Linux启动过程的C语言代码分析

1. main函数

参见上方http://www.cnblogs.com/long123king/p/3543872.html，代码跳转到main函数。

arch/x86/boot/main.c

void main(void)
{
    /* First, copy the boot header into the "zeropage" */
    copy_boot_params();

    /* Initialize the early-boot console */
    console_init();
    if (cmdline_find_option_bool("debug"))
        puts("early console in setup code
");

    /* End of heap check */
    init_heap();

    /* Make sure we have all the proper CPU support */
    if (validate_cpu()) {
        puts("Unable to boot - please use a kernel appropriate "
             "for your CPU.
");
        die();
    }

    /* Tell the BIOS what CPU mode we intend to run in. */
    set_bios_mode();

    /* Detect memory layout */
    detect_memory();

    /* Set keyboard repeat rate (why?) */
    keyboard_set_repeat();

    /* Query MCA information */
    query_mca();

    /* 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 */
    set_video();

    /* Do the last things and invoke protected mode */
    go_to_protected_mode();
}

2. 进入保护模式

/*
 * Actual invocation sequence
 */
void go_to_protected_mode(void)
{
    /* Hook before leaving real mode, also disables interrupts */
    realmode_switch_hook();

    /* Enable the A20 gate */
    if (enable_a20()) {
        puts("A20 gate not responding, unable to boot...
");
        die();
    }

    /* Reset coprocessor (IGNNE#) */
    reset_coprocessor();

    /* Mask all interrupts in the PIC */
    mask_all_interrupts();

    /* Actual transition to protected mode... */
    setup_idt();
    setup_gdt();
    protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,
                (u32)&boot_params + (ds() << 4));
}

enable_a20，打开20位以上的地址线，因为在实模式下，最高寻址1MB，20位以上的地址线没有用到，处于关闭状态。当我们把内核映射准备好，并且加载到了1MB物理内存时，要想跳转到内核代码中进行执行，必须开启20位以上的地址线。

设置GDT，这个GDT是临时的，实际上只设置了CS/DS段，而且是简单的0~4GB范围。

struct gdt_ptr {
    u16 len;
    u32 ptr;
} __attribute__((packed));

static void setup_gdt(void)
{
    /* There are machines which are known to not boot with the GDT
       being 8-byte unaligned.  Intel recommends 16 byte alignment. */
    static const u64 boot_gdt[] __attribute__((aligned(16))) = {
        /* 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),
    };
    /* Xen HVM incorrectly stores a pointer to the gdt_ptr, instead
       of the gdt_ptr contents.  Thus, make it static so it will
       stay in memory, at least long enough that we switch to the
       proper kernel GDT. */
    static struct gdt_ptr gdt;

    gdt.len = sizeof(boot_gdt)-1;
    gdt.ptr = (u32)&boot_gdt + (ds() << 4);

    asm volatile("lgdtl %0" : : "m" (gdt));
}

protected_mode_jump又跳转到了汇编语言。

3. protected_mode_jump

    .text
    .code16

/*
 * void protected_mode_jump(u32 entrypoint, u32 bootparams);
 */
GLOBAL(protected_mode_jump)
    movl    %edx, %esi        # Pointer to boot_params table

    xorl    %ebx, %ebx
    movw    %cs, %bx
    shll    $4, %ebx
    addl    %ebx, 2f
    jmp    1f            # Short jump to serialize on 386/486
1:

    movw    $__BOOT_DS, %cx
    movw    $__BOOT_TSS, %di

    movl    %cr0, %edx
    orb    $X86_CR0_PE, %dl    # Protected mode
    movl    %edx, %cr0

    # Transition to 32-bit mode
    .byte    0x66, 0xea        # ljmpl opcode
2:    .long    in_pm32            # offset
    .word    __BOOT_CS        # segment
ENDPROC(protected_mode_jump)

该段开始的.code16指令，表示这段代码依然是16位的实模式代码。

使能CR0寄存器中的PE(Protection Enable)位，进入保护模式。

movl    %cr0, %edx
orb    $X86_CR0_PE, %dl    # Protected mode
movl    %edx, %cr0

