Linux電源管理(3)_Generic PM之Reboot過程
1. 前言
在使用計算機的過程中，關機和重啟是最先學會的兩個操作。同樣，這兩個操作在Linux中也存在，稱作shutdown和restart。這就是本文要描述的物件。
在Linux Kernel中，主流的shutdown和restart都是通過“reboot”系統呼叫（具體可參考kernel/sys.c）來實現的，這也是本文使用“Generic PM之Reboot過程”作為標題的原因。另外，除了我們常用的shutdown和restart兩類操作之外，該系統呼叫也提供了其它的reboot方式，也會在這裡一一說明。
2. Kernel支援的reboot方式
也許你會奇怪，reboot是重啟的意思，所以用它實現Restart是合理的，但怎麼用它實現關機操作呢？答案是這樣的：關機之後，早晚也會開機啊！所以關機是一種特殊的Restart過程，只不過持續的時間有點長而已
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，正常的重啟，也是我們平時使用的重啟。執行該動作後，系統會重新啟動。
HALT，停止作業系統，然後把控制權交給其它程式碼（如果有的話）。具體的表現形式，依賴於系統的具體實現。
CAD_ON/CAD_OFF，允許/禁止通過Ctrl-Alt-Del組合按鍵觸發重啟（RESTART）動作。
注1：Ctrl-Alt-Del組合按鍵的響應是由具體的Driver（如Keypad）實現的。POWER_OFF，正常的關機。執行該動作後，系統會停止作業系統，並去除所有的供電。
RESTART2，重啟的另一種方式。可以在重啟時，攜帶一個字串型別的cmd，該cmd會在重啟前，傳送給任意一個關心重啟事件的程序，同時會傳遞給最終執行重啟動作的machine相關的程式碼。核心並沒有規定該cmd的形式，完全由具體的machine自行定義。
SW_SUSPEND，即前一篇文章中描述的Hibernate操作，會在下一篇文章描述，這裡就暫不涉及。
KEXEC，重啟並執行已經載入好的其它Kernel Image（需要CONFIG_KEXEC的支援），暫不涉及。
3. Reboot相關的操作流程
在Linux作業系統中，可以通過reboot、halt、poweroff等命令，發起reboot，具體的操作流程如下：
- 一般的Linux作業系統，在使用者空間都提供了一些工具集合（如常在嵌入式系統使用的Busybox），這些工具集合包含了reboot、halt和poweroff三個和Reboot相關的命令。讀者可以參考man幫助文件，瞭解這些命令的解釋和使用說明
- 使用者空間程式通過reboot系統呼叫，進入核心空間
- 核心空間根據執行路徑的不同，提供了kernel_restart、kernel_halt和kernel_power_off三個處理函式，響應用空間的reboot請求
- 這三個處理函式的處理流程大致相同，主要包括：向關心reboot過程的程序傳送Notify事件；呼叫drivers核心模組提供的介面，關閉所有的外部裝置；呼叫drivers syscore模組提供的介面，關閉system core；呼叫Architecture相關的處理函式，進行後續的處理；最後，呼叫machine相關的介面，實現真正意義上的Reboot
- 另外，藉助TTY模組提供的Sysreq機制，核心提供了其它途徑的關機方法，如某些按鍵組合、向/proc檔案寫入命令等，後面會詳細介紹
4. Reboot過程的內部動作和程式碼分析
4.1 Reboot系統呼叫
Reboot系統呼叫的實現位於“kernel/sys.c”，其函式原型如下：
1: SYSCALL_DEFINE4(reboot, int, magic1, int, magic2, unsigned int, cmd,
2: void __user *, arg)
該函式的引數解釋如下：
reboot，該系統呼叫的名稱。
magic1、magic2，兩個int型別的“魔力數”，用於防止誤操作。具體在“include/uapi/linux/reboot.h”中定義，感興趣的同學可以去看看（話說這些數字還是蠻有意思的，例如Linus同學及其家人的生日就在裡面，猜出來的可以在文章下面留言）。
cmd，第2章所講述的reboot方式。
arg，其它的額外引數。
reboot系統呼叫的內部動作比較簡單：
1）判斷呼叫者的使用者許可權，如果不是超級使用者（superuser），則直接返回錯誤（這也是我們再使用者空間執行reboot、halt、poweroff等命令時，必須是root使用者的原因）；
