linux-5.6.6 内核引导

短命女 2022-12-03 08:29 231阅读 0赞

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> 原文作者：[povcfe][]  
> 原文地址：[https://bbs.pediy.com/thread-261718.htm][https_bbs.pediy.com_thread-261718.htm]

> 本文详细讲解linux内核的加载过程，参考linux-insiders，并结合linux-5.6.6代码对原文的部分老旧内容做修改

# 引导 #

> **1.**按下电源开关后, CPU设置寄存器为预定值，程序在实模式下运行，程序首先执行0xfffffff0(映射至ROM)处内容，此处为复位向量，直接跳转至BIOS。
> 
> **2.**BIOS初始化，检查硬件，寻找可引导设备，跳转至引导扇区代码(boot.img)
> 
>  *  寻找可引导设备方式: 定位MBR分区, 引导扇区存储在第一个扇区(512字节)的头446字节处。引导扇区以0x55和0xaa(magic bytes)结束。
>  *  MBR分区代码只占用一个扇区, 空间较小，只执行了一些初始化工作, 然后跳转至GRUB2的core image(以diskboot.img为起始)继续执行。
> 
> **3.**core image的初始化代码将剩余的core image(包含GRUB 2的内核代码和文件系统驱动)加载到内存中，运行grub\_main
> 
>  *  grub\_main 初始化控制台，计算模块基地址，设置root设备，读取 grub 配置文件，加载模块等，最后将grub切换为normal模式
>  *  normal模式调用grub\_normal\_execute完成最后的准备工作，显示一个菜单列出可用的操作系统。
>  *  选择操作系统后grub\_menu\_execute\_entry被调用，用以运行boot命令，引导操作系统, 运行kernel代码
>     
>      *  内核自带bootloader，但是新版本内核已经弃用
>      *  kernel boot protocol规定，bootloader必须具备协议中规定的头信息

# 实模式运行内核 #

## 1.kernel地址 ##

(header.S \_start)位于X + sizeof(KernelBootSector) + 1

①内核加载进入内存后，空间排布

②kernel初始代码功能: 设置段寄存器，堆栈，BSS段，跳转进入main

## 2.main函数 ##

(主要用来填充boot\_params参数)

main函数解析

copy_boot_params();
    /*
    1. 将header.S中定义的hdr拷贝到boot_params结构体的
    struct setup_header hdr中。
    2. 如果内核是通过老的命令行协议运行起来的，那么就更新
    内核的命令行指针(boot_params.hdr.cmd_line_ptr)。
    */
    /* Initialize the early-boot console */
    console_init();
    /*
    根据命令行参数设置串口,例如ttyS0
    */
    if (cmdline_find_option_bool("debug"))
            puts("early console in setup code\n");
     
    /* End of heap check */
    init_heap();
    /*
    1. stack_end = esp - STACK_SIZE
    2. 如果heap_end大于stack_end，令stack_end=heap_end
    */
    /* Make sure we have all the proper CPU support */
    /*
    查看当前CPU level，如果低于系统预设的最低CPU level,
    则系统停止运行
    */
    if (validate_cpu()) {
            puts("Unable to boot - please use a kernel appropriate "
                    "for your CPU.\n");
            die();
    }
    /* Tell the BIOS what CPU mode we intend to run in. */
    set_bios_mode();
     
    /* Detect memory layout */
    /*
    循环执行调用号为0xe820的0x15中断调用，将每次的返回值
    保存在e820entry数组中,每项的成员如下
    * 内存段的起始地址
    * 内存段的大小
    * 内存段的类型（类型可以是reserved, usable等等)。
    */
    detect_memory();
    /* Set keyboard repeat rate (why?) and query the lock flags */
    /*
    1. 通过中断获得键盘状态
    2. 设置键盘的按键检测频率
    */
    keyboard_init();
     
    /* Query Intel SpeedStep (IST) information */
    query_ist();
     
    /* Query APM information */
    #if defined(CONFIG_APM) || defined(CONFIG_APM_MODULE)
            query_apm_bios();
    #endif
     
            /* Query EDD information */
    #if defined(CONFIG_EDD) || defined(CONFIG_EDD_MODULE)
            query_edd();
    #endif
     
    /* Set the video mode */
    /*
    设置屏幕,暂时用不到=。=
    */
    set_video();
     
    /* Do the last things and invoke protected mode */
    go_to_protected_mode();

