Linux 0.11 boot：main 醒之前

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这篇文章是某蒟蒻的 读 Linux 源码 操作系统课笔记。

linux-boot.png

Linux 0.11 boot：main 醒之前

main 醒之前，即梦醒之前（郊区工地口音下的谐音梗），也就是最简单的部分（梦谁还不会做了）：进入系统之前的引导、基础初始化工作。这篇笔记是读源码： /boot 目录下的三个汇编文件。

开机：操作系统 boot：

  • bootsect 载入 kernel code
  • setup：设中断，etc. 从 16b 实模式 -> 32b 保护模式
  • head：kernel 的头

代码在 /boot。

开机

CPU 加电：

  • 进入实模式：16 bit （最大寻址 1 MB）

  • 设置第一行代码：

    CS:IP = 0xF000:0xFFF0 
    => 0xFFFF0
    => BIOS
    • CS：代码段寄存器，IP：指令寄存器（段内 offset）

BIOS 启动

BIOS 启动 -> BIOS 自检 -> BIOS 程序从南桥映射到 mem （启动块、中断向量、中断服务程序）-> 开始执行 BIOS 引导程序：

INT 0x19：加载第一扇区 -> 0x07C00

  • 第一扇区：bootsect：Linux 引导程序

bootsect

bootsect：规划内存，加载第二、三批程序（setup、head + kernel，即整个 OS）

  1. 设常量：定一些位置：*SEG

  2. 复制 bootsect：

    • 把自身程序（512B）从 BOOTSEG=0x07C00 -> INITSEG=0x90000：即是主（as code: running）又是客（as data: copied）
    • 跳到新的位置继续跑
    • 这个操作脱 BIOS 支配：OS 按照自己意志安排内存

  3. 设置栈：以后就可以用栈了，之前不可以

  4. 将 setup 程序加载到内存 SETUPSEG=0x90200 （紧挨着 bootsect）

    • INT 0x19：BIOS 的中断服务
    • setup 是 2~5 扇（共 4 * 512 B）

  5. 载入第三批程序：系统模块 -> SYSSEG=0x10000

    • 还是 INT 0x19
    • 有 240 扇：多、慢
    • 显示 "Loading system ..."

  6. 确定根设备（不重要）

    • 根设备：根文件系统的设备：others FS 挂接其上

    • Linux 0.11 启动需要：系统内核镜像 + 根文件系统

      root_dev:
    主设备号 = 2
    次设备号 = type * 4 + nr
        
type {
    2: 1.2  MB
    7: 1.44 MB
}

nr {
    0 A驱
    1 B驱
    2 C驱
    3 D驱
}

  7. jmpi 0, SETUPSEG：跳到 setup 执行

setup

setup：从 16 位实模式 -> 32 位保护模式

  1. 从 CMOS 拿机器系统数据： ^96f613

    • 510B 数据 -> [0x90000, 0x901FD]：
      • 覆盖 bootsect 程序区域（512B）
      • 只差 2B 就到 setup (0x90200)
      • 卸磨杀驴 + 精打细算
    • CMOS 信息是 BIOS 自检写入的
    • 完成数据读取用的还是 BIOS 的中断服务

  2. cli 关中断

    • cli：设置 Reg.EFLAGS.IF = 0
    • 后面很长时间内一直关：setup 关，head 也关，直到 main 末尾才开（sti()）
    • 关中断：不是发不出中断，只是 CPU 不理会来的中断

  3. 复制内核代码：0x10000 -> 0x00000

    • 0x10000：SYSSEG：内核 code：head + C 程序
    • 0x00000：覆盖 BIOS 的 INT 表、服务程序
    • 整体左（低）移 0x10000 （64KB）

  4. 做 IDT、GDT

    • IDT：中断描述符表
    • GDT：32 位下的全局（段）描述符表
      • 描述段：基址、限长、特权级
    • 这两个表硬编码在 setup.s 里：
      • IDT: idt_48 此时是空的
      • GDT: gdt_48：有三项（NULL、内核代码段、内核数据段）
    • 用 IDTR、GDTR 寄存器指向两个表
      • 安全：user 不能改：用户做假表无用，CPU 不认

    gdt.jpg

特权级基于段：CPU 执行式，检查段是否有特权

  • 访问控制施加于线性地址

GDT 本身不是段，但 LDT （Local）是段：

  • GDT：没人描述 GDT 的基址、限长
  • LDT：GDT 中描述了 LDT 段

  1. 开 A20：实现 32 位寻址：寻址空间 1MB -> 4GB

    • A20 是第 21 根寻址线，开 A20 就开了寻址线 20 到 31：

      • 20 根线（0xFFFFF：1MB） -> 32 根线（0xFFFFFFFF：4GB）

    • 32 位：最大地址 0x8个F：4GB

    • 但是 Linux 最大物理内存支持 16 MB：4GB 绰绰有余

（至此：32 位开）

  1. 改 8259A：重新映射中断

  2. 开保护模式：Reg.CR0.PE = 1 (PE 是 CR0[0])