2）判斷傳入的magic number是否匹配，如果不匹配，直接返回錯誤。這樣就可以儘可能的防止誤動作發生；
3）呼叫reboot_pid_ns介面，檢查是否需要由該介面處理reboot請求。這是一個有關pid namespaces的新特性，也是Linux核心重要的知識點，我們會在其它文章中描述，這裡就不多說了；
4）如果是POWER_OFF命令，且沒有註冊power off的machine處理函式（pm_power_off），把該命令轉換為HALT命令；
5）根據具體的cmd命令，執行具體的處理，包括，
如果是RESTART或者RESTART2命令，呼叫kernel_restart。
如果是CAD_ON或CAD_OFF命令，更新C_A_D的值，表示是否允許通過Ctrl+Alt+Del組合鍵重啟系統。
如果是HALT命令，呼叫kernel_halt。
如果是POWER_OFF命令，呼叫kernel_power_off。
如果是KEXEC命令，呼叫kernel_kexec介面（暫不在本文涉及）。
如果是SW_SUSPEND，呼叫hibernate介面（會在下一章描述）；6）返回上述的處理結果，系統呼叫結束。
4.2 kernel_restart、kernel_halt和kernel_power_off
這三個介面也位於“kernel/sys.c”，實現比較類似，具體動作包括：
1）呼叫kernel_xxx_prepare函式，進行restart/halt/power_off前的準備工作，包括，
呼叫blocking_notifier_call_chain介面，向關心reboot事件的程序，傳送SYS_RESTART、SYS_HALT或者SYS_POWER_OFF事件。對RESTART來說，還好將cmd引數一併傳送出去。
將系統狀態設定為相應的狀態（SYS_RESTART、SYS_HALT或SYS_POWER_OFF）。
呼叫usermodehelper_disable介面，禁止User mode helper（可參考“Linux裝置模型(3)_Uevent”相關的描述）。
呼叫device_shutdown，關閉所有的裝置（具體內容會在下一節講述）；2）如果是power_off，且存在PM相關的power off prepare函式（pm_power_off_prepare），則呼叫該回調函式；
3）呼叫migrate_to_reboot_cpu介面，將當前的程序（task）移到一個CPU上；
注2：對於多CPU的機器，無論哪個CPU觸發了當前的系統呼叫，程式碼都可以執行在任意的CPU上。這個介面將程式碼分派到一個特定的CPU上，並禁止排程器分派程式碼到其它CPU上。也就是說，這個介面被執行後，只有一個CPU在執行，用於完成後續的reboot動作。4）呼叫syscore_shutdown介面，將系統核心器件關閉（例如中斷等）；
5）呼叫printk以及kmsg_dump，向這個世界發出最後的聲音（列印日誌）；
6）最後，由machine-core的程式碼，接管後續的處理。
4.3 device_shutdown
在理解device_shutdown之前，我們需要回憶一下前幾篇有關Linux裝置模型的文章。同時，藉助對電源管理的解析，我們會把在Linux裝置模型系列文章中沒有描述的部分補回來。裝置模型中和device_shutdown有關的邏輯包括：
- 每個裝置（struct device）都會儲存該裝置的驅動（struct device_driver）指標，以及該裝置所在匯流排（struct bus_type）的指標（具體參考“Linux裝置模型(5)_device和device driver”）
- 裝置驅動中有一個名稱為“shutdown”的回撥函式，用於在device_shutdown時，關閉該裝置（具體參考“Linux裝置模型(5)_device和device driver”）
- 匯流排中也有一個名稱為“shutdown”的回撥函式，用於在device_shutdown時，關閉該裝置（具體參考“Linux裝置模型(6)_Bus”）
- 系統的所有裝置，都存在於“/sys/devices/”目錄下，而該目錄由名稱為“devices_kset”的kset表示。而由“Linux裝置模型(2)_Kobject”的描述可知，kset中會使用一個連結串列儲存其下所有的kobject（也即“/sys/devices/”目錄下的所有裝置）。最終的結果就是，以“devices_kset”為root節點，將核心中所有的裝置（以相應的kobject為代表），組織成一個樹狀結構
