https://blog.csdn.net/body100123/article/details/54315830
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启动代码分析-《linux 0.12内核完全剖析》笔记 导语： linux 0.12的启动代码能够给我们分析最新的linux代码给予一定的启示，启动代码虽然只有三个文件，但是对读者分析能力的要求比较高，主要是在对汇编语言以及x86编程体系的理解
一. 对linux 0.12启动代码的分析 bootsect.S文件主要的目的是加载setup.S和内核模块 setup.S 主要目的是通过biso中断读取机器的系统数据 head.s 主要目的是内核初始化之前的环境配置，也就是32位保护模式运行做准备
笔记重点：1. 三段代码都涉及代码的移动主要目的是为了空间复用,代码是从0x7C00开始执行，第一段代码就将bootsect.S的代码移动到绝对地址0x9000处然后再执行 entry start
start:
mov ax,#BOOTSEG "BOOTSEG为0x7C0
mov ds,ax
mov ax,#INITSEG "0x9000
mov es,ax
mov cx,#256 "512字节
sub si,si "si = 0x0000
sub di,di "di = 0x0000
rep "cx递减1 直到cx为0
movw "移动一个字
jmpi go,INITSEG "跳转到0x9000执行 2. 机器的系统数据都是通过BIOS的功能获取到的，内核初始化的时候都要利用到这些数据3. setup.S的主要目的是设置中断向量表述表和全局描述符表，以开启内核的32位保护模式描述符表的定义是在setup.S的567行开始 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 设置GDT寄存器和IDT寄存器是在139行 lidt idt_48
lgdt gdt_48 idt_48h和gdt_48就是上面定义的
是一个6字节长的数据，前2字节是表的长度，后4字节是表的基地址，设置cr0的第0位为1开启保护模式 4. 这里有非常详细的8259A的编程资料没有学过微机接口的同学可能对8259A的结构不够了解也是没有关系，了解这些对中断系统的了解比较关键 5. head.s最关键的地方是在32位保护模式下开启内存的分页处理机制cr3寄存器是记录页目录的基地址，cr0的PG位置1就是开启分页处理，然后重新设置IDT和GDT，第一次设置IDT和GDT是为了head.s运行32位保护模式，设置页目录而临时设置，这个时候还不是分页模式，不能分配内存给GDT和IDT,第一次设置时IDT是空表，GDT只有3个描述符，这次设置GDT的大小是256*8-1，IDT的大小也是256，这是我认为的最主要区别。 idt_descr:
.word 256*8-1 "idt 包含256项
.long _idt
.align 2
.word 0
gdt_descr:
.word 256*8-1 "gdt 包含256项
.long _gdt "地址为下面的_gdt标记
.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 */ 结论：通过对linux 0.12启动代码的分析，可以知道linux启动的三大步骤。首先是通过BIOS提供的功能,加载linux初始化之前的环境初始化代码,setup.S和head.s； 然后setup.S通过BIOS的中断服务获取系统硬件的一些参数并保存，准备给linux进行初始化提供参考； 然后通过head.s设置系统的32位保护模式，并开启内存的分页模式
二. linux 4.9启动代码分析导语：根据以上对linux 0.12的分析，知道启动必须经过的三个阶段，现在的启动过程，bootsect.S和setup.S部分
的功能已经由grub等bootloader来承担，现在主要分析等同于linux 0.12的head.s部分功能的代码，现在的内核代码因为历史原因，也因为需要对有限内存的嵌入式的支持，对内核进行了压缩，在这里暂不对这些代码进行分析
代码分析之前有几点说明
首先是所有标号地址都在编译内核的时候，多偏移3G
目的是在设置虚拟地址以后，内核映射在进程的3G~4G的位置上
因此不管是pa宏还是其他标号地址都在未启用虚拟地址之前，要减去PAGE_OFFSET 1.先来看.data段中对GDT和IDT的定义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.初始化页目录表和页表linux/arch/x86/kernel/head_32.S的727行
| 10位 | 12位 | 10 位 |
|---|
| 页目录项索引 | 页目录表索引 | 物理偏移 |
物理地址偏移向右偏移22位得到页目录项索引，每项页目录项索引占4字节，左移2位得到特定的页目录项索引
* 228行~227行是填充页目录项
* 229行~231行是填充页表项
* 238行~245行是填充最后一页的对齐处理 216
217 page_pde_offset = (__PAGE_OFFSET >> 20);
218
219 movl $pa(__brk_base), %edi /* 将__brk_base地址给%edi*/
220 movl $pa(initial_page_table), %edx /* 将initial_page_table物理地址给%edx*/
221 movl $PTE_IDENT_ATTR, %eax /* PTE_IDENT_ATTR 是定义页目录的属性的*/
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 /* 页目录项每项占4字节*/
227 movl $1024, %ecx /* 一个页目录项占1024项页表*/
228 11:
229 stosl /* 将eax的内容填充到%edi地址处，并%edi + 4,%eax是页表项的内容*/
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.启动分页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.设置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.设置内核运行环境并跳转到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的定义如下 654 ENTRY(initial_code)
655 .long i386_start_kernel
656 ENTRY(setup_once_ref)
657 .long setup_once 6.启动入口分析第97行 96 __HEAD
97 ENTRY(startup_32)
98 movl pa(initial_stack),%ecx #将堆的初始地址给ecx
99
100 /*
*esi存放了boot_param结构体的地址
*OFFSET(BP_loadflags,boot_params,hdr.loadflag)
*位于arch/x86/kernel/asm-offsets.c的84行
*从bootloader传过来的参数告诉内核
*是否需要设置保护模式
*不需要则跳转到下标为的语句
*/
102 testb $KEEP_SEGMENTS, BP_loadflags(%esi)
103 jnz 2f
104
105 /*
106 * 重新设置一下保护模式
* 加载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 * 拷贝boot_params结构体的内容到内核中
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 结论：经过分析，基本了解head_32.S是linux进入start_kernel之前，为内核初始化准备环境，设置GDT,IDT,开启32位保护模式，开启分页模式。和linux 0.12的head.s的功能如出一辙。
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