https://blog.csdn.net/body100123/article/details/54315830
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啟動(dòng)代碼分析-《linux 0.12內(nèi)核完全剖析》筆記 導(dǎo)語： linux 0.12的啟動(dòng)代碼能夠給我們分析最新的linux代碼給予一定的啟示，啟動(dòng)代碼雖然只有三個(gè)文件，但是對(duì)讀者分析能力的要求比較高，主要是在對(duì)匯編語言以及x86編程體系的理解
一. 對(duì)linux 0.12啟動(dòng)代碼的分析 bootsect.S文件主要的目的是加載setup.S和內(nèi)核模塊 setup.S 主要目的是通過biso中斷讀取機(jī)器的系統(tǒng)數(shù)據(jù) head.s 主要目的是內(nèi)核初始化之前的環(huán)境配置，也就是32位保護(hù)模式運(yùn)行做準(zhǔn)備
筆記重點(diǎn)：1. 三段代碼都涉及代碼的移動(dòng)主要目的是為了空間復(fù)用,代碼是從0x7C00開始執(zhí)行，第一段代碼就將bootsect.S的代碼移動(dòng)到絕對(duì)地址0x9000處然后再執(zhí)行 entry start
start:
mov ax,#BOOTSEG "BOOTSEG為0x7C0
mov ds,ax
mov ax,#INITSEG "0x9000
mov es,ax
mov cx,#256 "512字節(jié)
sub si,si "si = 0x0000
sub di,di "di = 0x0000
rep "cx遞減1 直到cx為0
movw "移動(dòng)一個(gè)字
jmpi go,INITSEG "跳轉(zhuǎn)到0x9000執(zhí)行 2. 機(jī)器的系統(tǒng)數(shù)據(jù)都是通過BIOS的功能獲取到的，內(nèi)核初始化的時(shí)候都要利用到這些數(shù)據(jù)3. setup.S的主要目的是設(shè)置中斷向量表述表和全局描述符表，以開啟內(nèi)核的32位保護(hù)模式描述符表的定義是在setup.S的567行開始 gdt:
.word 0,0,0,0 ! dummy
.word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
.word 0x0000 ! base address=0
.word 0x9A00 ! code read/exec
.word 0x00C0 ! granularity=4096, 386
.word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb)
.word 0x0000 ! base address=0
.word 0x9200 ! data read/write
.word 0x00C0 ! granularity=4096, 386
idt_48:
.word 0 ! idt limit=0
.word 0,0 ! idt base=0L
gdt_48:
.word 0x800 ! gdt limit=2048, 256 GDT entries
.word 512+gdt,0x9 ! gdt base = 0X9xxxx 設(shè)置GDT寄存器和IDT寄存器是在139行 lidt idt_48
lgdt gdt_48 idt_48h和gdt_48就是上面定義的
是一個(gè)6字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，前2字節(jié)是表的長(zhǎng)度，后4字節(jié)是表的基地址，設(shè)置cr0的第0位為1開啟保護(hù)模式 4. 這里有非常詳細(xì)的8259A的編程資料沒有學(xué)過微機(jī)接口的同學(xué)可能對(duì)8259A的結(jié)構(gòu)不夠了解也是沒有關(guān)系，了解這些對(duì)中斷系統(tǒng)的了解比較關(guān)鍵 5. head.s最關(guān)鍵的地方是在32位保護(hù)模式下開啟內(nèi)存的分頁處理機(jī)制cr3寄存器是記錄頁目錄的基地址，cr0的PG位置1就是開啟分頁處理，然后重新設(shè)置IDT和GDT，第一次設(shè)置IDT和GDT是為了head.s運(yùn)行32位保護(hù)模式，設(shè)置頁目錄而臨時(shí)設(shè)置，這個(gè)時(shí)候還不是分頁模式，不能分配內(nèi)存給GDT和IDT,第一次設(shè)置時(shí)IDT是空表，GDT只有3個(gè)描述符，這次設(shè)置GDT的大小是256*8-1，IDT的大小也是256，這是我認(rèn)為的最主要區(qū)別。 idt_descr:
.word 256*8-1 "idt 包含256項(xiàng)
.long _idt
.align 2
.word 0
gdt_descr:
.word 256*8-1 "gdt 包含256項(xiàng)
.long _gdt "地址為下面的_gdt標(biāo)記
.align 3
_idt:
.fill 256,8,0 "idt存放的地方
_gdt:
.quad 0x0000000000000000 /* NULL descriptor */
.quad 0x00c09a0000000fff /* 16Mb */
.quad 0x00c0920000000fff /* 16Mb */
.quad 0x0000000000000000 /* TEMPORARY - don't use */
.fill 252,8,0 /* space for LDT's and TSS's etc */ 結(jié)論：通過對(duì)linux 0.12啟動(dòng)代碼的分析，可以知道linux啟動(dòng)的三大步驟。首先是通過BIOS提供的功能,加載linux初始化之前的環(huán)境初始化代碼,setup.S和head.s； 然后setup.S通過BIOS的中斷服務(wù)獲取系統(tǒng)硬件的一些參數(shù)并保存，準(zhǔn)備給linux進(jìn)行初始化提供參考； 然后通過head.s設(shè)置系統(tǒng)的32位保護(hù)模式，并開啟內(nèi)存的分頁模式
