Linux电源管理(3)_Generic PM之Reboot过程

2019-07-14 00:12发布

转自:http://www.wowotech.net/linux_kenrel/reboot.html

1. 前言

在使用计算机的过程中,关机和重启是最先学会的两个操作。同样,这两个操作在Linux中也存在,称作shutdown和restart。这就是本文要描述的对象。 在Linux Kernel中,主流的shutdown和restart都是通过“reboot”系统调用(具体可参考kernel/sys.c)来实现的,这也是本文使用“Generic PM之Reboot过程”作为标题的原因。另外,除了我们常用的shutdown和restart两类操作之外,该系统调用也提供了其它的reboot方式,也会在这里一一说明。

2. Kernel支持的reboot方式

也许你会奇怪,reboot是重启的意思,所以用它实现Restart是合理的,但怎么用它实现关机操作呢?答案是这样的:关机之后,早晚也会开机啊!所以关机是一种特殊的Restart过程,只不过持续的时间有点长而已。所以,内核根据不同的表现方式,将reboot分为如下的几种方式: 1: /* 2: * Commands accepted by the _reboot() system call. 3: * 4: * RESTART Restart system using default command and mode. 5: * HALT Stop OS and give system control to ROM monitor, if any. 6: * CAD_ON Ctrl-Alt-Del sequence causes RESTART command. 7: * CAD_OFF Ctrl-Alt-Del sequence sends SIGINT to init task. 8: * POWER_OFF Stop OS and remove all power from system, if possible. 9: * RESTART2 Restart system using given command string. 10: * SW_SUSPEND Suspend system using software suspend if compiled in. 11: * KEXEC Restart system using a previously loaded Linux kernel 12: */ 13: 14: #define LINUX_REBOOT_CMD_RESTART 0x01234567 15: #define LINUX_REBOOT_CMD_HALT 0xCDEF0123 16: #define LINUX_REBOOT_CMD_CAD_ON 0x89ABCDEF 17: #define LINUX_REBOOT_CMD_CAD_OFF 0x00000000 18: #define LINUX_REBOOT_CMD_POWER_OFF 0x4321FEDC 19: #define LINUX_REBOOT_CMD_RESTART2 0xA1B2C3D4 20: #define LINUX_REBOOT_CMD_SW_SUSPEND 0xD000FCE2 21: #define LINUX_REBOOT_CMD_KEXEC 0x4558454
RESTART,正常的重启,也是我们平时使用的重启。执行该动作后,系统会重新启动。 HALT,停止操作系统,然后把控制权交给其它代码(如果有的话)。具体的表现形式,依赖于系统的具体实现。 CAD_ON/CAD_OFF,允许/禁止通过Ctrl-Alt-Del组合按键触发重启(RESTART)动作。 
注1:Ctrl-Alt-Del组合按键的响应是由具体的Driver(如Keypad)实现的。 POWER_OFF,正常的关机。执行该动作后,系统会停止操作系统,并去除所有的供电。 RESTART2,重启的另一种方式。可以在重启时,携带一个字符串类型的cmd,该cmd会在重启前,发送给任意一个关心重启事件的进程,同时会传递给最终执行重启动作的machine相关的代码。内核并没有规定该cmd的形式,完全由具体的machine自行定义。 SW_SUSPEND,即前一篇文章中描述的Hibernate操作,会在下一篇文章描述,这里就暂不涉及。 KEXEC,重启并执行已经加载好的其它Kernel Image(需要CONFIG_KEXEC的支持),暂不涉及。

