# 在内核安装代码的第一步 #https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/Booting/linux-bootstrap-2.html 内核启动的第一步 -------------------------------------------------------------------------------- 在[上一节中](https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/Booting/linux-bootstrap-1.html)我们开始接触到内核启动代码，并且分析了初始化部分，最后我们停在了对`main`函数（`main`函数是第一个用C写的函数）的调用（`main`函数位于[arch/x86/boot/main.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/main.c)。 在这一节中我们将继续对内核启动过程的研究，我们将 * 认识`保护模式` * 如何从实模式进入保护模式 * 堆和字符界面初始化 * 内存检测，cpu验证，键盘初始化 * 还有更多 现在让我们开始我们的旅程 保护模式 -------------------------------------------------------------------------------- 在操作系统可以使用Intel 64位CPU的[长模式](http://en.wikipedia.org/wiki/Long_mode)之前，内核必须首先将CPU切换到保护模式运行。 什么是[保护模式](https://en.wikipedia.org/wiki/Protected_mode)？保护模式于1982年被引入到Intel CPU家族，并且从那之后，知道Intel 64出现，保护模式都是Intel CPU的主要运行模式。 淘汰[实模式](http://wiki.osdev.org/Real_Mode)的主要原因是因为在实模式下，系统能够访问的内存非常有限。如果你还记得我们在上一节说的，在实模式下，系统最多只能访问1M内存，而且在很多时候，实际能够访问的内存只有640K。 保护模式带来了很多的改变，不过只要的改变都集中在内存管理方法。在保护模式中，实模式的20位地址线被替换成32位地址线，因此系统可以访问多大4GB的地址空间。另外，在保护模式中引入了[内存分页](http://en.wikipedia.org/wiki/Paging)功能，在后面我们将介绍这个功能。 保护模式提供了2种完全不同的内存关机机制： * 段式内存管理 * 内存分页 在这一节中，我们只介绍段式内存管理，内存分页我们将在后面的章节进行介绍。 在上一节中我们说过，在实模式下，一个物理地址是由2个部分组成的： * 内存段的基地址 * 从基地址开始的偏移 通过这2个信息，我们可以通过下面的公式计算出对应的物理地址 ``` PhysicalAddress = Segment * 16 + Offset ``` 在保护模式中，内存段的定义和实模式完全不同。在保护模式中，每个内存段不再是64K大小，段的大小和起始位置是通过一个叫做`段描述符`的数据结构进行描述的。所有内存段的段描述符存储在一个叫做`全局描述符表`(GDT)的内存结构中。 全局描述符表示一个内存数据结构，但是它在内存中的位置并不是固定的，它的地址保存在一个特殊寄存器`GDTR`中。在后面的章节中，我们将在Linux内核代码中看到全局描述符表的地址是如何被保存到`GDTR`中的。具体的汇编代码看起来是这样的： ```assembly lgdt gdt ``` `lgdt`汇编代码将把全局描述符表的基地址和大小保存到`GDTR`寄存器中。`GRTD`是一个48位的寄存器，这个寄存器中的保存了2部分的内容: * 全局描述符表的大小 (16位） * 全局描述符表的基址 (32位) 就像前面的段落说的，全局描述符表包含了所有内存段的`段描述符`。每个段描述符长度是64位，结构如下图描述： ``` 31 24 19 16 7 0 ------------------------------------------------------------ | | |B| |A| | | | |0|E|W|A| | | BASE 31:24 |G|/|L|V| LIMIT |P|DPL|S| TYPE | BASE 23:16 | 4 | | |D| |L| 19:16 | | | |1|C|R|A| | ------------------------------------------------------------ | | | | BASE 15:0 | LIMIT 15:0 | 0 | | | ------------------------------------------------------------ ``` 粗粗一看，上面的结构非常吓人，不过实际上这个结构是非常容易理解的。比如在上图中的LIMIT 15:0表示这个数据结构的0到15位保存的内存段的大小的0到15位。