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Linux 0.11: Boot

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Linux 0.11 源码简介：Boot 启动过程

平台要求：80x86 CPU

  1. CPU 复位
  2. BIOS 代码的入口应当在 0xFFFF0
    1. 调用 0x19 中断：将 0x07c00 - 0x07E00 代码从磁盘中复制到内存中
    2. 跳转到 0x07c00: boot/bootsect.s
    • 引导硬盘将操作系统代码加载到内存中
    • 检查记录机器硬件状态信息/系统数据

x86 CPU 复位:

  • 实地址模式(寻址空间 1MB)
  • PC: 0xFFFF0 (CS: 0xFFFF, IP:0x0000)

实地址模式下的内存布局:

  • 0x00000 - 0x003FF: 存放中断向量表
    • 最多存放 256 个中断向量 (1KB * 16b)
    • 16 位实模式地址规定，便于中断处理查找中断向量
    • 由 BIOS 建立
  • 0x00400 - 0x004FF: 存放 BIOS 数据
    • 软件规定
  • 0x07C00 - 0x07E00: 存放 Boot 扇区
    • 硬件规定，与操作系统无关
    • 由 boot/bootsect.s 生成
  • 0x0E05B - 0x0FFFE: 存放中断服务程序
    • 每个程序都由中断向量表中的地址对应
  • 0x10000: system
  • 0x90000 - 0x90200: init segment
    • 由 boot segment 将自己拷贝到此处后跳转到此处继续执行

boot/bootsect.s ： Boot 扇区(每个扇区 512B), 存放在 0 盘面 0 磁道 1 扇区

  1. entry: start: 将 boot segment 复制到 init segment
    1. 设置段寄存器 ds, es
    2. 偏移置0 si, di
    3. 循环 256 次：movw 复制 word (16b)
    4. 跳转到 init segment 中的 go 偏移处
  2. go: 设置栈的段寄存器
  3. load_setup: 将 setup.s 从磁盘中复制到内存中的 0x90200 后 4 个扇区
    1. 调用 0x13 中断实现拷贝
    2. 拷贝结束后跳转到 ok_load_setup
  4. ok_load_setup
    1. 调用 0x13 中断：将 head.s 和 kernel 从磁盘中复制到内存中 0x10000 后大约 240 个扇区
      • 调用 read_it 和 kill_motor
    2. 检查 root_dev
    3. 跳转到 setup.s 的 entry: start

boot/setup.s : 打开保护模式

  1. 获取机器系统数据
    • 0x10 中断：读机器系统数据，写到 0x90000 - 0x901FD 的位置(还有 2 字节未覆盖)
    • INITSEG 的位置，此时 bootsect 执行完毕，不再使用
  2. 检查磁盘设备等
  3. 关闭中断：cli
    • EFLAGS 标志寄存器的 IF 位(interrupt flag)置 0
    • 不再响应中断
    • 目的：之后要移动 kernel 到 0x00000，会覆盖实地址模式的中断向量表，无法正确响应中断
    • 下一次打开中断将在 main() 中

x86 EFLAGS Register: 

1
2
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17
                 System Flags of EFLAGS Register
31              23                15                7           0
+---------------+-----------+-+-+++-+----+-+-+-+-+++-+-+-+-+-+-+-+
|###########################|V|R|#|N|ID  |O|D|I|T|S|Z|#|A|#|P|#|C|
|0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0| | |0| |    |#|#| |#|#|#|0|#|0|#|1|#|
|###########################|M|F|#|T|  PL|F|F|F|F|F|F|#|F|#|F|#|F|
+---------------+-----------+++++++++-+--+-+-+++-+++-+-+-+-+-+-+-+
                             | |   |  |       |
        Virtual 8086 Mode----+ |   |  |       |
              Resume Flag------+   |  |       |
         Nested Task Flag----------+  |       |
      I/O Privilege Level-------------+       |
         Interrupt Enable---------------------+
----------------------------------------------------------------------------
NOTE
      0 or 1 Indicates Intel Reserved. DO NOT DEFINE.
----------------------------------------------------------------------------
  1. 将系统（head.s + kernel）从 0x10000 处移位到 0x00000 处 : do_move 循环
    • 覆盖实地址模式的中断向量表: 实地址模式下的中断机制将不再被使用
  2. 建立描述符表
    • lidt idt_48 指令：赋值 IDTR 寄存器, 指定中断描述符表(目标是取代实地址模式下的中断向量表)
    • lgdt gdt_48 指令：赋值 GDTR 寄存器, 指定全局描述符表(目标是取代实地址模式下的段寄存器)
      • gdt_48 设置 GDT 地址在 gdt, gdt limit 设置为 256 个 entry
      • gdt 中第 0 项是空; 第 1 项是 0 特权级的代码段; 第 2 项是 0 特权级的数据段; …

Segement Descriptor Format: 

1
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38
39
40
41
42
43
        DESCRIPTORS USED FOR APPLICATIONS CODE AND DATA SEGMENTS