# 内核切换至保护模式 #

## 1.mian调用go\_to\_protected\_mode()函数，由实模式切换至保护模式 ##

*  realmode\_switch\_hook: 如果boot\_params.hdr.realmode\_swtch  
    存在，则跳转执行boot\_params.hdr.realmode\_swtch(禁用NMI中断),  
    否则直接禁用NMI中断(写数据需要时间，所以后面紧跟io\_delay实现短暂延迟)
 *  enable\_a20： 检测a20是否被激活，如果没有则尝试多种方法激活a20，  
    激活失败，则系统停止运行
 *  set\_idt(null\_idt为空，使用lidt将null\_idt加载入idt寄存器)

static void setup_idt(void)
    {
            static const struct gdt_ptr null_idt = {0, 0};
            asm volatile("lidtl %0" : : "m" (null_idt));
    }

*  set\_gdt
    
     *  使用boot\_gdt\[\]数组存储gdt全局表，初始化CS，DS，TSS表项
     *      /* CS: code, read/execute, 4 GB, base 0 */
            [GDT_ENTRY_BOOT_CS] = GDT_ENTRY(0xc09b, 0, 0xfffff),
            /* DS: data, read/write, 4 GB, base 0 */
            [GDT_ENTRY_BOOT_DS] = GDT_ENTRY(0xc093, 0, 0xfffff),
            /* TSS: 32-bit tss, 104 bytes, base 4096 */
            /* We only have a TSS here to keep Intel VT happy;
             we don't actually use it for anything. */
            [GDT_ENTRY_BOOT_TSS] = GDT_ENTRY(0x0089, 4096, 103),
     *  使用static struct gdt\_ptr gdt存储gdt全局表大小与地址
     *  使用lgdt将gdt\_ptr加载如gdt寄存器
 *  protected\_mode\_jump(boot\_params.hdr.code32\_start,(u32&boot\_params + (ds() << 4));
    
     *  该函数使用gcc noreturn特性描述
     *  传递code32入口地址(0x100000)，与boot\_params内容
     *  x86\_linux内核引导协议规定使用bzImage时，保护模式的内核被重定位至0x100000

## 2.保护模式总结 ##

*  gdtr寄存器(48位)存储全局描述符表的基址(32位)与大小(16位)
 *  段寄存器存储段选择子(16位)，包含段描述符在段描述表中的索引，GDT/LDT标志位，RPL请求者优先级(与段描述符中的优先级协同工作)
 *  段描述符(64位)
    
        31          24        19      16              7            0
        ------------------------------------------------------------
        |             | |B| |A|       | |   | |0|E|W|A|            |
        | BASE 31:24  |G|/|L|V| LIMIT |P|DPL|S|  TYPE | BASE 23:16 | 4
        |             | |D| |L| 19:16 | |   | |1|C|R|A|            |
        ------------------------------------------------------------
        |                             |                            |
        |        BASE 15:0            |       LIMIT 15:0           | 0
        |                             |                            |
        ------------------------------------------------------------
    
     *  Limit(20位)表示内存段长度
        
         *  G = 0, 内存段的长度按照1 byte进行增长(Limit每增加1，段长度增加1 byte)，最大的内存段长度将是1M bytes；
         *  G = 1, 内存段的长度按照4K bytes进行增长(Limit每增加1，段长度增加4K bytes)，最大的内存段长度是4G bytes;
     *  Base(32位)表示段基址
     *  40-47位定义内存段类型以及支持的操作
        
         *  S标志(第44位)定义了段类型，S = 0说明这个内存段是一个系统段;S = 1说明这个内存段是一个代码段或者是数据段(堆栈段是一种特殊类型的数据段，堆栈段必须是可以进行读写的段)。
            
             *  S = 1的情况下，第43位决定了内存段是数据段还是代码段。如果43位 = 0，说明是一个数据段，否则就是一个代码段。
             *  数据段，第42，41，40位表示的是(E扩展，W可写，A可访问)
             *  代码段，第42，41，40位表示的是(C一致，R可读，A可访问）
                