相似的LIMITE 19:16表示上述数据结构的16到19位保存的是内存段大小的16到19位。从这个分析中，我们可以看出每个内存段的大小是通过20位进行描述的。下面我们将对这个数据结构进行仔细分析： 1. Limit[20位]被保存在上述内存结构的0-15和16-19位。根据上述内存结构中`G`位的设置，这20位内存定义的内存长度是不一样的。下面是一些具体的例子： * 如果`G`= 0, 并且Limit = 0， 那么表示段长度是1 byte * 如果`G` = 1, 并且Limit = 0, 那么表示段长度是4K bytes * 如果`G` = 0，并且Limit = 0xfffff，那么表示段长度是1M bytes * 如果`G` = 1，并且Limit = 0xfffff，那么表示段长度是4G bytes 从上面的例子我们可以看出： * 如果G = 0, 那么内存段的长度是按照1 byte进行增长的 ( Limit每增加1，段长度增加1 byte )，最大的内存段长度将是1M bytes； * 如果G = 1, 那么内存段的长度是按照4K bytes ( Limit每增加1，段长度增加4K bytes )进行增长的，最大的内存段长度将是4G bytes; * 段长度的计算公司是 base_seg_length * ( LIMIT + 1)。 2. Base[32-bits]被保存在上述地址结构的0-15， 32-39以及56-63位。Base定义了段基址。 3. Type/Attribute (40-47 bits) 定义了内存段的类型以及支持的操作。 * `S` 标记（ 第44位 ）定义了段的类型，`S` = 0说明这个内存段是一个系统段；`S` = 1说明这个内存段是一个代码段或者是数据段（ 堆栈段是一种特使类型的数据段，堆栈段必须是可以进行读写的段 ）。 在`S` = 1的情况下，上述内存结构的第43位决定了内存段是数据段还是代码段。如果43位 = 0，拿说明是一个数据段，否则就是一个代码段。 对于数据段和代码段，下面的表格给出了段类型定义 ``` | Type Field | Descriptor Type | Description |-----------------------------|-----------------|------------------ | Decimal | | | 0 E W A | | | 0 0 0 0 0 | Data | Read-Only | 1 0 0 0 1 | Data | Read-Only, accessed | 2 0 0 1 0 | Data | Read/Write | 3 0 0 1 1 | Data | Read/Write, accessed | 4 0 1 0 0 | Data | Read-Only, expand-down | 5 0 1 0 1 | Data | Read-Only, expand-down, accessed | 6 0 1 1 0 | Data | Read/Write, expand-down | 7 0 1 1 1 | Data | Read/Write, expand-down, accessed | C R A | | | 8 1 0 0 0 | Code | Execute-Only | 9 1 0 0 1 | Code | Execute-Only, accessed | 10 1 0 1 0 | Code | Execute/Read | 11 1 0 1 1 | Code | Execute/Read, accessed | 12 1 1 0 0 | Code | Execute-Only, conforming | 14 1 1 0 1 | Code | Execute-Only, conforming, accessed | 13 1 1 1 0 | Code | Execute/Read, conforming | 15 1 1 1 1 | Code | Execute/Read, conforming, accessed ``` 从上面的表格我们可以看出，当第43位是`0`的时候，这个段描述符对应的是一个数据段，如果该位是`1`，那么表示这个段描述符对应的是一个代码段。对于数据段，第42，41，40位表示的是(*E*扩展，*W*可写，*A*可访问）；对于代码段，第42，41，40位表示的是(*C*一致，*R*可读，*A*可访问）。 *A*ccessible) or CRA(*C*onforming *R*eadable *A*ccessible)。 * 如果`E` = 0，数据段是向上扩展数据段，反之为向下扩展数据段。关于向上扩展和向下扩展数据段，可以参考下面的[链接](http://www.sudleyplace.com/dpmione/expanddown.html)。在一般情况下，应该是不会使用向下扩展数据段的。 * 如果`W` = 1，说明这个数据段是可写的，否则不可写。所有数据段都是可读的。 * A位表示该内存段是否已经被CPU访问。 * 如果`C` = 1，说明这个代码段可以被第优先级的代码访问，比如可以被用户态代码访问。