二. linux 4.9啟動(dòng)代碼分析導(dǎo)語：根據(jù)以上對(duì)linux 0.12的分析，知道啟動(dòng)必須經(jīng)過的三個(gè)階段，現(xiàn)在的啟動(dòng)過程，bootsect.S和setup.S部分
的功能已經(jīng)由grub等bootloader來承擔(dān)，現(xiàn)在主要分析等同于linux 0.12的head.s部分功能的代碼，現(xiàn)在的內(nèi)核代碼因?yàn)闅v史原因，也因?yàn)樾枰獙?duì)有限內(nèi)存的嵌入式的支持，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行了壓縮，在這里暫不對(duì)這些代碼進(jìn)行分析
代碼分析之前有幾點(diǎn)說明
首先是所有標(biāo)號(hào)地址都在編譯內(nèi)核的時(shí)候，多偏移3G
目的是在設(shè)置虛擬地址以后，內(nèi)核映射在進(jìn)程的3G~4G的位置上
因此不管是pa宏還是其他標(biāo)號(hào)地址都在未啟用虛擬地址之前，要減去PAGE_OFFSET 1.先來看.data段中對(duì)GDT和IDT的定義linux/arch/x86/kernel/head_32.S的727行
720 /*
721 * The IDT and GDT 'descriptors' are a strange 48-bit object
722 * only used by the lidt and lgdt instructions. They are not
723 * like usual segment descriptors - they consist of a 16-bit
724 * segment size, and 32-bit linear address value:
725 */
726
727 .data
728 .globl boot_gdt_descr
729 .globl idt_descr
730
731 ALIGN
732 # early boot GDT descriptor (must use 1:1 address mapping)
733 .word 0 # 32 bit align gdt_desc.address
734 boot_gdt_descr:
735 .word __BOOT_DS+7
736 .long boot_gdt - __PAGE_OFFSET
737
738 .word 0 # 32-bit align idt_desc.address
739 idt_descr:
740 .word IDT_ENTRIES*8-1 # idt contains 256 entries
741 .long idt_table
742
743 # boot GDT descriptor (later on used by CPU#0):
744 .word 0 # 32 bit align gdt_desc.address
745 ENTRY(early_gdt_descr)
746 .word GDT_ENTRIES*8-1
747 .long gdt_page /* Overwritten for secondary CPUs */
748
749 /*
750 * The boot_gdt must mirror the equivalent in setup.S and is
751 * used only for booting.
752 */
753 .align L1_CACHE_BYTES
754 ENTRY(boot_gdt)
755 .fill GDT_ENTRY_BOOT_CS,8,0
756 .quad 0x00cf9a000000ffff /* kernel 4GB code at 0x00000000 */
757 .quad 0x00cf92000000ffff /* kernel 4GB data at 0x00000000 */ 2.初始化頁目錄表和頁表linux/arch/x86/kernel/head_32.S的727行
| 10位 | 12位 | 10 位 |
|---|
| 頁目錄項(xiàng)索引 | 頁目錄表索引 | 物理偏移 |
物理地址偏移向右偏移22位得到頁目錄項(xiàng)索引，每項(xiàng)頁目錄項(xiàng)索引占4字節(jié)，左移2位得到特定的頁目錄項(xiàng)索引
* 228行~227行是填充頁目錄項(xiàng)
* 229行~231行是填充頁表項(xiàng)
* 238行~245行是填充最后一頁的對(duì)齊處理 216
217 page_pde_offset = (__PAGE_OFFSET >> 20);
218
219 movl $pa(__brk_base), %edi /* 將__brk_base地址給%edi*/
220 movl $pa(initial_page_table), %edx /* 將initial_page_table物理地址給%edx*/
221 movl $PTE_IDENT_ATTR, %eax /* PTE_IDENT_ATTR 是定義頁目錄的屬性的*/
222 10:
223 leal PDE_IDENT_ATTR(%edi),%ecx /* Create PDE entry */
224 movl %ecx,(%edx) /* Store identity PDE entry */
225 movl %ecx,page_pde_offset(%edx) /* Store kernel PDE entry */
226 addl $4,%edx /* 頁目錄項(xiàng)每項(xiàng)占4字節(jié)*/
227 movl $1024, %ecx /* 一個(gè)頁目錄項(xiàng)占1024項(xiàng)頁表*/
228 11:
229 stosl /* 將eax的內(nèi)容填充到%edi地址處，并%edi + 4,%eax是頁表項(xiàng)的內(nèi)容*/
230 addl $0x1000,%eax /* 0x1000 = 2^12 = 4096*/
231 loop 11b
232 /*
233 * End condition: we must map up to the end + MAPPING_BEYOND_END.
