非零，执行 FDT 迁移（把上一阶段传入的 FDT 复制到 fw_next_arg1 指定的新地址）。
7. 标记启动核完成，跳转到 _start_warm。
8. _start_warm：为每个 HART 设置 scratch、栈、trap handler，清 MDT，然后调用 sbi_init 正式进入 OpenSBI 运行时。

sbi_init流程

fw_base.S 中已经为每个 HART 构建并填好 scratch（含 next_addr/next_mode/next_arg1），并把当前 HART 的 scratch 指针写入 MSCRATCH；sbi_init 只是读取这些结果并开始后续工作。 sbi_init 主要流程如下：

1. 入口条件检查阶段
   • 基于 scratch->next_mode 判断平台硬件是否支持。
   • 若不支持直接挂起。
2. 冷启动选择阶段
   • 通过平台许可 + 原子抽签决定当前 HART 是否为 coldboot。
   • 只允许支持 next_mode 的 HART 参与。
3. 平台最早期初始化阶段
   • 调 sbi_platform_nascent_init 做极早期平台初始化。仅做一件事：如果检测到 M‑level IMSIC，则调用 imsic_local_irqchip_init() 初始化本地 IMSIC（M 态本地中断控制器）。不涉及 FDT 解析、串口、timer 等；这些属于 generic_early_init/final_init 阶段。更早的 fw_platform_init（在 fw_base.S 调用）负责从 FDT 统计 HART 数、构建 platform 结构等，但它不属于 nascent_init。
4. 初始化主流程阶段
   • coldboot：执行全局初始化（scratch/heap/domain/irq/ipc/timer/pmu/域收尾等）。
   • warmboot：等待 coldboot 完成后执行每核必要初始化。

完成冷/热启动初始化后，后续流程会依据 scratch->next_addr/next_mode 切换到下一阶段（EDK2），从而把控制权交出去。

OpenSBI源码解析------"启下"

1. 准备下一阶段参数（来自 scratch）
   • scratch->next_addr：下一阶段入口地址（fw_dynamic 由 fw_dynamic_info 给出）。
   • scratch->next_mode：下一阶段特权级（S/U/M）。
   • scratch->next_arg1：作为下一阶段 a1（通常是 FDT 地址）。
   • 这些在 firmware/fw_base.S 的 _scratch_init 被写入。
2. OpenSBI 最终通过 sbi_hart_switch_mode() 完成跳转：
   • 写 MSTATUS/MEPC，设置目标模式向量/寄存器，然后 mret 跳到 next_addr。
     见 lib/sbi/sbi_hart.c。
3. 传递的参数
   • a0：当前 hartid（sbi_hart_switch_mode 的 arg0）。
   • a1：scratch->next_arg1（FDT 地址，在 firmware/fw_base.S 中赋值的）。
     mret 前把这两个值绑定到 a0/a1 传给下一阶段edk2。
4. 整体承接关系
   • 上一阶段（fw_base/fw_dynamic）只负责把 next_addr/next_mode/next_arg1 填好并进入 sbi_init。

• sbi_init 完成平台与 HART 初始化后，调用跳转逻辑，把控制权交给下一阶段入口，并按约定传参。

edk2源码解读

OvmfPkg/RiscVVirt

总体定位： OvmfPkg/RiscVVirt为 QEMU 的 RISC‑V virt 平台提供 OVMF 固件实现，作为 S‑mode 负载配合 OpenSBI，默认是"PEI-less"启动路径。

下面分2部分解读该部分代码：

• edk2入口解读
• PEI-less启动路径解读

Edk2的入口： edk2/OvmfPkg/RiscVVirt/Library/PlatformSecLib/SecEntry.S

在 RISC‑V 调用约定下，参数通过 a0--a3 传入：

• BootHartId（a0）和 DeviceTreeAddress（a1）由上一阶段（ OpenSBI）在跳转到 _ModuleEntryPoint 前设置。
• TempRamBase（a2）和 TempRamSize（a3）在汇编入口里由 PCD 读取并写入，然后调用 SecStartupPlatform()。

PEI-less启动路径解读------SecStartupPlatform

1. 记录并计算临时栈：根据 TempRamBase+SizeOfRam 预留 SIZE_16KB 作为栈，得到 SecStackBase/SecStackSize。
2. 启用浮点与异常：调用 InitializeFloatingPointUnits() 设置 sstatus.FS，并用 InitializeCpuExceptionHandlers() 安装默认异常处理。
3. 创建 HOB 列表：HobConstructor() 用临时内存建立 HOB 列表头，PrePeiSetHobList() 将其写入 sscratch，供后续阶段获取。
4. 构建栈 HOB：BuildStackHob() 把栈区记录进 HOB。
5. 解析FDT并用HOB的方式重新描述：SecPlatformMain(NULL) 走 PEI-less 路径，通过解析FDT中的设备资源，执行内存/CPU/平台初始化，并用HOB描述这些资源。并使用BuildGuidDataHob的方式传递给后续的阶段。
6. 运行库构造函数：ProcessLibraryConstructorList()。
7. 解压 BFV：FfsFindNextFile() 找到DXE FV 文件，FfsProcessFvFile() 解压到内存。
8. 加载并跳转 DXE：LoadDxeCoreFromFv() 加载 DXE Core 并转移控制权。