反之如果`C` = 0，说明只能同优先级的代码段可以访问。 * 如果`R` = 1，说明该代码段可读。代码段是永远没有写权限的。 4. DPL[2-bits, bit 45 和 46] (描述符优先级) 定义了该段的优先级。具体数值是0-3。 5. P 标志(bit 47) - 说明该内存段是否已经存在于内存中。如果`P` = 0，那么在访问这个内存段的时候将报错。 6. AVL 标志(bit 52) - 这个位在Linux内核中没有被使用。 7. L 标志(bit 53) - 只对代码段有意义，如果`L` = 1，说明该代码段需要运行在64位模式下。 8. D/B flag(bit 54) - 根据段描述符描述的是一个可执行代码段、下扩数据段还是一个堆栈段，这个标志具有不同的功能。（对于32位代码和数据段，这个标志应该总是设置为1；对于16位代码和数据段，这个标志被设置为0。）。 * 可执行代码段。此时这个标志称为D标志并用于指出该段中的指令引用有效地址和操作数的默认长度。如果该标志置位，则默认值是32位地址和32位或8位的操作数；如果该标志为0，则默认值是16位地址和16位或8位的操作数。指令前缀0x66可以用来选择非默认值的操作数大小；前缀0x67可用来选择非默认值的地址大小。 * 栈段（由SS寄存器指向的数据段）。此时该标志称为B（Big）标志，用于指明隐含堆栈操作（如PUSH、POP或CALL）时的栈指针大小。如果该标志置位，则使用32位栈指针并存放在ESP寄存器中；如果该标志为0，则使用16位栈指针并存放在SP寄存器中。如果堆栈段被设置成一个下扩数据段，这个B标志也同时指定了堆栈段的上界限。 * 下扩数据段。此时该标志称为B标志，用于指明堆栈段的上界限。如果设置了该标志，则堆栈段的上界限是0xFFFFFFFF（4GB）；如果没有设置该标志，则堆栈段的上界限是0xFFFF（64KB）。 在保护模式下，段寄存器保存的不再是一个内存段的基地址，而是一个称为`段选择子`的结构。每个段描述符都对应一个`段选择子`。`段选择子`是一个16位的数据结构，下图显示了这个数据结构的内容： ``` ----------------------------- | Index | TI | RPL | ----------------------------- ``` 其中， * **Index** 表示在GDT中，对应段描述符的索引号。 * **TI** 表示要在GDT还是LDT中查找对应的段描述符 * **RPL** 表示请求者优先级。这个优先级将和段描述符中的优先级协同工作，共同确定访问是否合法。 在保护模式下，每个段寄存器实际上包含下面2部分内容： * 可见部分 - 段选择子 * 隐藏部分 - 段描述符 在保护模式中，cpu是通过下面的步骤来找到一个具体的物理地址的： * 代码必须将相应的`段选择子`装入某个段寄存器 * CPU根据`段选择子`从GDT中找到一个匹配的段描述符，然后将段描述符放入段寄存器的隐藏部分 * 在没有使用向下扩展段的时候，那么内存段的基地址就是`段描述符中的基地址`，段描述符的`limit + 1`就是内存段的长度。如果你知道一个内存地址的`偏移`，那么在没有开启分页机制的情况下，这个内存的物理地址就是`基地址+偏移` ![linear address](http://oi62.tinypic.com/2yo369v.jpg) 当代码要从实模式进入保护模式的时候，需要执行下面的操作： is: * 禁止中断发生 * 使用命令`lgdt`将GDT表装入内存 * 设置CR0寄存器的PE位为1，是CPU进入保护模式 * 跳转开始执行保护模式代码 在后面的章节中，我们将看到Linux 内核中完整的转换代码。不过在系统进入保护模式之前，还有很多准备工作需要完成。 让我们代开C文件 [arch/x86/boot/main.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/main.c)。这个文件包含了很多的函数，这些函数分别会执行键盘初始化，内存堆初始化等等操作...，下面让我们来具体看一些重要的函数。 将启动参数拷贝到"zeropage" -------------------------------------------------------------------------------- 让我们从`main`函数开始看起，这个函数中，首先调用了[`copy_boot_params(void)`](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/main.c#L30)。 这个函数将内存设置信息拷贝到`boot_params`结构的相应字段。大家可以在[arch/x86/include/uapi/asm/bootparam.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/include/uapi/asm/bootparam.h#L113)找到`boot_params`结构的定义。 1. 将[header.