【linux V0.11】boot

记录一下自己第一次看Linux内核的过程，大致也是囫囵吞枣过一遍。
参考书籍《Linux内核完全注释》

前言

磁盘结构

10分钟学懂磁盘的结构(盘片、磁道、扇区、柱面)

名称	解释
Cylinder（柱面）	相同半径的一组磁道，从 0 开始编号
Head（磁头）	对应盘面（Platter），即上下不同磁盘片的一面，从 0 开始编号
Sector（扇区）	磁道上被划分出的小块，从 1 开始编号

由上，可用CHS 地址（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。
在操作系统或文件系统使用逻辑寻址（如 LBA 或扇区编号）。
在 LBA（Logical Block Addressing）：
扇区从 0 开始编号；
(C=0, H=0, S=1) → LBA 0；
(C=0, H=0, S=2) → LBA 1；
以此类推。
所以有时候会有不同的说法，比如第0扇区是逻辑第0扇区，也是(0,0,1)的第一个物理扇区。

内存布局

（查看完整的实模式内存布局）

bootsect.s

来源

BIOS会从磁盘第0扇区加载bootsect到内存0x07C00。

内容

• 将自己从 0x7c00 移动到 0x90000
  BIOS 把 bootsect 放在 0x7c00，但这块内存空间太小，而且后续要加载其他模块（如 setup 和内核），所以 bootsect 会把自己移动到更高的地址
• 使用 BIOS 中断加载 setup 模块
  bootsect 使用 BIOS 的中断服务（int 0x13）从磁盘第 1~4 扇区上读取下一个模块：setup
• 继续使用 BIOS 中断加载 system（Linux 内核）
• 跳转到 setup 模块继续执行

setup.s

• 收集 BIOS 提供的系统信息
  • 光标位置 ：保存当前屏幕光标位置，存储在 0x90000 ，用于后续终端初始化；
  • 内存大小 ：通过 BIOS 中断获取扩展内存大小（单位 KB），存入 0x90002 处；
  • 显示模式 ：获取视频显示信息（模式（如文本模式或图形模式）、窗口宽度等），存入 0x90004 和 0x90006；
  • 显卡信息：获取 EGA/VGA 等配置参数，存入偏移 0x90008、0x9000a、0x9000c；
  • 硬盘参数 ：读取硬盘 0 （存入偏移 0x90080）和 硬盘 1 （存入偏移 0x90090）的参数表；
  • 检查是否存在第二个硬盘（hd1），如果硬盘 1 不存在，就清空之前写入的硬盘参数。 ；
• 关闭中断，准备进入保护模式
• 将内核（system）从0x10000 ~ 0x90000移动到0x00000 ~ 0x80000
• 加载 GDT （全局描述符表）和 IDT（中断描述符表）
  设置 IDT和 GDT；
  准备进入保护模式所需的段机制和中断处理。
• 开启 A20 地址线
  开启 A20 地址线，允许访问超过 1MB 的内存；
  A20 是第 21 条地址线（从 A0 开始数）；
  它对应的是物理地址的第 21 位（bit 20） ；
  如果 A20 被禁用，那么任何对超过 1MB 地址的访问都会被“回绕”到低地址区（比如 0x100000 会被当作 0x00000）；
• 重新编程 8259A 中断控制器
  重映射中断向量，避免冲突；
  把中断映射到 0x20~0x2F；
  设置主从 PIC 控制器。
• 切换到保护模式
  设置 CR0.PE 位，进入保护模式；
• 跳转到system(真正的系统内核起点

描述符表

描述符表由多个8字节长的描述符项组成。

mov	ax,#0x0001	! protected mode (PE) bit
lmsw	ax		! This is it!
jmpi	0,8		! jmp offset 0 of segment 8 (cs) ！跳转至cs段8，偏移0处。

我们已经将system模块移动到0x00000开始的地方，所以这里的偏移地址是0。 这里的段值8已经是保护模式下的段选择符了，用于选择描述符表和描述符表项以及所要求的特权级。
段选择符长度为16位（2字节）；
位0～1表示请求的特权级0～3，Linux操作系统只用到两级：0级（系统级）和3级（用 户）级；
位2用于选择全局描述符表（0）还是局部描述符表（1）；
位3～15是描述符表项的索引，指出选择第几项描述符。
所以段选择符8（0000 0000 0000 1000）表示请求特权级0、使用全局描述符表中的第1项，该项指出代码的基地址是0，因此这里的跳转指令就会去执行system中的代码。