                    |           Type Field        | Descriptor Type | Description
                    |-----------------------------|-----------------|------------------
                    | Decimal                     |                 |
                    |             0    E    W   A |                 |
                    | 0           0    0    0   0 | Data            | Read-Only
                    | 1           0    0    0   1 | Data            | Read-Only, accessed
                    | 2           0    0    1   0 | Data            | Read/Write
                    | 3           0    0    1   1 | Data            | Read/Write, accessed
                    | 4           0    1    0   0 | Data            | Read-Only, expand-down
                    | 5           0    1    0   1 | Data            | Read-Only, expand-down, accessed
                    | 6           0    1    1   0 | Data            | Read/Write, expand-down
                    | 7           0    1    1   1 | Data            | Read/Write, expand-down, accessed
                    |                  C    R   A |                 |
                    | 8           1    0    0   0 | Code            | Execute-Only
                    | 9           1    0    0   1 | Code            | Execute-Only, accessed
                    | 10          1    0    1   0 | Code            | Execute/Read
                    | 11          1    0    1   1 | Code            | Execute/Read, accessed
                    | 12          1    1    0   0 | Code            | Execute-Only, conforming
                    | 14          1    1    0   1 | Code            | Execute-Only, conforming, accessed
                    | 13          1    1    1   0 | Code            | Execute/Read, conforming
                    | 15          1    1    1   1 | Code            | Execute/Read, conforming, accessed
     *  P 标志(bit 47) 说明该内存段是否已经存在于内存中。如果P = 0，那么在访问这个内存段的时候将报错。
     *  AVL 标志(bit 52) 在Linux内核中没有被使用。
     *  L 标志(bit 53) 只对代码段有意义，如果L = 1，说明该代码段需要运行在64位模式下。
     *  D/B flag(bit 54) 根据段描述符描述的是一个可执行代码段、下扩数据段还是一个堆栈段，这个标志具有不同的功能。（对于32位代码和数据段，这个标志应该总是设置为1；对于16位代码和数据段，这个标志被设置为0。）。
        
         *  可执行代码段。此时这个标志称为D标志并用于指出该段中的指令引用有效地址和操作数的默认长度。如果该标志置位，则默认值是32位地址和32位或8位的操作数；如果该标志为0，则默认值是16位地址和16位或8位的操作数。指令前缀0x66可以用来选择非默认值的操作数大小；前缀0x67可用来选择非默认值的地址大小。
         *  栈段（由SS寄存器指向的数据段）。此时该标志称为B（Big）标志，用于指明隐含堆栈操作（如PUSH、POP或CALL）时的栈指针大小。如果该标志置位，则使用32位栈指针并存放在ESP寄存器中；如果该标志为0，则使用16位栈指针并存放在SP寄存器中。如果堆栈段被设置成一个下扩数据段，这个B标志也同时指定了堆栈段的上界限。
         *  下扩数据段。此时该标志称为B标志，用于指明堆栈段的上界限。如果设置了该标志，则堆栈段的上界限是0xFFFFFFFF（4GB）；如果没有设置该标志，则堆栈段的上界限是0xFFFF（64KB）。

# 内核切换至长模式 #

1.  x86\_64架构下code32\_start(内核启动时在0x100000处加载，但是如果内核崩溃，需要重新加载内核时，此处会进行重定位) 在head\_64.S(使用-fPIC编译，用于适配内核加载地址重定位)中定义
2.  head\_64.S
    
     *  head\_64.S(starup\_32) 解析
        
            __HEAD  //宏定义，声名代码段(#define __HEAD  .section  ".head.text","ax")
                    .code32
            SYM_FUNC_START(startup_32)
                    cld
                    /*
                    * Test KEEP_SEGMENTS flag to see if the bootloader is asking
                    * us to not reload segments
                    */
                    /*
                    判断loadflags是否设置KEEP_SEGMENTS标志位
                    */
                    testb $KEEP_SEGMENTS, BP_loadflags(%esi) 
                    jnz 1f
                    /*
                    如果没有设置KEEP_SEGMENTS标志位，则使用DS段描述符初始化数据段寄存器
                    */
                    cli
                    movl    $(__BOOT_DS), %eax
                    movl    %eax, %ds
                    movl    %eax, %es
                    movl    %eax, %ss
            1:
             
            /*
            * Calculate the delta between where we were compiled to run
            * at and where we were actually loaded at.  This can only be done
            * with a short local call on x86.  Nothing  else will tell us what
            * address we are running at.  The reserved chunk of the real-mode
            * data at 0x1e4 (defined as a scratch field) are used as the stack
            * for this calculation. Only 4 bytes are needed.
            */
            /*
            使用bootparams结构中的scratch作为临时栈顶，call 1f, popl %ebp(将当前物
            理位置置于ebp),通过subl $1b, %ebp 定位startup_32真实地址
            */
                    leal    (BP_scratch+4)(%esi), %esp
                    call    1f
            1:    popl    %ebp
                    subl    $1b, %ebp
             
