20.4 SMP多核启动以及CPU热插拔驱动
在Linux系统中，对于多核的ARM芯片，在Bootrom代码中，每个CPU都会识别自身ID，如果ID是0，则引导Bootloader和Linux内核执行，如果ID不是0，则Bootrom一般在上电时将自身置于WFI（WaitFortInerrupt）或者WFE（WaitForEvent）状态，并等待CPU0给其发CPU核间中断或事件（一般通过SEV指令）以唤醒它。一个典型的多核Linux启动过程如图20.6所示。
图20.6 一个典型的多核Linux启动过程
被CPU0唤醒的CPUn可以在运行过程中进行热插拔，如运行如下命令即可卸载CPU1，并且将CPU1上的任务全部迁移到其他CPU中：
echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu1/online
同理，运行如下命令可以再次启动CPU1：
echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu1/online
之后CPU1会主动参与系统中各个CPU之间要运行任务的负载均衡工作。
CPU0唤醒其他CPU的动作在内核中被封装为一个smp_operations的结构体，对于ARM而言，定义于
arch/arm/include/asm/smp.h中。该结构体的成员函数如代码清单20.8所示。
代码清单20.8 smp_operations结构体
struct smp_operations {
#ifdef CONFIG_SMP
/*
* Setup the set of possible CPUs (via set_cpu_possible)
*/
void (*smp_init_cpus)(void);
/*
* Initialize cpu_possible map, and enable coherency
*/
void (*smp_prepare_cpus)(unsigned int max_cpus);
/*
* Perform platform specific initialisation of the specified CPU.
*/
void (*smp_secondary_init)(unsigned int cpu);
/*
* Boot a secondary CPU, and assign it the specified idle task.
* This also gives us the initial stack to use for this CPU.
*/
int (*smp_boot_secondary)(unsigned int cpu, struct task_struct *idle);
#ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
int (*cpu_kill)(unsigned int cpu);
void (*cpu_die)(unsigned int cpu);
bool (*cpu_can_disable)(unsigned int cpu);
int (*cpu_disable)(unsigned int cpu);
#endif
#endif
};
从arch/arm/mach-vexpress/v2m.c中看到VEXPRESS电路板用到的smp_ops（）为vexpress_smp_ops：
DT_MACHINE_START(VEXPRESS_DT, "ARM-Versatile Express")
.dt_compat = v2m_dt_match,
.smp = smp_ops(vexpress_smp_ops),
.map_io = v2m_dt_map_io,
…
MACHINE_END
通过arch/arm/mach-vexpress/platsmp.c的实现代码可以看出，smp_operations的
成员函数smp_init_cpus（），即vexpress_smp_init_cpus（）调用的ct_ca9x4_init_cpu_map（）会探测SoC内CPU核的个数，并通过set_cpu_possible（）设置这些CPU可见。
而smp_operations的成员函数smp_prepare_cpus（），即vexpress_smp_prepare_cpus（）则会通过
v2m_flags_set（virt_to_phys（versatile_secondary_startup））设置其他CPU的启动地址为
versatile_secondary_startup，如代码清单20.9所示。
代码清单20.9 在smp_prepare_cpus（）中设置CPU1...n的启动地址
static void __init vexpress_smp_prepare_cpus(unsigned int max_cpus)
{
…
/*
* Write the address of secondary startup into the
* system-wide flags register. The boot monitor waits
* until it receives a soft interrupt, and then the
* secondary CPU branches to this address.
*/
v2m_flags_set(virt_to_phys(versatile_secondary_startup));
}
这部分的具体实现方法是与SoC相关的，由芯片的设计以及芯片内部的Bootrom决定。对于VEXPRESS来讲，设置方法如下：
void __init v2m_flags_set(u32 data)
{
writel(~0, v2m_sysreg_base + V2M_SYS_FLAGSCLR);
writel(data, v2m_sysreg_base + V2M_SYS_FLAGSSET);
}
即填充v2m_sysreg_base+V2M_SYS_FLAGSCLR标记清除寄存器为0xFFFFFFFF，将CPU1...n初始启动执行的指令地址填入v2m_sysreg_base+V2M_SYS_FLAGSSET寄存器。这两个地址由芯片实现时内部的Bootrom程序设定的。填入CPU1...n的起始地址都通过virt_to_phys（）转化为物理地址，因为此时CPU1...n的MMU尚未开启。
比较关键的是smp_operations的成员函数smp_boot_secondary（），对于本例为
versatile_boot_secondary（），它完成CPU的最终唤醒工作，如代码清单20.10所示。
代码清单20.10 CPU0通过中断唤醒其他CPU
static void write_pen_release(int val)
{
pen_release = val;
smp_wmb();
sync_cache_w(&pen_release);
}
int versatile_boot_secondary(unsigned int cpu, struct task_struct *idle)
{
unsigned long timeout;
...
