linux-insides-zh/Booting/linux-bootstrap-2md.md

# 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`段选择器`的结构。每个段描述符都对应一个`段选择器`。`段选择器`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 |
-----------------------------
```

Where,
* **Index** shows the index number of the descriptor in the GDT.
* **TI**(Table Indicator) shows where to search for the descriptor. If it is 0 then search in the Global Descriptor Table(GDT) otherwise it will look in Local Descriptor Table(LDT).
* And **RPL** is Requester's Privilege Level.