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# 在内核安装代码的第一步
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#https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/Booting/linux-bootstrap-2.html
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内核启动的第一步
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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)。
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在这一节中我们将继续对内核启动过程的研究，我们将
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* 认识`保护模式`
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* 如何从实模式进入保护模式
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* 堆和字符界面初始化
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* 内存检测，cpu验证，键盘初始化
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* 还有更多
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现在让我们开始我们的旅程
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保护模式
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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。
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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。
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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。
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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。
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保护模式提供了2种完全不同的内存关机机制：
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* 段式内存管理
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* 内存分页
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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。
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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：
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* 内存段的基地址
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* 从基地址开始的偏移
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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
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```
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PhysicalAddress = Segment * 16 + Offset
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```
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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。
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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：
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```assembly
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lgdt gdt
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```
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`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:
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* 全局描述符表的大小 (16位）
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* 全局描述符表的基址 (32位)
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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：
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```
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31 24 19 16 7 0
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------------------------------------------------------------
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| | |B| |A| | | | |0|E|W|A| |
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| BASE 31:24 |G|/|L|V| LIMIT |P|DPL|S| TYPE | BASE 23:16 | 4
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| | |D| |L| 19:16 | | | |1|C|R|A| |
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------------------------------------------------------------
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| BASE 15:0 | LIMIT 15:0 | 0
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------------------------------------------------------------
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```
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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：
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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：
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* 如果`G`= 0, 并且Limit = 0， 那么表示段长度是1 byte
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* 如果`G` = 1, 并且Limit = 0, 那么表示段长度是4K bytes
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* 如果`G` = 0，并且Limit = 0xfffff，那么表示段长度是1M bytes
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* 如果`G` = 1，并且Limit = 0xfffff，那么表示段长度是4G bytes
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从上面的例子我们可以看出：
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* 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；
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* 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;
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* 段长度的计算公司是 base_seg_length * ( LIMIT + 1)。
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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。
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3. Type/Attribute (40-47 bits) 定义了内存段的类型以及支持的操作。
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* `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 ）。
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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。
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对于数据段和代码段，下面的表格给出了段类型定义
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```
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| Type Field | Descriptor Type | Description
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|-----------------------------|-----------------|------------------
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| Decimal | |
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| 0 E W A | |
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| 0 0 0 0 0 | Data | Read-Only
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| 1 0 0 0 1 | Data | Read-Only, accessed
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| 2 0 0 1 0 | Data | Read/Write
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| 3 0 0 1 1 | Data | Read/Write, accessed
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| 4 0 1 0 0 | Data | Read-Only, expand-down
|
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| 5 0 1 0 1 | Data | Read-Only, expand-down, accessed
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| 6 0 1 1 0 | Data | Read/Write, expand-down
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| 7 0 1 1 1 | Data | Read/Write, expand-down, accessed
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| C R A | |
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| 8 1 0 0 0 | Code | Execute-Only
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| 9 1 0 0 1 | Code | Execute-Only, accessed
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| 10 1 0 1 0 | Code | Execute/Read
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| 11 1 0 1 1 | Code | Execute/Read, accessed
|
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| 12 1 1 0 0 | Code | Execute-Only, conforming
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| 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
|
||
```
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