3. Reboot相关的操作流程

在Linux操作系统中,可以通过reboot、halt、poweroff等命令,发起reboot,具体的操作流程如下: Reboot相关的操作流程
  • 一般的Linux操作系统,在用户空间都提供了一些工具集合(如常在嵌入式系统使用的Busybox),这些工具集合包含了reboot、halt和poweroff三个和Reboot相关的命令。读者可以参考man帮助文档,了解这些命令的解释和使用说明
  • 用户空间程序通过reboot系统调用,进入内核空间
  • 内核空间根据执行路径的不同,提供了kernel_restart、kernel_halt和kernel_power_off三个处理函数,响应用空间的reboot请求
  • 这三个处理函数的处理流程大致相同,主要包括:向关心reboot过程的进程发送Notify事件;调用drivers核心模块提供的接口,关闭所有的外部设备;调用drivers syscore模块提供的接口,关闭system core;调用Architecture相关的处理函数,进行后续的处理;最后,调用machine相关的接口,实现真正意义上的Reboot
  • 另外,借助TTY模块提供的Sysreq机制,内核提供了其它途径的关机方法,如某些按键组合、向/proc文件写入命令等,后面会详细介绍

4. Reboot过程的内部动作和代码分析

4.1 Reboot系统调用
Reboot系统调用的实现位于“kernel/sys.c”,其函数原型如下: 1: SYSCALL_DEFINE4(reboot, int, magic1, int, magic2, unsigned int, cmd, 2: void __user *, arg) 该函数的参数解释如下:
reboot,该系统调用的名称。 magic1、magic2,两个int类型的“魔力数”,用于防止误操作。具体在“include/uapi/linux/reboot.h”中定义,感兴趣的同学可以去看看(话说这些数字还是蛮有意思的,例如Linus同学及其家人的生日就在里面,猜出来的可以在文章下面留言)。 cmd,第2章所讲述的reboot方式。 arg,其它的额外参数。
reboot系统调用的内部动作比较简单:
1)判断调用者的用户权限,如果不是超级用户(superuser),则直接返回错误(这也是我们再用户空间执行reboot、halt、poweroff等命令时,必须是root用户的原因); 2)判断传入的magic number是否匹配,如果不匹配,直接返回错误。这样就可以尽可能的防止误动作发生; 3)调用reboot_pid_ns接口,检查是否需要由该接口处理reboot请求。这是一个有关pid namespaces的新特性,也是Linux内核重要的知识点,我们会在其它文章中描述,这里就不多说了; 4)如果是POWER_OFF命令,且没有注册power off的machine处理函数(pm_power_off),把该命令转换为HALT命令; 5)根据具体的cmd命令,执行具体的处理,包括, 
      如果是RESTART或者RESTART2命令,调用kernel_restart。 
      如果是CAD_ON或CAD_OFF命令,更新C_A_D的值,表示是否允许通过Ctrl+Alt+Del组合键重启系统。 
      如果是HALT命令,调用kernel_halt。 
      如果是POWER_OFF命令,调用kernel_power_off。 
      如果是KEXEC命令,调用kernel_kexec接口(暂不在本文涉及)。 
      如果是SW_SUSPEND,调用hibernate接口(会在下一章描述); 6)返回上述的处理结果,系统调用结束。
4.2 kernel_restart、kernel_halt和kernel_power_off
这三个接口也位于“kernel/sys.c”,实现比较类似,具体动作包括:
1)调用kernel_xxx_prepare函数,进行restart/halt/power_off前的准备工作,包括, 
      调用blocking_notifier_call_chain接口,向关心reboot事件的进程,发送SYS_RESTART、SYS_HALT或者SYS_POWER_OFF事件。对RESTART来说,还好将cmd参数一并发送出去。 
      将系统状态设置为相应的状态(SYS_RESTART、SYS_HALT或SYS_POWER_OFF)。 
      调用usermodehelper_disable接口,禁止User mode helper(可参考“Linux设备模型(3)_Uevent”相关的描述)。 
      调用device_shutdown,关闭所有的设备(具体内容会在下一节讲述); 2)如果是power_off,且存在PM相关的power off prepare函数(pm_power_off_prepare),则调用该回调函数; 3)调用migrate_to_reboot_cpu接口,将当前的进程(task)移到一个CPU上; 
注2:对于多CPU的机器,无论哪个CPU触发了当前的系统调用,代码都可以运行在任意的CPU上。这个接口将代码分派到一个特定的CPU上,并禁止调度器分派代码到其它CPU上。也就是说,这个接口被执行后,只有一个CPU在运行,用于完成后续的reboot动作。 4)调用syscore_shutdown接口,将系统核心器件关闭(例如中断等); 5)调用printk以及kmsg_dump,向这个世界发出最后的声音(打印日志); 6)最后,由machine-core的代码,接管后续的处理。
4.3 device_shutdown
在理解device_shutdown之前,我们需要回忆一下前几篇有关Linux设备模型的文章。同时,借助对电源管理的解析,我们会把在Linux设备模型系列文章中没有描述的部分补回来。设备模型中和device_shutdown有关的逻辑包括:
  • 每个设备(struct device)都会保存该设备的驱动(struct device_driver)指针,以及该设备所在总线(struct bus_type)的指针(具体参考“Linux设备模型(5)_device和device driver”)