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/header.S#L281)中定义的`hdr`结构中的内容拷贝到`boot_params`结构的字段`struct setup_header hdr`中。 2. 如果内核是通过老的命令行协议运行起来的，那么就更新内核的命令行指针。 这里需要注意的是拷贝`hdr`数据结构的`memcpy`函数不是C语言中的函数，而是定义在 [copy.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/copy.S)。让我们来具体分析一下这段代码： ```assembly GLOBAL(memcpy) pushw %si ;push si to stack pushw %di ;push di to stack movw %ax, %di ;move &boot_param.hdr to di movw %dx, %si ;move &hdr to si pushw %cx ;push cx to stack ( sizeof(hdr) ) shrw $2, %cx rep; movsl ;copy based on 4 bytes popw %cx ;pop cx andw $3, %cx ;cx = cx % 4 rep; movsb ;copy based on one byte popw %di popw %si retl ENDPROC(memcpy) ``` 在`copy.S`文件中，你可以看到所有的方法都开始于`GLOBAL`宏定义，而结束于`ENDPROC`宏定义。 你可以在 [arch/x86/include/asm/linkage.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/include/asm/linkage.h)中找到`GLOBAL`宏定义。这个宏给代码段分配了一个名字标签，并且让这个名字全局可用。 ```assembly #define GLOBAL(name) \ .globl name; \ name: ``` 你可以在[include/linux/linkage.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/linkage.h)中找到`ENDPROC`宏的定义。 这个宏通过`END(name)`代码标识了汇编函数的结束，同时将函数名输出，从而静态分析工具可以找到这个函数。 ```assembly #define ENDPROC(name) \ .type name, @function ASM_NL \ END(name) ``` `memcpy`的实现代码是很容易理解的。首先，代码将`si`和`di`寄存器的值压入堆栈进行保存，这么做的原因是因为后续的代码将修改`si`和`di`寄存器的值。`memcpy`函数（也包括其他定义在copy.s中的其他函数）使用了`fastcall`调用规则，意味着所有的函数调用参数是通过`ax`, `dx`, `cx`寄存器传入的，而不是传统的通过堆栈传入。因此在使用下面的代码调用`memcpy`函数的时候 ```c memcpy(&boot_params.hdr, &hdr, sizeof hdr); ``` 函数的参数是这样传递的 * `ax` 寄存器指向`boot_param.hdr`的内存地址 * `dx` 寄存器指向`hdr`的内存地址 * `cx` 寄存器包含`hdr`结构的大小 `memcpy`函数在将`si`和`di`寄存器压栈之后，将`boot_param.hdr`的地址放入`di`寄存器，将`hdr`的地址放入`si`寄存器，并且将`hdr`数据结构的大小压栈。 接下来代码首先以4个字节为单位，将`si`寄存器指向的内存内容拷贝`di`寄存器指向的内存。当剩下的字节数不足4字节的时候，代码将原始的`hdr`数据结构大小出栈放入`cx`，然后对`cx`的值对4求模，接下来就是根据`cx`的值，以字节为单位将`si`寄存器指向的内存内容拷贝到`di`寄存器指向的内存。当拷贝操作完成之后，将保留的`si`以及`di`寄存器值出栈，函数返回。 控制台初始化 -------------------------------------------------------------------------------- 在`hdr`结构体被拷贝到`boot_params.hdr`成员之后，系统接下来将进行控制台的初始化。控制台初始化时通过调用[arch/x86/boot/early_serial_console.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/early_serial_console.c)中定义的`console_init`函数实现的。 这个函数首先查看命令行参数是否包含`earlyprintk`选项。如果命令行参数包含该选项，那么函数将分析这个选项的内容。得到控制台将使用的串口信息，然后进行串口的初始化。