/*
* This is really belt and braces; we hold unintended secondary
* CPUs in the holding pen until we ’ re ready for them. However,
* since we haven ’ t sent them a soft interrupt, they shouldn ’ t
* be there.
*/
write_pen_release(cpu_logical_map(cpu));//将pen_release变量设置为要唤醒的CPU核的CPU号
cpu_logical_map（cpu），
/*
* Send the secondary CPU a soft interrupt, thereby causing
* the boot monitor to read the system wide flags register,
* and branch to the address found there.
*/
arch_send_wakeup_ipi_mask(cpumask_of(cpu));//给要唤醒的CPU发IPI中断
timeout = jiffies + (1 * HZ);
while (time_before(jiffies, timeout)) {
smp_rmb();
if (pen_release == -1)
break;
udelay(10);
}
...
return pen_release != -1 -ENOSYS : 0;
}
versatile_secondary_startup实现于arch/arm/plat-versatile/headsmp.S中，是汇编，如代码清单20.11所示。
代码清单20.11 被唤醒CPU的执行入口
1ENTRY(versatile_secondary_startup)
2 mrc p15, 0, r0, c0, c0, 5
3 and r0, r0, #15
4 adr r4, 1f
5 ldmia r4, {r5, r6}
6 sub r4, r4, r5
7 add r6, r6, r4
8pen: ldr r7, [r6]
9 cmp r7, r0
10 bne pen
11
12 /*
13 * we ’ ve been released from the holding pen: secondary_stack
14 * should now contain the SVC stack for this core
15 */
16 b secondary_startup
17
18 .align
191: .long .
20 .long pen_release
21ENDPROC(versatile_secondary_startup)
分析：
上述代码第8~10行的循环是等待pen_release变量成为CPU0设置的cpu_logical_map（cpu），一般直接
就成立了。第16行则调用内核通用的secondary_startup（）函数，经过一系列的初始化（如MMU等），最
终新的被唤醒的CPU将调用smp_operations的smp_secondary_init（）成员函数，对于本例为
versatile_secondary_init（），如代码清单20.12所示。
代码清单20.12 被唤醒的CPU恢复pen_release（）
void versatile_secondary_init(unsigned int cpu)
{
/*
* let the primary processor know we ’ re out of the
* pen, then head off into the C entry point
*/
write_pen_release(-1);
/*
* Synchronise with the boot thread.
*/
spin_lock(&boot_lock);
spin_unlock(&boot_lock);
}
上述代码第会将pen_release写为-1，于是CPU0还在执行的代码清单20.10里versatile_boot_secondary（）函数中的如下循环就退出了：
while (time_before(jiffies, timeout)) {
smp_rmb();
if (pen_release == -1)
break;
udelay(10);
}
这样CPU0就知道目标CPU已经被正确地唤醒，此后CPU0和新唤醒的其他CPU各自运行。整个系统在运行过程中会进行实时进程和正常进程的动态负载均衡。
图20.7描述上文提到的vexpress_smp_prepare_cpus（）、versatile_boot_secondary（）、
write_pen_release（）、versatile_secondary_startup（）、versatile_secondary_init（）等函数的执行顺序。
图20.7 CPU0唤醒其他CPU过程
CPU热插拔的实现是与芯片相关的，对于VEXPRESS，实现了smp_operations的cpu_die（）成员函数，即vexpress_cpu_die（）。它会在进行CPUn的拔除操作时将CPUn投入低功耗的WFI状态，相关代码位于arch/arm/mach-vexpress/hotplug.c中，如代码清单20.13所示。
代码清单20.13 smp_operations的cpu_die（）成员函数
static inline void platform_do_lowpower(unsigned int cpu, int *spurious)
{
/*
* there is no power-control hardware on this platform, so all
* we can do is put the core into WFI; this is safe as the calling
* code will have already disabled interrupts
*/
for (;;) {
wfi();
if (pen_release == cpu_logical_map(cpu)) {
/*
* OK, proper wakeup, we're done
*/
break;
}
/*
* Getting here, means that we have come out of WFI without
* having been woken up - this shouldn't happen
*
* Just note it happening - when we're woken, we can report
* its occurrence.
*/
(*spurious)++;
}
}
/*
* platform-specific code to shutdown a CPU
*
* Called with IRQs disabled
*/
void vexpress_cpu_die(unsigned int cpu)
{
int spurious = 0;
/*
* we're ready for shutdown now, so do it
*/
cpu_enter_lowpower();
platform_do_lowpower(cpu, &spurious);
/*
* bring this CPU back into the world of cache
* coherency, and then restore interrupts
*/
cpu_leave_lowpower();
if (spurious)
pr_warn("CPU%u: %u spurious wakeup calls\n", cpu, spurious);
}
分析：
CPUn睡眠于wfi（），之后再次在线的时候，又会因为CPU0给它发出的IPI而从wfi（）函数返回继续执行，醒来时CPUn也判断“pen_release==cpu_logical_map（cpu）”是否成立，以确定该次醒来确实是由
CPU0唤醒的一次正常醒来。