            /* setup a stack and make sure cpu supports long mode. */
            /* startup_32基地址结合boot_stack_end 重新设置栈顶
                    movl    $boot_stack_end, %eax
                    addl    %ebp, %eax
                    movl    %eax, %esp
            /*
            调用verify_cpu 判断CPU 是否支持长模式和SSE，如果不支持则不再向长模式跳转
            */
                    call    verify_cpu
                    testl    %eax, %eax
                    jnz    .Lno_longmode
            /*
            * Compute the delta between where we were compiled to run at
            * and where the code will actually run at.
            *
            * %ebp contains the address we are loaded at by the boot loader and %ebx
            * contains the address where we should move the kernel image temporarily
            * for safe in-place decompression.
            */
             
            #ifdef CONFIG_RELOCATABLE
                    movl    %ebp, %ebx
                    movl    BP_kernel_alignment(%esi), %eax
                    decl    %eax
                    addl    %eax, %ebx
                    notl    %eax
                    andl    %eax, %ebx
                    cmpl    $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebx
                    jae    1f
            #endif
                    movl    $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebx
            1:
             
                    /* Target address to relocate to for decompression */
                    movl    BP_init_size(%esi), %eax
                    subl    $_end, %eax
                    addl    %eax, %ebx
             
            /*
            * Prepare for entering 64 bit mode
            */
             
                    /* Load new GDT with the 64bit segments using 32bit descriptor */
                    /*
                    重新加载全局描述表，64位代码段描述项添加 CS.L(长模式标志为) = 1 CS.D = 0
                    SYM_DATA_START_LOCAL(gdt)
                            .word    gdt_end - gdt
                            .long    gdt
                            .word    0
                            .quad    0x00cf9a000000ffff    /* __KERNEL32_CS */
                            .quad    0x00af9a000000ffff    /* __KERNEL_CS */
                            .quad    0x00cf92000000ffff    /* __KERNEL_DS */
                            .quad    0x0080890000000000    /* TS descriptor */
                            .quad   0x0000000000000000    /* TS continued */
                    SYM_DATA_END_LABEL(gdt, SYM_L_LOCAL, gdt_end)
                    */
             
                    addl    %ebp, gdt+2(%ebp)
                    lgdt    gdt(%ebp)
             
                    /* Enable PAE mode */
                    /* cr4寄存器第5位置1,开启PAE模式
                    movl    %cr4, %eax
                    orl    $X86_CR4_PAE, %eax
                    movl    %eax, %cr4
             
                    ... (创建页表) ...
     *  页表(IA-32e 分页模式)
        
        1.  cr3寄存器
            
                63                  52 51                                                       32
                --------------------------------------------------------------------------------
                |                     |                                                          |
                |    Reserved MBZ     |            Address of the top level structure            |
                |                     |                                                          |
                --------------------------------------------------------------------------------
                31                                  12 11            5     4     3 2             0
                --------------------------------------------------------------------------------
                |                                     |               |  P  |  P  |              |
                |  Address of the top level structure |   Reserved    |  C  |  W  |    Reserved  |
                |                                     |               |  D  |  T  |              |
                --------------------------------------------------------------------------------
            
             *  Bits 63:52 - reserved must be 0.
             *  Bits 51:12 - stores the address of the top level paging structure;
             *  Bits 11:5 - reserved must be 0;
             *  Bits 4:3 - PWT or Page-Level Writethrough and PCD or Page-level cache disable indicate. These bits control the way the page or Page Table is handled by the hardware cache;
             *  Bits 2:0 - ignored;
        2.  页表项
            
                63  62                  52 51                                                  32
                --------------------------------------------------------------------------------
                | N |                     |                                                     |
                |   |     Available       |     Address of the paging structure on lower level  |
                | X |                     |                                                     |
                --------------------------------------------------------------------------------
                31                                              12 11  9 8 7 6 5   4   3 2 1     0
                --------------------------------------------------------------------------------
                |                                                |     | M |I| | P | P |U|W|    |
                | Address of the paging structure on lower level | AVL | B |G|A| C | W | | |  P |
                |                                                |     | Z |N| | D | T |S|R|    |
                --------------------------------------------------------------------------------
            