介紹完以上的背景知識，我們來看device_shutdown的實現，就非常容易了。該介面位於“drivers/base/core.c”中，執行邏輯如下。
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\n");
44: dev->bus->shutdown(dev);
45: } else if (dev->driver && dev->driver->shutdown) {
46: if (initcall_debug)
47: dev_info(dev, "shutdown\n");
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）遍歷devices_kset的連結串列，取出所有的裝置（struct device）；
2）將該裝置從連結串列中刪除；
3）呼叫pm_runtime_get_noresume和pm_runtime_barrier介面，停止所有的Runtime相關的電源管理動作（後續的文章會詳細描述有關Runtime PM的邏輯）；
4）如果該裝置的bus提供了shutdown函式，優先呼叫bus的shutdown，關閉裝置；
5）如果bus沒有提供shutdown函式，檢測裝置driver是否提供，如果提供，呼叫裝置driver的shutdown，關閉裝置；
6）直至處理完畢所有的裝置。
4.4 system_core_shutdown
system core的shutdown和裝置的shutdown類似，也是從一個連結串列中，遍歷所有的system core，並呼叫它的shutdown介面。後續蝸蝸會專門寫一篇文章介紹syscore，這裡暫不描述。
4.5 machine_restart、machine_halt和machine_power_off
雖然以machine_為字首命名，這三個介面卻是屬於Architecture相關的處理函式，如ARM。以ARM為例，它們在“arch/arm/kernel/process.c”中實現，具體如下。
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\n");
23: local_irq_disable();
24: while (1);
25: }
0）先轉述一下該介面的註釋；
對於多CPU的機器來說，Restart之前必須保證其它的CPU處於非活動狀態，由其中的一個主CPU負責Restart動作。並且，必須實現一個基於硬體的Restart操作，以保證所有CPU同步Restart，這是設計的重點！
對於單CPU機器來說，就相對簡單了，可以直接用軟體reset的方式實現Restart。1）呼叫smp_send_stop介面，確保其它CPU處於非活動狀態；
2）呼叫machine-dependent的restart介面，實現真正的restart。該介面是一個回撥函式，由“arch/arm/kernel/process.c”宣告，由具體的machine程式碼實現。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）如果沒有返回，則restart成功，否則失敗，列印錯誤資訊。
4.5.2 machine_halt
ARM的halt很簡單，就是將其它CPU停下來，並禁止當前CPU的中斷後，死迴圈！確實，中斷被禁止了，又死迴圈了，不halt才怪。程式碼如下：
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動作和restart類似，即停止其它CPU，呼叫回撥函式。power off的回撥函式和restart類似，就不再說明了。
5. 總結與思考
5.1 Architecture和Machine的概念
本文是我們在分析Linux核心時第一次遇到Architecture和Machine的概念，順便解釋一下。核心程式碼中最常見的目錄結構就是：arch/xxx/mach-xxx/（例如arch/arm/mach-bcm/）。由該目錄結構可知，Architecture（簡稱arch）是指具體的體系結構，如ARM、X86等等。Machine呢，是指具體體系結構下的一個或一系列的SOC，如bcm等。
5.2 電源管理驅動（和reboot有關的部分）需要實現內容
由上面的分析可知，在Reboot的過程中，大部分的邏輯是否核心處理的，具體的driver需要關注2點即可：
1）實現各自的shutdown介面，以正確關閉對應的裝置
2）實現machine-dependent的介面，以確保底層的Machine可以正確restart或者power off
看來還是很簡單的。