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上次课内容回顾一、嵌入式 Linux 开发综述二、 Linux 的配置和编译三、根文件系统及其制作

基于 i386体系结构的 Linux启动代码分析

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源代码来源 Linux-2.4.18 加压缩后，建立 SourceInsigt 工程阅读 linux 目录下的 README

关于 Linux 的介绍该版本内核支持的体系结构如何配置、编译、安装


考虑 Arch为 i386

在 arch/i386 下存在如下目录

I386 的启动源代码文件目录I386 的核心源代码文件目录I386 的库源代码文件目录I386 的数学仿真源代码文件目录I386 的内存管理源代码文件目录

I386 的配置文件I386 的体系相关部分的 Makefile

I386 的 Linux 内核的链接描述文件


I386的启动代码文件在 arch/i386/boot 目录下

在 arch/i386/boot/compressed 目录下

I386 的体系结构相关部分的启动代码都采用汇编码写的

启动扇区中的启动代码，其目标码必然是 512 字节

I386 初始化

内核解压缩


在 arch/i386/kernel 目录下的 .S 文件

在 init 目录下

32 位启动代码

这是体系结构无关部分， i386 体系结构相关部分的启动，其目的就是进入 main.c 中的 start_kernel 处执行


阅读 documentation/i386/boot.txt

对于 i386 平台，由于一些历史的原因，因此 Linux 的启动比较复杂

这个文档包含如下内容1 、 Linux/i386 的启动协议（ 4 个）2 、内存布局图3 、实模式下的内核头结构4 、内核的命令行（ command line ）


5 、启动配置示例6 、装载 Linux 的剩余部分7 、特殊的命令行参数8 、运行内核9 、高级启动回调函数

关于其中的一些内容，我们将在合适的时候说明


阅读顶层目录下的Makefile

找到缺省目标链接


找到 vmlinux 找到 vmlinux 所依赖的各个文件或者目标

可以看到 vmlinux 包含如下内容 i386/kernel/head.S + init/main.c + init/version.o + CORE_FILES + DRIVERS + NETWORKS + LIBS


若 make install 在 i386 的 Makefile 中有 install 规则

若 make boot/bzImage/zImage 等等，则要找到对应的目标然后进行 make boot 在顶层的 Makefile 中可以找到 boot 规则 bzImage/zImage 可以在 i386 的 Makefile 中找到相

应规则其他的 zXXX/bzXXX 也都依赖于 boot 下的 zImage/

bzImage 它们最终都找到 i386/boot 的 Makefile


i386/boot的Makefile

看 i386/boot 的 Makefile

z 代表压缩； b 代表大内核

可见 compressed 下的 vmlinux/bvmlinux 为 compressed/head.S + 压缩后的顶层目录下的 vml

inux zImage 为 bootsect + setup + compressed/vmlinu

x bzImage 为

bbootsect + bsetup + compressed/bvmlinux


下面根据在 bzImage/zImage 中的顺序，我们依次看启动相关的源代码和相关概念 arch/i386/boot/bootsect.S arch/i386/boot/setup.S arch/i386/boot/compressed/head.S arch/i386/kernel/head.S

最后进入 kernel/main.C


I386内核的启动启动方式

软盘启动硬盘启动

软盘启动从 arch/i386/boot/bootsect.S 开始运行

在进入 bootsect.S 的源代码讲解之前，我们先看一下加载 i386 内核的内存布局图


硬件角度：I386实模式下的内存布局图

RAM1-MB

ROM-BIOS

VIDEO-BIOS

VRAM0xA0000

0xC0000

0xF0000

0x00000


I386内核从实模式开始运行

首先看一下什么是实模式

实模式是为了兼容早期的 CPU 而设置的 i386 系统总是始于实模式实模式下

地址总线： 20 位内存范围： 0~1MB 逻辑地址 = 段地址 + 段内偏移

段地址 = 段寄存器中的值 *16 （或左移 4 位）段寄存器长度： 16bit


加载 I386内核的内存布局图 zImage/Image 的内核加载器所使用的经

典的内存布局（ 1M=0x100000 ）为


软盘启动， bootsect.S

0x7c000x90000 0x7c00, BIOS 0x90000, lilo

堆栈， 0x3ff4(0x4000-12), 向下增长磁盘参数表， 12Bytes ， 0x3ff4~0x4000 显示“ Loading” Setup0x90200 系统