             *  Bits 63 - N/X位(不可执行位)表示被这个页表项映射的所有物理页执行代码的能力；
             *  Bits 62：52 - CPU忽略，被系统软件使用；
             *  Bits 51：12 - 存储低级分页结构的物理地址；
             *  Bits 11：9 - 被 CPU 忽略；
             *  MBZ - 必须为 0；
             *  忽略位；
             *  A - 访问标志位暗示物理页或者页结构被访问；
             *  PWT 和 PCD 用于缓存；
             *  U/S - 普通用户/超级管理员访问标志位 控制被这个页表项映射的所有物理页的访问权限；
             *  R/W - 读写位 控制被这个页表项映射的所有物理页的读写权限;
             *  P - 存在位 表示页表或物理页是否被加载进内存；
        3.  线性地址转换为物理地址
            
             *  64位线性地址只有低48位有意义
             *  cr3寄存器存储4级页表地址
             *  线性地址中的第39位到第47位存储4级页表项索引，第30位到第38位存储3级页表项索引，第29位到第21位存储2级页表项索引，第12位到第20位存储1级页表项索引，第0位到第11位提供物理页的字节偏移；
     *  继续解析 head\_64.S(starup\_32)
        
            /* Enable Long mode in EFER (Extended Feature Enable Register) */
                    /*
                    启用拓展寄存器
                    */
                    movl    $MSR_EFER, %ecx
                    rdmsr
                    btsl    $_EFER_LME, %eax
                    wrmsr
             
                    /* After gdt is loaded */
                    /*
                    初始化LDT寄存器
                    */
                    xorl    %eax, %eax
                    lldt    %ax
                    movl    $__BOOT_TSS, %eax
                    ltr    %ax
             
                    /*
                    * Setup for the jump to 64bit mode
                    *
                    * When the jump is performend we will be in long mode but
                    * in 32bit compatibility mode with EFER.LME = 1, CS.L = 0, CS.D = 1
                    * (and in turn EFER.LMA = 1).    To jump into 64bit mode we use
                    * the new gdt/idt that has __KERNEL_CS with CS.L = 1.
                    * We place all of the values on our mini stack so lret can
                    * used to perform that far jump.
                    */
                    pushl    $__KERNEL_CS
                    leal    startup_64(%ebp), %eax
                    pushl    %eax
             
                    /* Enter paged protected Mode, activating Long Mode */
                    /*
                    启用分页机制
                    */
                    movl    $(X86_CR0_PG | X86_CR0_PE), %eax /* Enable Paging and Protected mode */
                    movl    %eax, %cr0
             
                    /* Jump from 32bit compatibility mode into 64bit mode. */
                    /*
                    cs段选择子(指向cs_kernel_64段描述符)，rip(startup_64物理地址)，已经压入栈中
                    */
                    lret
                    /*
                    跳转进入startup_64
                    */
            SYM_FUNC_END(startup_32)

# 长模式下内核解压缩 #

1.  进入64位长模式后，将数据段寄存器设置为空描述符，以实现寻址平坦化(长模式下段寄存器，段描述符显得有些鸡肋，只保留部分功能)
2.  如果设置了内核重定位，则首先通过rip相对寻址获得当前代码段加载的基地址，2MB字节对齐后，与LOAD\_PHYSICAL\_ADDR比较，如果不同，则使用该基地址替换LOAD\_PHYSICAL\_ADDR(这种操作在startup32中实现过，但是在这里又实现一遍是因为64位引导可以直接跳到startup\_64而忽略startup\_32)，紧接着将rbx设置为用以解压内核的代码的地址
3.  按照64位引导协议，重置rsp(以rbx为基地址)，flag寄存器，GDT
4.  将压缩内核(位于当前代码与解压缩代码之间)复制到栈上(rbx为基地址)后，跳转到rbx处(用于解压内核的代码段)
5.  因为接下来会执行c语言程序，所以提前清空bss段
6.  调用extract\_kernel函数
    
     *  初始化video/console(程序不知道系统引导类型，所以再次初始化)
     *  初始化堆，堆长度为0x10000
     *  调用choose\_random\_location(用来适配KASLR安全机制)选择可以用来写入已解压内核的物理空间
     *  原地解压内核
     *  parse\_elf函数将内核可加载段加载入choose\_random\_location的返回地址
     *  handle\_relocations函数完成到64位内核代码段的跳转

# 至此，x86\_64架构下64位linux内核成功运行 #

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