    # Transition to 32-bit mode
    .byte    0x66, 0xea        # ljmpl opcode
2:    .long    in_pm32            # offset
    .word    __BOOT_CS        # segment

ljmpl跳转到GDT中设置好的BOOT_CS段的in_pm32地址处执行，这时就已经是32位的保护模式了。

4. in_pm32

in_pm32标号代表的意思就是“在32位保护模式下运行”

.code32
.section ".text32","ax"
AL(in_pm32)
# Set up data segments for flat 32-bit mode
movl    %ecx, %ds
movl    %ecx, %es
movl    %ecx, %fs
movl    %ecx, %gs
movl    %ecx, %ss
# The 32-bit code sets up its own stack, but this way we do have
# a valid stack if some debugging hack wants to use it.
addl    %ebx, %esp

# Set up TR to make Intel VT happy
ltr    %di

# Clear registers to allow for future extensions to the
# 32-bit boot protocol
xorl    %ecx, %ecx
xorl    %edx, %edx
xorl    %ebx, %ebx
xorl    %ebp, %ebp
xorl    %edi, %edi

# Set up LDTR to make Intel VT happy
lldt    %cx

jmpl    *%eax            # Jump to the 32-bit entrypoint
ROC(in_pm32)

各个数据段的段选择子的设置：

# Set up data segments for flat 32-bit mode
movl    %ecx, %ds
movl    %ecx, %es
movl    %ecx, %fs
movl    %ecx, %gs
movl    %ecx, %ss

回想protected_mode_jump中对于ecx的设置：

1:

    movw    $__BOOT_DS, %cx
    movw    $__BOOT_TSS, %di

将各个数据段，包括栈段都设置成BOOT_DS段选择子。

设置栈指针：

# The 32-bit code sets up its own stack, but this way we do have
# a valid stack if some debugging hack wants to use it.
addl    %ebx, %esp

回想上方ebx的设置：

xorl    %ebx, %ebx 【清0】
movw    %cs, %bx 【当前的CS代码段基地】
shll    $4, %ebx 【左移4位，取到当前CS代码段的起始地址】
addl    %ebx, 2f 【将标号2处设置成esp的位置】

……

    # Transition to 32-bit mode
    .byte    0x66, 0xea        # ljmpl opcode
2:    .long    in_pm32            # offset
    .word    __BOOT_CS        # segment

 

那么标号2在什么位置呢？

回想Setup.ld链接脚本【该脚本用于指导链接器生成setup可执行程序】，以及protected_mode_jump开头的段定义

    .text
    .code16

/*
* void protected_mode_jump(u32 entrypoint, u32 bootparams);
*/
GLOBAL(protected_mode_jump)

. = 0;
.bstext        : { *(.bstext) }
.bsdata        : { *(.bsdata) }

. = 497;
.header        : { *(.header) }
.entrytext    : { *(.entrytext) }
.inittext    : { *(.inittext) }
.initdata    : { *(.initdata) }
__end_init = .;

.text        : { *(.text) }
.text32        : { *(.text32) }

. = ALIGN(16);
.rodata        : { *(.rodata*) }

因此，32位的栈的栈指针被设置在了32位代码段的下部。

然后是跳转到下一阶段的程序执行

    jmpl    *%eax            # Jump to the 32-bit entrypoint
ENDPROC(in_pm32)

那么eax寄存器的值是多少呢？

回想调用protected_mode_jump时的参数

/* Actual transition to protected mode... */
setup_idt();
setup_gdt();
protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,
            (u32)&boot_params + (ds() << 4));

因此跳转到了code32_start地址处的函数执行(因为%eax前面有*，代表解引用，因此是跳转到该指针指向的函数执行)。

code32_start:                # here loaders can put a different
                    # start address for 32-bit code.
        .long    0x100000    # 0x100000 = default for big kernel

也就是跳转到1MB物理内存处执行，这次是真的将控制权交给内核了。