4. 总体流程总结

Step 0：QEMU 上电后的"假 BootROM 行为",模拟"芯片上电后世界已经准备好"的状态

QEMU 做了 4 件关键的事

• 构造 Device Tree（DTB）
• 把 DTB 放到内存某个地址
• 为OpenSBI运行准备好参数
• 把 PC 设置为 OpenSBI 的入口

Step 1：OpenSBI 的第一条指令（M-mode）

此时世界状态是：

• 特权级：M-mode
• PC：_fw_start（OpenSBI）
• a1：DTB 的物理地址（QEMU传的）
• a2： fw_dynamic_info，指示OpenSBI下一阶段的信息（QEMU传的）

DT流转：

DT 在这一刻已经"存在于内存"，OpenSBI 不是创建者，只是第一个消费者。

Step 2：OpenSBI 初始化（仍然是 M-mode），目标是为 S-mode 准备"可生存环境"

OpenSBI 在 M-mode 里做这些事：

• 初始化 hart
• 初始化 timer / IPI
• 建立 SBI 调用入口
• 解析 DT（只读）
  • 识别 CPU
  • 找 PLIC / CLINT
  • 找内存布局
    关键点：OpenSBI 不重新创建 DT，但可以轻微修改DT

Step 3：OpenSBI → UEFI 的关键跳转

OpenSBI 做的事情可以抽象成：

jump_to_supervisor(

next_addr = UEFI_SEC_ENTRY,

a0 = hartid,

a1 = dtb_addr

)

此时：

• 特权级：M → S
• DTB 地址：原封不动
• PC：UEFI SEC 入口

Step 4：UEFI SEC 阶段（S-mode）

UEFI 看到的"世界"是：

• S-mode
• 内存可用
• DTB 已存在
• 有 SBI 可以调用

SEC 只做三件事：

• 建立最小执行环境
• 保存 DTB 地址
• 跳到 PEI

Step 5：UEFI PEI 阶段（DT → HOB）

PEI 做的事：

• 从 DT 中解析：
  • 内存
  • CPU
  • 外设
• 把这些信息转成 HOB（UEFI 内部数据结构）
• 加载DXE

Step 6：UEFI DXE → BDS → Linux

DXE 阶段做的事：

• 加载驱动
• 枚举 PCIe
• 构建 ACPI（如果有）

最后：

• UEFI 把 DT（或 ACPI）再次作为启动参数交给 Linux

5. 问题回归

1. QEMU启动流程中QEMU 、 OpenSBI 、 UEFI的职责分别是什么？
   • QEMU 是"假想中的完美硬件 + BootROM"
   • OpenSBI 是 唯一的 M-mode 常驻固件，提供 SBI 并完成 M→S 的受控切换
   • UEFI 运行在 S-mode ，是平台与 OS 之间的标准化系统固件，负责把"平台差异"收敛成统一接口（UEFI，向 OS 提供 ACPI 或 DT）
2. DT如何在QEMU 、 OpenSBI 、 UEFI 、 Linux间流转？
   • QEMU 构建 Device Tree，并在 reset vector 中按照 OpenSBI fw_dynamic ABI 设置启动寄存器：a0 = mhartid，a1 = DTB 物理地址，a2 = Firmware Dynamic Information 结构体指针。
   • OpenSBI 读取 DT 中与 M-mode 相关的最小信息 ，完成 M-mode 运行环境和 SBI 初始化，并将 DT 地址通过 a1寄存器传递给 UEFI。
   • UEFI消费DT，用于自身平台初始化，PEI阶段将DT描述成HOB，后面会选择性地将 DT 或 ACPI 表传递给 Linux。
3. QEMU 、 OpenSBI 、 UEFI固件之间的跳转点及传参是什么？
   • QEMU在riscv_setup_rom_reset_vec中写reset vector ，汇编最后jr t0：跳转到 - OpenSBI 入口执行。 fw_dynamic 模式下，传递的参数为：a0（ mhartid ），a1（FDT物理地址），a2（fw_dynamic_info 结构体）
   • OpenSBI 通过 sbi_hart_switch_mode() 切换到 fw_dynamic_info 指定的下一特权级（这里下一特权等级在qemu里设置为S-mode），并跳转到 UEFI 。传递的参数为：a0（当前 hartid ），a1：（FDT 物理地址）