  • 设备驱动中有一个名称为“shutdown”的回调函数,用于在device_shutdown时,关闭该设备(具体参考“Linux设备模型(5)_device和device driver”)
  • 总线中也有一个名称为“shutdown”的回调函数,用于在device_shutdown时,关闭该设备(具体参考“Linux设备模型(6)_Bus”)
  • 系统的所有设备,都存在于“/sys/devices/”目录下,而该目录由名称为“devices_kset”的kset表示。而由“Linux设备模型(2)_Kobject”的描述可知,kset中会使用一个链表保存其下所有的kobject(也即“/sys/devices/”目录下的所有设备)。最终的结果就是,以“devices_kset”为root节点,将内核中所有的设备(以相应的kobject为代表),组织成一个树状结构
介绍完以上的背景知识,我们来看device_shutdown的实现,就非常容易了。该接口位于“drivers/base/core.c”中,执行逻辑如下。 1: /** 2: * device_shutdown - call ->shutdown() on each device to shutdown. 3: */ 4: void device_shutdown(void) 5: { 6: struct device *dev, *parent; 7: 8: spin_lock(&devices_kset->list_lock); 9: /* 10: * Walk the devices list backward, shutting down each in turn. 11: * Beware that device unplug events may also start pulling 12: * devices offline, even as the system is shutting down. 13: */ 14: while (!list_empty(&devices_kset->list)) { 15: dev = list_entry(devices_kset->list.prev, struct device, 16: kobj.entry); 17:  18: /* 19: * hold reference count of device's parent to 20: * prevent it from being freed because parent's 21: * lock is to be held 22: */ 23: parent = get_device(dev->parent); 24: get_device(dev); 25: /* 26: * Make sure the device is off the kset list, in the 27: * event that dev->*->shutdown() doesn't remove it. 28: */ 29: list_del_init(&dev->kobj.entry); 30: spin_unlock(&devices_kset->list_lock); 31:  32: /* hold lock to avoid race with probe/release */ 33: if (parent) 34: device_lock(parent); 35: device_lock(dev); 36:  37: /* Don't allow any more runtime suspends */ 38: pm_runtime_get_noresume(dev); 39: pm_runtime_barrier(dev); 40:  41: if (dev->bus && dev->bus->shutdown) { 42: if (initcall_debug) 43: dev_info(dev, "shutdown "); 44: dev->bus->shutdown(dev); 45: } else if (dev->driver && dev->driver->shutdown) { 46: if (initcall_debug) 47: dev_info(dev, "shutdown "); 48: dev->driver->shutdown(dev); 49: } 50:  51: device_unlock(dev); 52: if (parent) 53: device_unlock(parent); 54:  55: put_device(dev); 56: put_device(parent); 57:  58: spin_lock(&devices_kset->list_lock); 59: } 60: spin_unlock(&devices_kset->list_lock); 61: async_synchronize_full(); 62: }
1)遍历devices_kset的链表,取出所有的设备(struct device); 2)将该设备从链表中删除; 3)调用pm_runtime_get_noresume和pm_runtime_barrier接口,停止所有的Runtime相关的电源管理动作(后续的文章会详细描述有关Runtime PM的逻辑); 4)如果该设备的bus提供了shutdown函数,优先调用bus的shutdown,关闭设备; 5)如果bus没有提供shutdown函数,检测设备driver是否提供,如果提供,调用设备driver的shutdown,关闭设备; 6)直至处理完毕所有的设备。
4.4 system_core_shutdown
system core的shutdown和设备的shutdown类似,也是从一个链表中,遍历所有的system core,并调用它的shutdown接口。后续蜗蜗会专门写一篇文章介绍syscore,这里暂不描述。