gdt:/*第0个描述符，不用但得存在*/.word	0,0,0,0		！ /*第1个描述符，系统代码段描述符，这里在gdt表中的偏移量为0x08，当加载代码段寄存器（段选择符）时，使用的是这个偏移值*/.word	0x07FF		! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb).word	0x0000		! base address=0.word	0x9A00		! code read/exec.word	0x00C0		! granularity=4096, 386/*第2个描述符，这里在gdt表中的偏移量是0x10，当加载数据段寄存器（如ds等）时，使用的是这个偏移值。*/.word	0x07FF		! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb).word	0x0000		! base address=0.word	0x9200		! data read/write.word	0x00C0		! granularity=4096, 386idt_48://lidt指令的操作数。6字节。前2字节是idt表限长，后4字节是idt表所处的基地址。.word	0			! idt limit=0.word	0,0			! idt base=0Lgdt_48://lgdt指令的操作数.word	0x800		! 全局表长度为2KB，因为每8B组成一个段描述符项，所以表中共可有256项。.word	512+gdt,0x9	! 4字节构成的线性地址：0x0009＜＜16+0x0200+gdt，即0x90200+gdt

head.s

• startup_32是从绝对地址0x00000000开始的，这里也同样是页目录将存在的地方，因此这里的启动代码将被页目录覆盖。

_pg_dir:
startup_32:movl $0x10,%eax			#设置段寄存器指向 GDT 中的 0x10 描述符（即内核数据段）。mov %ax,%dsmov %ax,%esmov %ax,%fsmov %ax,%gslss _stack_start,%esp	#设置堆栈指针 esp 指向 _stack_start。call setup_idt			#调用 setup_idt 和 setup_gdt 初始化中断描述符表和全局描述符表。call setup_gdtmovl $0x10,%eax			#重新加载所有段寄存器，确保使用新 GDT 的段选择符。mov %ax,%dsmov %ax,%es	mov %ax,%fsmov %ax,%gslss _stack_start,%esp

setup_idt

/* 默认的中断“向量句柄” :-) */
int_msg:.asciz "Unknown interrupt\n\r"
.align 2
ignore_int:pushl %eaxpushl %ecxpushl %edxpush %dspush %espush %fsmovl $0x10,%eax	#使ds，es，fs指向gdt表中的数据段mov %ax,%dsmov %ax,%esmov %ax,%fspushl $int_msg	#把调用printk函数的参数指针（地址）入栈call _printk	#_printk是 printk 编译后模块中的内部表示法popl %eaxpop %fspop %espop %dspopl %edxpopl %ecxpopl %eaxiret
# 中断描述符表中的项虽然也是8B组成，但其格式与全局表中的不同，被称为门描述符（Gate Descriptor）。
# 它的0～1，6～7字节是偏移量，2～3B是选择符，4～5B是一些标志。
setup_idt:lea ignore_int,%edx			#将ignore int的偏移值→edx寄存器,这是偏移地址的低16位 ，后面还会用 %dx 来构造完整偏移movl $0x00080000,%eax		# 将选择符0x0008置入eax的高16位中。movw %dx,%ax				#偏移值的低16位置入eax的低16位中。此时eax含有门描述符低4B的值。movw $0x8E00,%dx			#此时edx含有门描述符高4B的值。lea _idt,%edi	 			#将 _idt 的地址加载到 %edi，作为当前写入的目标位置mov $256,%ecx				#设置循环次数为 256，因为 IDT 有 256 个条目
rp_sidt:						#循环填充整个 IDTmovl %eax,(%edi)			#第一次写入 %eax（低32位）到当前位置movl %edx,4(%edi)			#第二次写入 %edx（高32位）到当前位置+4addl $8,%edi				#然后 %edi 增加 8，移动到下一个条目dec %ecxjne rp_sidt					#直到 256 次完成lidt idt_descr				#加载 IDT 描述符 ret

setup_gdt

setup_gdt:lgdt gdt_descr				#加载 GDT 描述符 ret

• 测试A20地址线是否已经开启
  采用的方法是向内存地址0x000000处写入任意一个数值，然后看内存地址0x100000处是否也是这个数值。如果一直相同的话，就一直比较下去，即死循环、死机，表示地址A20线没有选通，结果内核就不能使用1MB以上内存。
• 检查数学协处理器芯片是否存在
  方法是修改控制寄存器CR0，在假设存在协处理器的情况下执行一个协处理器指令，如果出错的话则说明协处理器芯片不存在，需要设置CR0中的协处理器仿真位EM（位2），并复位协处理器存在标志MP（位1）。
• 将参数压栈，调用 setup_paging，然后跳转到 main()

after_page_tables:pushl $0		# These are the parameters to main :-)pushl $0pushl $0pushl $L6		# return address for main, if it decides to.pushl $_mainjmp setup_paging
L6:jmp L6			# main should never return here, but# just in case, we know what happens.