以下是`earlyprintk`选项可能的取值： * serial,0x3f8,115200 * serial,ttyS0,115200 * ttyS0,115200 当串口初始化成功之后，我们将看到如下的输出如果命令行参数包含`debug`选项。 ```C if (cmdline_find_option_bool("debug")) puts("early console in setup code\n"); ``` `puts`函数定义在[tty.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/tty.c)。这个函数只是简单的调用`putchar`函数将输入字符串中的内容按字节输出。下面让我们来看看`putchar`函数的实现： ```C void __attribute__((section(".inittext"))) putchar(int ch) { if (ch == '\n') putchar('\r'); bios_putchar(ch); if (early_serial_base != 0) serial_putchar(ch); } ``` `__attribute__((section(".inittext")))` 说明这段代码将被放入`.inittext`代码段。关于`.inittext`代码段的定义你可以在 [setup.ld](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/setup.ld#L19)中找到。 首先如果需要输出的字符是`\n`，那么`putchar`函数将调用自己首先输出一个字符`\r`。接下来，就调用`bios_putchar`函数将字符输出到显示器（使用bios int10中断）： ```C static void __attribute__((section(".inittext"))) bios_putchar(int ch) { struct biosregs ireg; initregs(&ireg); ireg.bx = 0x0007; ireg.cx = 0x0001; ireg.ah = 0x0e; ireg.al = ch; intcall(0x10, &ireg, NULL); } ``` 在上面的代码中`initreg`函数接受一个`biosregs`结构的地址作为输入参数，该函数首先调用`memset`函数将`biosregs`结构体所有成员清0。 ```C memset(reg, 0, sizeof *reg); reg->eflags |= X86_EFLAGS_CF; reg->ds = ds(); reg->es = ds(); reg->fs = fs(); reg->gs = gs(); ``` 下面让我们来看看[memset](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/copy.S#L36)函数的实现 : ```assembly GLOBAL(memset) pushw %di movw %ax, %di movzbl %dl, %eax imull $0x01010101,%eax pushw %cx shrw $2, %cx rep; stosl popw %cx andw $3, %cx rep; stosb popw %di retl ENDPROC(memset) ``` 首先你会发现，`memset`函数和`memcpy`函数一样使用了`fastcall`调用规则，因此函数的参数是通过`ax`，`dx`以及`cx`寄存器传入函数内部的。 就像memcpy函数一样，`memset`函数一开始将`di`寄存器入栈，然后将`biosregs`结构的地址从`ax`寄存器拷贝到`di`寄存器。记下来，使用`movzbl`指令将`dl`寄存器的内容拷贝到`ax`寄存器的滴字节，到这里`ax`寄存器就包含了需要拷贝到`di`寄存器所指向的内存的值。 接下来的`imull`指令将`eax`寄存器的值乘上`0x01010101`。这么做的原因是代码每次将尝试拷贝4个字节内存的内容。下面让我们来看一个具体的例子，假设我们需要将`0x7`这个数值放到内存中，在执行`imull`指令之前，`eax`寄存器的值是`0x7`，在`imull`指令被执行之后，`eax`寄存器的内容变成了`0x07070707`（4个字节的`0x7`）。在`imull`指令之后，代码使用`rep; stosl`指令将`eax`寄存器的内容拷贝到`es:di`指向的内存。 在`bisoregs`结构体被`initregs`函数正确填充之后，`bios_putchar` 调用中断 [0x10](http://www.ctyme.com/intr/rb-0106.htm) 在显示器上输出一个字符。接下来`putchar`函数检查是否初始化了串口，如果串口被初始化了，那么将调用[serial_putchar](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/tty.c#L30)将字符输出到串口。