（至此：保护模式开）

保护模式：分段保护机制

  • 代码只能同级跳
  • 数据可以高访低

  1. jmpi 0, 8：跳到 head 执行

    • 0：offset

    • 8：seg selector：

      8 = 1 0 00:

 1  : GDT[1]: 内核代码段
 0  : (G or L)DT：0 为 GDT
00  : 特权级（RPL）

特权级：

  • CPL：current：当前指令的
  • DPL：descriptor：描述符里的
    • code seg 跑起来时 CPL <- DPL
  • RPL：requested：RPL == DPL 才能跳

Reference: Intel64-IA32-SDM Vol3 5.5 (P vol.3A 5-7，PDF 2979/4834)

head

head：做分页

  1. 标号 pg_dir 指向 0x00000：

    • 预留：之后把页表目录（data）放这里，覆盖后面的部分 head 程序（code）

  2. 设置 DS、ES、FS、GS 为 0x10：

    • 0x10 = 0001, 0 0 00：选择子（同 jmpi 0, 8 的 8）：selector(GDT[2]，GDT，0特权)
    • 最终指向内核数据段

  3. 设置系统“用户”栈：

    • 设 esp 指向 C 语言里定义的 user_stack 数组

      ![TODO: user_stack 在内存中的位置](TODO)

  4. 设 IDT：

    • 开 256 项，全指向 ignore_int（就在 head.s 程序里）：

    • 实际工作：printk("Unknown interrupt")

    • 中断向量：16 位实模式 v.s. 32 位保护模式: int-16-vs-32.png

  • printk：kernel：在内存中用的
  • printf：format or file：FS 启动后才能用

现在关中断了，在这里急于设置 IDT：

  • 一方面，可以做测试：在后面临时加一行 sli，测试时候中断相应是否正确
  • 另一方面，所有在后面没设置的中断都会走这里设的 ignore_int （这个 handler 代码刚好没被覆盖，永久留下来了）

  1. 设 GDT：

    • NULL
    • 内核代码段：0x08，16MB
    • 内核数据段：0x10，16MB
    • NULL
    • 252 项预留：.fill repeat, size, value 伪指令：原地重复创建 repeat 个 size 大小的空间：每个都置值为 value

  2. 再设 DS、ES、FS、GS 为 0x10：GDT 改了之后这些要刷新，重置可以强制刷新

  3. 检验 A20 时候打开：

    • 用 19 位的最大值 + 1：看是否溢出回滚，即：
    Loop:
    往 0x000000 放值
    if 0x100000 == 0x000000: 
        jmp Loop    # neq 就再测：没开 A20 就死循环
    A20 正确设置 ✅

  4. check_x87：检查是否有数学协处理器（486 就开始内置了）

  5. 标号（data）：pg0、pg1、pg2、pg3：放 4 个内核页表

    • 一个表 4 KB：刚好是 1 页
    • 一个表放 1024 项

  6. main 压入栈：模拟 call （先设好放着，之后再用）

    • 压参数：3 个 0
    • 压返回地址：L6: main 不该返回的，返回就去 L6 死循环
    • 压 main 函数地址

  7. setup_paging：开分页

    1. 内存清零：pg_dir + 4 个页表（pg\d）
    2. 4 个页表放到 pg_dir 里：mov $pg0 + 7, _pg_dir
      • $pg0 + 7 是地址 + 信息：
        • 页地址只用 20b （32-12：4KB 对齐）
        • 空出来 12 b 放（控制）属性：7 = 111 存在且用户可读写
          • 2（U/S）：0 超级用户、1 用户
            • 为何置 1：后面 move_to_user_mode iret 翻到 PL 3 可以跑！！important！！
          • 1（W/R）：0 只读、1 可读写
          • 0（P）：1 为页存在
          • 控制加在线性地址上
    3. 填写 4 个页表中的内容：线性 <-> 物理：恒等映射
    4. 设 Reg.CR3（页目录基址寄存器）：指向 pg_dir 的物理地址（少有的物理地址，如果这里再用线性，寻址就套娃了，单程递归）
    5. 设 Reg.CR0.PG：启用分页
      • IA32 开了 PE 才能开 PG

一个 pg_dir 对应一个线性空间

  • 换 pg_dir 就换线形空间：但是 32 位系统，一个就够了
  1. ret：main 出栈运行
ret:
    pop addr
    jmp addr
    
call:
    push ret_addr # ret_addr 即 call 的下一行代码
    jmp  func

Why ret, not call：

  • call 暗示还有回来
  • ret 暗示不回来：boot 真心为 kernel：直接禅让，不僭越

但是好像其实用 jmp 也行。

至此，head 结束，汇编的 boot 结束，转到 C 程序运行了。

此时内存如下：

mem-after-head.png

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