 31                23                15                7               0
+-----------------+-+-+-+-+---------+-+-----+-+-----+-+-----------------+
|                 | | | |A|         | |     | |     | |                 |
|   BASE 31..24   |G|X|O|V| LIMIT   |P| DPL |1| TYPE|A|  BASE 23..16    | 4
|                 | | | |L| 19..16  | |     | |     | |                 |
|-----------------+-+-+-+-+---------+-+-----+-+-----+-+-----------------|
|                                   |                                   |
|        SEGMENT BASE 15..0         |       SEGMENT LIMIT 15..0         | 0
|                                   |                                   |
+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+

               DESCRIPTORS USED FOR SPECIAL SYSTEM SEGMENTS

 31                23                15                7               0
+-----------------+-+-+-+-+---------+-+-----+-+-------+-----------------+
|                 | | | |A|         | |     | |       |                 |
|   BASE 31..24   |G|X|O|V| LIMIT   |P| DPL |0|  TYPE |  BASE 23..16    | 4
|                 | | | |L| 19..16  | |     | |       |                 |
|-----------------+-+-+-+-+---------+-+-----+-+-------+-----------------|
|                                   |                                   |
|        SEGMENT BASE 15..0         |       SEGMENT LIMIT 15..0         | 0
|                                   |                                   |
+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+

                          Not-Present Descriptor
 31                23                15                7               0
+-----------------+-----------------+-+-----+-+-------+-----------------+
|                                   | |     | |       |                 |
|            AVAILABLE              |O| DPL |S| TYPE  |   AVAILABLE     | 4
|                                   | |     | |       |                 |
|-----------------------------------+-+-----+-+-------+-----------------|
|                                                                       |
|                               AVAILABLE                               | 0
|                                                                       |
+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+

          A      - Accessed
          AVL    - Available For Use By Systems Programmers
          DPL    - Descriptor Privilege Level
          G      - Granularity
          P      - Segment Present
  • GDT 中第 0 项永远是空
  • GDT 中每个 entry 为 64 bits
  1. 扩展地址范围为 32 位
    • 北桥 打开 A20: out + empty_8042, 总线 32 位已打开
    • 重新编程 8259A 中断控制器：建立新的中断映射
    • CPU 打开 PE: Protection mode (控制寄存器 CR0 中的 PE bit)
      • lmsw 指令：将 CRO 的 PE bit 置 1
      • CPU 开始 32 位寻址
  2. 跳转到 head.s : jmpi 0,8
    • 0: offset
    • 8(0b1000): selector
      • 低 2 位: 表示特权级为 0
      • 第 3 位： 0 表示 GDT
      • 其余位 ： 指向 GDT 的第 2 项 内核代码段

保护模式下的 selector: 

1
2
3
4
5
6
15                        3 2   0
+-------------------------+-+---+
|                         |T|   |
|           INDEX         | |RPL|
|                         |I|   |
+-------------------------+-+---+
  • RPL - Requestor’s Privilege Level
  • TI - Table Indicator (0 表示 GDT, 1 表示 LDT)
  • 其余位 ： 描述符表的索引

boot/head.s: 建立分页

__pg_dir: 页目录表未来将存放在 head.s 的头部 (0x0 地址处)

  1. startup_32:
    • 赋值 ds 寄存器：selctor 0x10 指向 GDT 的第 2 项: 内核数据段
    • es, fs, gs 对齐到 ds
    • lss: 加载 _stack_start 到 ss (stack_start 定义于 sched.c)
  2. 设置 IDT : setup_idt
    • 构建一个 IDT Gate Descriptor: 存放在 eax(低 32 位) 和 edx(高 32 位)
      • 31-16 bits (selector): 0x0008 = cs
      • 63-48, 15-0 bits (offset) : ignore_init 的地址
        • ignore_init 是一个中断服务程序: 哑中断，通过 printk 打印 “Unknown interrupt” 后 iret
      • 32-47 bits (0x8E00) : interrupt gate, dpl=0, present
    • 将该 IDT Gate Descriptors 加载到 IDT 的 256 个 entry (所有 entry 都相同): rp_sidt 循环
    • 将 idt_descr 设置到 IDTR: lidt idt_descr

80306 IDT Gate Descriptors: 

1
2
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5
6
7
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11
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18
19
20
21
22
23
                              80386 TASK GATE
 31                23                15                7                0
+-----------------+-----------------+---+---+---------+-----------------+
|#############(NOT USED)############| P |DPL|0 0 1 0 1|###(NOT USED)####|4
|-----------------------------------+---+---+---------+-----------------|
|             SELECTOR              |#############(NOT USED)############|0
+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+

                              80386 INTERRUPT GATE
 31                23                15                7                0
+-----------------+-----------------+---+---+---------+-----+-----------+
|           OFFSET 31..16           | P |DPL|0 1 1 1 0|0 0 0|(NOT USED) |4
|-----------------------------------+---+---+---------+-----+-----------|
|             SELECTOR              |           OFFSET 15..0            |0
+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+