4.5 machine_restart、machine_halt和machine_power_off
虽然以machine_为前缀命名,这三个接口却是属于Architecture相关的处理函数,如ARM。以ARM为例,它们在“arch/arm/kernel/process.c”中实现,具体如下。
4.5.1 machine_restart
1: /* 2: * Restart requires that the secondary CPUs stop performing any activity 3: * while the primary CPU resets the system. Systems with a single CPU can 4: * use soft_restart() as their machine descriptor's .restart hook, since that 5: * will cause the only available CPU to reset. Systems with multiple CPUs must 6: * provide a HW restart implementation, to ensure that all CPUs reset at once. 7: * This is required so that any code running after reset on the primary CPU 8: * doesn't have to co-ordinate with other CPUs to ensure they aren't still 9: * executing pre-reset code, and using RAM that the primary CPU's code wishes 10: * to use. Implementing such co-ordination would be essentially impossible. 11: */ 12: void machine_restart(char *cmd) 13: { 14: smp_send_stop(); 15:  16: arm_pm_restart(reboot_mode, cmd); 17:  18: /* Give a grace period for failure to restart of 1s */ 19: mdelay(1000); 20:  21: /* Whoops - the platform was unable to reboot. Tell the user! */ 22: printk("Reboot failed -- System halted "); 23: local_irq_disable(); 24: while (1); 25: }
0)先转述一下该接口的注释; 
对于多CPU的机器来说,Restart之前必须保证其它的CPU处于非活动状态,由其中的一个主CPU负责Restart动作。并且,必须实现一个基于硬件的Restart操作,以保证所有CPU同步Restart,这是设计的重点! 
对于单CPU机器来说,就相对简单了,可以直接用软件reset的方式实现Restart。 1)调用smp_send_stop接口,确保其它CPU处于非活动状态; 2)调用machine-dependent的restart接口,实现真正的restart。该接口是一个回调函数,由“arch/arm/kernel/process.c”声明,由具体的machine代码实现。格式如下: 
      void (*arm_pm_restart)(char str, const char *cmd) = null_restart; 
      EXPORT_SYMBOL_GPL(arm_pm_restart); 3)等待1s; 4)如果没有返回,则restart成功,否则失败,打印错误信息。
4.5.2 machine_halt
ARM的halt很简单,就是将其它CPU停下来,并禁止当前CPU的中断后,死循环!确实,中断被禁止了,又死循环了,不halt才怪。代码如下: 1: /* 2: * Halting simply requires that the secondary CPUs stop performing any 3: * activity (executing tasks, handling interrupts). smp_send_stop() 4: * achieves this. 5: */ 6: void machine_halt(void) 7: { 8: smp_send_stop(); 9:  10: local_irq_disable(); 11: while (1); 12: }
4.5.3 machine_power_off
power off动作和restart类似,即停止其它CPU,调用回调函数。power off的回调函数和restart类似,就不再说明了。

5. 总结与思考

5.1 Architecture和Machine的概念
本文是我们在分析Linux内核时第一次遇到Architecture和Machine的概念,顺便解释一下。内核代码中最常见的目录结构就是:arch/xxx/mach-xxx/(例如arch/arm/mach-bcm/)。由该目录结构可知,Architecture(简称arch)是指具体的体系结构,如ARM、X86等等。Machine呢,是指具体体系结构下的一个或一系列的SOC,如bcm等。
5.2 电源管理驱动(和reboot有关的部分)需要实现内容
由上面的分析可知,在Reboot的过程中,大部分的逻辑是否内核处理的,具体的driver需要关注2点即可: 1)实现各自的shutdown接口,以正确关闭对应的设备 2)实现machine-dependent的接口,以确保底层的Machine可以正确restart或者power off 看来还是很简单的。 原创文章,转发请注明出处。蜗窝科技,www.wowotech.net 标签: Linux PM 电源管理 reboot power_off