分页设置函数

通过设置控制寄存器cr0的标志（PG位31）来启动对内存的分页处理功能，并设置各个页表项的内容，以恒等映射前16MB的物理内存。分页器假定不会产生非法的地址映射（即在只有4MB的机器上设置出大于4MB的内存地址）。注意！尽管所有的物理地址都应该由这个子程序进行恒等映射，但只有内核页面管理函数能直接使用大于1MB的地址。所有“一般”函数仅使用低于1MB的地址空间，或者是使用局部数据空间，地址空间将被映射到其他一些地方去———mm（内存管理程序）会管理这些事的。对于那些有多于16MB内存的机器，代码就在这里，可对它进行修改。实际上，这并不太困难的。通常只需修改一些常数等。我把它设置为16MB，因为我的机器再怎么扩充都不能超过这个界限（当然，我的机器很便宜的）。我已经通过设置某类标志来给出需要改动的地方（搜索“16MB”），但我不能保证做这些改动就行了。

每个页表长为4KB字节，而每个页表项需要4个字节，因此一个页表共可以存放1024个表项，如果一个表项寻址4KB的地址空间，则一个页表就可以寻址4MB的物理内存。页表项的格式为：项的前0～11位存放一些标志，如是否在内存中（P位0）、读写许可（R/W位1）、普通用户还是超级用户使用（U/S位2）、是否修改过（是否脏了）（D位6）等；表项的位12～31是页框地址，用于指出一页内存的物理起始地址。

setup_paging:				movl $1024*5,%ecx		/* 5 pages - pg_dir+4 page tables */ #首先对5页内存（1页目录+4页页表）清零。xorl %eax,%eaxxorl %edi,%edi			/* pg_dir is at 0x000 */cld;rep;stosl#共有4个页表，所以只需设置4项。页目录项的结构与页表中项的结构一样，4个字节为1项。#″$pg0+7″表示：0x00001007，是页目录表中的第1项。则第1个页表所在的地址=0x00001007&0xfffff000=0x1000；#第1个页表的属性标志=0x00001007&0x00000fff=0x07，表示该页存在、用户可读写。movl $pg0+7,_pg_dir		/* set present bit/user r/w */movl $pg1+7,_pg_dir+4		/*  --------- " " --------- */movl $pg2+7,_pg_dir+8		/*  --------- " " --------- */movl $pg3+7,_pg_dir+12		/*  --------- " " --------- */#填写4个页表中所有项的内容，共有：4（页表）∗1024（项/页表）=4096项（0-0xfff），#即能映射物理内存4096∗4KB=16MB。每项的内容是：当前项所映射的物理内存地址+该页的标志（这里均为7）。#使用的方法是从最后一个页表的最后一项开始按倒退顺序填写。一个页表的最后一项在页表中的位置是1023∗4=4092。#因此最后一页的最后一项的位置就是$pg3+4092。movl $pg3+4092,%edi#最后1项对应物理内存页面的地址是0xfff000，加上属性标志7，即为0xfff007.movl $0xfff007,%eax		/*  16Mb - 4096 + 7 (r/w user,p) */ std						#方向位置位，edi值递减（4B）。
1:	stosl			/* fill pages backwards - more efficient :-) */subl $0x1000,%eax		#每填写好一项，物理地址值减0x1000。jge 1b					#如果小于0则说明全填写好了。#设置页目录基址寄存器cr3的值，指向页目录表xorl %eax,%eax		/* pg_dir is at 0x0000 */movl %eax,%cr3		/* cr3 - page directory start */movl %cr0,%eax		#设置启动使用分页处理（cr0的PG标志，位31）orl $0x80000000,%eax	#添上PG标志。movl %eax,%cr0		/* set paging (PG) bit */ret			/* this also flushes prefetch-queue */#在改变分页处理标志后，要求使用转移指令刷新预取指令队列，这里用的是返回指令ret。#该返回指令的另一个作用是将堆栈中的main程序的地址弹出，并开始运行/init/main.c程序。#本程序到此真正结束了。

此时system模块在内存中的详细映像如图