                              80386 TRAP GATE
 31                23                15                7                0
+-----------------+-----------------+---+---+---------+-----+-----------+
|          OFFSET 31..16            | P |DPL|0 1 1 1 1|0 0 0|(NOT USED) |4
|-----------------------------------+---+---+---------+-----+-----------|
|             SELECTOR              |           OFFSET 15..0            |0
+-----------------+-----------------+-----------------+-----------------+
  • IDT 每个 entry 为 64 bits
  • IDT 中存有中断向量表的历史包袱(低 32 位)
  • IDT 中的 Selector 关联着 GDT entry
  1. 设置 GDT : setup_gdt: lgdt gdt_descr
    • gdt_descr: GDT 地址设置为 _gdt，gdt limit 设置为 256 个 entry
    • _gdt 是 GDT 地址，存放 256 项:
      • 第 0 项：空
      • 第 1 项：0 特权代码段
      • 第 2 项：0 特权数据段
      • 第 3 项：空: Temporary
      • 第 4 项 - 第 255 项：目前填充为空，提供给用户进程
  2. 重新设置所有的 ds,es,fs,gs 寄存器到 cs 段, 重新设置栈
    因为重新设置过 GDT (GDT 地址变化，段限长从 8M 变为 16M) ,所以需要重新装载
  3. 检查 A20 是否打开
    未打开则进入死循环: 1 是一个死循环: eax 不可能等于 0x100000
  4. 检查数学协处理器 x87 是否存在
  5. 跳转到 after_page_tables
    • 把 main() 函数的参数压栈
    • 把 main() 函数的返回地址(L6)压栈
      • L6 是死循环(main() 函数死机后返回到此)
    • 把 main() 函数的地址压栈
      • 实际上在后续 setup_paging 的 ret 处会跳转(返回)到 main() 函数
  6. 跳转到 setup_paging
    • 清空 5 个页 (1 个用作页目录，4 个用作一级页表)
    • 将 pg0 到 pg3 的 4 个页的 PTE 写入 __pg_dir
      • 内核中这些页的虚拟地址和物理地址实际上是一样的，以便于管理
    • 将这 4 个页面对应的所有物理页的 entry 全部填充 0x00fff007
    • 设置 CR3 寄存器到 0x0 (__pg_dir)
    • 设置分页标志： CR0 寄存器的 PG 位置 1
    • ret 指令：刷新指令预取队列并跳转到 main() 函数

x86 Paging:

  • CR3 寄存器：保存页目录基地址
  • 两级页表
  • 支持页大小：2MB, 4KB

x86 Page Table Entry: 

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
31                                  12 11     9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
+--------------------------------------+-------+---+-+-+---+-+-+-+
|                                      |       |   | | |   |U|R| |
|      PAGE FRAME ADDRESS 31..12       | AVAIL |0 0|D|A|0 0|/|/|P|
|                                      |       |   | | |   |S|W| |
+--------------------------------------+-------+---+-+-+---+-+-+-+

          P      - Present
          R/W    - Read/Write
          U/S    - User/Supervisor
          D      - Dirty
          AVAIL  - Available For Systems Programmer Use

          NOTE: 0 Indicates Intel Reserved. Do Not Define.

x86 Controll Register: 

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
 31                23                15                7               0
+-----------------+-----------------+--------+--------+-----------------+
|                                            |                          |
|    PAGE DIRECTORY BASE REGISTER (PDBR)     |         RESERVED         | CR3
|--------------------------------------------+--------------------------|
|                                                                       |
|                       PAGE FAULT LINEAR ADDRESS                       | CR2
|-----------------------------------------------------------------------|
|                                                                       |
|                                RESERVED                               | CR1
|-+-----------------------------------------------------------+-+-+-+-+-|
|P|                                                           |E|T|E|M|P|
|G|                              RESERVED                     |T|S|M|P|E| CR0
+-+---------------+-----------------+-----------------+-------+-+-+-+-+-+

               PG - Paging
               ET - Extension Type (80x87 Present)
               TS - Task Switching
               EM - Emulation (80x87 Emulation)
               MP - Math Present (Controll WAIT Instruction)
               PE - Protection Enable

x86 Address Translation: 

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
        15           0      31                           0
Logical +---------------+   +------------------------------+
Address |    SELECTOR   |   |            OFFSET            |
        +---------------+   +---+--------------------------+
                                !
                 +------------------------------+
                 |     SEGMENT TRANSLATION      |
                 +--------------+---------------+
                             +--+-+      PAGING DISABLED
                             |PG ?|--------------------+
                             +--+-+                    |
               31        PAGING ! ENABLED        0     |
      Linear  +-----------+-----------+-----------+    |
      Address |    DIR    |   PAGE    |  OFFSET   |    |
              +-----------+-----+-----+-----------+    |
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