234 */
235 movl $pa(_end) + MAPPING_BEYOND_END + PTE_IDENT_ATTR, %ebp
236 cmpl %ebp,%eax
237 jb 10b
238 addl $__PAGE_OFFSET, %edi
239 movl %edi, pa(_brk_end)
240 shrl $12, %eax
241 movl %eax, pa(max_pfn_mapped)
242
243 /* Do early initialization of the fixmap area */
244 movl $pa(initial_pg_fixmap)+PDE_IDENT_ATTR,%eax
245 movl %eax,pa(initial_page_table+0xffc) 3.啟動(dòng)分頁linux/arch/x86/kernel/head_32.S的398行
393 enable_paging:
394
395 /*
396 * Enable paging
397 */
398 movl $pa(initial_page_table), %eax
399 movl %eax,%cr3 /* set the page table pointer.. */
400 movl $CR0_STATE,%eax
401 movl %eax,%cr0 /* ..and set paging (PG) bit */
402 ljmp $__BOOT_CS,$1f /* Clear prefetch and normalize %eip */
403 1:
404 /* Shift the stack pointer to a virtual address */
405 addl $__PAGE_OFFSET, %esp 4.設(shè)置IDT406
407 /*
408 * start system 32-bit setup. We need to re-do some of the things done
409 * in 16-bit mode for the "real" operations.
410 */
411 movl setup_once_ref,%eax
412 andl %eax,%eax
413 jz 1f # Did we do this already?
414 call *%eax 5.設(shè)置內(nèi)核運(yùn)行環(huán)境并跳轉(zhuǎn)到start_kernel447 is486:
448 movl $0x50022,%ecx # set AM, WP, NE and MP
449 movl %cr0,%eax
450 andl $0x80000011,%eax # Save PG,PE,ET
451 orl %ecx,%eax
452 movl %eax,%cr0
453
454 lgdt early_gdt_descr
455 lidt idt_descr
456 ljmp $(__KERNEL_CS),$1f
457 1: movl $(__KERNEL_DS),%eax # reload all the segment registers
458 movl %eax,%ss # after changing gdt.
459
460 movl $(__USER_DS),%eax # DS/ES contains default USER segment
461 movl %eax,%ds
462 movl %eax,%es
463
464 movl $(__KERNEL_PERCPU), %eax
465 movl %eax,%fs # set this cpu's percpu
466
467 movl $(__KERNEL_STACK_CANARY),%eax
468 movl %eax,%gs
469
470 xorl %eax,%eax # Clear LDT
471 lldt %ax
472
473 pushl $0 # fake return address for unwinder
474 jmp *(initial_code) initial_code的定義如下 654 ENTRY(initial_code)
655 .long i386_start_kernel
656 ENTRY(setup_once_ref)
657 .long setup_once 6.啟動(dòng)入口分析第97行 96 __HEAD
97 ENTRY(startup_32)
98 movl pa(initial_stack),%ecx #將堆的初始地址給ecx
99
100 /*
*esi存放了boot_param結(jié)構(gòu)體的地址
*OFFSET(BP_loadflags,boot_params,hdr.loadflag)
*位于arch/x86/kernel/asm-offsets.c的84行
*從bootloader傳過來的參數(shù)告訴內(nèi)核
*是否需要設(shè)置保護(hù)模式
*不需要?jiǎng)t跳轉(zhuǎn)到下標(biāo)為的語句
*/
102 testb $KEEP_SEGMENTS, BP_loadflags(%esi)
103 jnz 2f
104
105 /*
106 * 重新設(shè)置一下保護(hù)模式
* 加載ds,es,fs,gs,ss
107 */
108 lgdt pa(boot_gdt_descr)
109 movl $(__BOOT_DS),%eax
110 movl %eax,%ds
111 movl %eax,%es
112 movl %eax,%fs
113 movl %eax,%gs
114 movl %eax,%ss
115 2:
116 leal -__PAGE_OFFSET(%ecx),%esp
117
118 /*
119 * 清空BSS
120 */
121 cld
122 xorl %eax,%eax
123 movl $pa(__bss_start),%edi
124 movl $pa(__bss_stop),%ecx
125 subl %edi,%ecx
126 shrl $2,%ecx
127 rep ; stosl
128 /*
129 * 拷貝boot_params結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容到內(nèi)核中
135 */
136 movl $pa(boot_params),%edi
137 movl $(PARAM_SIZE/4),%ecx
138 cld
139 rep
140 movsl
141 movl pa(boot_params) + NEW_CL_POINTER,%esi
142 andl %esi,%esi
143 jz 1f # No command line
144 movl $pa(boot_command_line),%edi
145 movl $(COMMAND_LINE_SIZE/4),%ecx
146 rep
147 movsl
148 1:
149 結(jié)論：經(jīng)過分析，基本了解head_32.S是linux進(jìn)入start_kernel之前，為內(nèi)核初始化準(zhǔn)備環(huán)境，設(shè)置GDT,IDT,開啟32位保護(hù)模式，開啟分頁模式。和linux 0.12的head.s的功能如出一轍。
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