小内核， 0x10000 （ 64KB 处），低装载大内核， 0x100000 （ 1MB 处），高装载

setup


硬盘启动，两阶段引导

装载 LILO （ LInuxLOader ）第一个扇区 …

装载 LINUX Bootsect.S0x90000 Setup.S0x90200 系统

0x10000 0x100000

跳转到 setup


启动第一步，小结总之，在跳转到 setup 的时候，内存里面的代

码布局为 0x90000 ： bootsect 0x90200 ： setup 低装载： 0x10000 ：带解压的 vmlinux 高装载： 0x100000 ：带解压的 bvmlinux

实模式下的内核头结构包括 bootsect 的最后和 setup 开始的位置从 bootsect 的偏移 0x1F1 开始，具体描述参见 do

cumentation/i386/boot.txt


Setup： 0x90200

初始化硬件设备并为内核程序的执行建立环境内存检测键盘视频磁盘控制器 IBM微通道总线 MCA PS/2 设备（总线鼠标） APM BIOS

若低装载，将系统移动到 0x1000 处（ 4KB 处）否则，不必

临时 IDT 和临时 GDT FPU PIC, 16 个硬件中断中断

向量 32~47 实模式保护模式 Startup_32


在 compressed/head.S 和 head.S 中都定义了 startup_32

但是 head.S 中，被压缩在 vmlinux 中还没有解压缩只有 compressed/head.S 的 startup_32 是可用的

zImage 中，在 0x1000 处 bzImage 中，在 0x100000 处


Compressed/head.S

Startup_32 初始化段寄存器和一个临时堆栈初始化 BSS 段解压缩

高装载或低装载解压缩 0x100000 （ 1MB ）跳转到 0x100000 处


解压缩后， vmlinux 在 0x100000 处根据 vmlinux.lds ， vmlinux 的地址被链接为 0xc00

00000+0x100000 处如何正确运行呢？

此时仍然是实模式，还没有进入保护模式、分页、映射好

没有长跳转，只使用采用相对地址的近距离跳转


Head.S

Startup_32 初始化段寄存器建立进程 0 的内核堆栈 Setup_idt 拷贝系统参数识别处理器 GDT 、 IDT Start_kernel


与内存相关的一些概念在实模式下，地址总线 20 位，访存范围为 1M

B ，物理地址使用段址：偏移的方式表示段址保存在段寄存器中，段寄存器有：

cs/ds/es/fs/gs 16 位寄存器，偏移也是 16 位，因此最大段长为 21

6=0x10000=64KB 物理地址 = 段寄存器 ×16+ 偏移


保护模式下，地址总线 32 位，访存范围为 4GB

原来的段寄存器现在被称作段选择子，与 GDT 表配合使用 GDT 表由 gdtr指示其位置和长度使用特殊的指令进行操作： sgdt/lgdt


图示

descriptordescriptordescriptordescriptordescriptordescriptordescriptor

descriptordescriptordescriptordescriptordescriptordescriptordescriptor

descriptordescriptordescriptordescriptordescriptordescriptor

Interrupt Descriptor Table

Global Descriptor Table

GDTR

IDTR


查看 setup.S 和 head.S 中的 gdt/ldt 一般装载 gdt 和 idt 之后，要重新装载段寄存

器 cs 、 ds 、 es 、 fs 、 gs

cs通常通过一条长跳转指令装载其他数据段寄存器直接设置


控制寄存器（ Control Registers）

CR0 CR1 CR2 CR3

与内存相关


CR0 CR0, MSW register (Machine Status Word, 32-bit versio

n) 包含系统控制位，用于控制操作模式和状态

Instruction: lmsw LINUX’ setup.S:

movw $1, %ax lmsw %ax jmp flush_instr // why? flush_instr:

To turn on the PE-bit (enables protected-mode),

PE-bit (Protection Enabled)0 CPU is in real-mode, 1 CPU is in protected-mode


CR1、 CR2、 CR3 CR1 ：保留 CR2 ：在缺页异常的时候，记录缺页地址

CR3 ：记录页目录所在的物理地址和两个标记 (PCD & PWT)


作业 4

i386 实模式下是如何解决 20 位地址空间和 16位段寄存器之间的不匹配问题的？

i386保护模式下的段寄存器的内容与实模式下段寄存器的内容一样么？如何解释？

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