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解读Linux启动过程

macwe
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发布于 2017/09/07 09:40
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解读Linux启动过程

1. 概述

本文解读一下从CPU加电自检到启动init进程的过程, 先通过下面这张图大致看一下Linux启动的整个过程。

本文的分析环境是GRUB 0.97 + Linux 2.6.18。

2. BIOS

CPU加电后首先工作在实模式并初始化CS:IP=FFFF:FFF0,BIOS的入口代码必须从该地址开始。BIOS完成相应的硬件检查并提供一系列中断服务例程,这些中断服务提供给系统软件访问硬件资源(比如磁盘、显示器等),最后选择一个启动盘加载第一个扇区(即:MBR,共512字节)数据到内存0x7C00处,并从这里开始执行指令(CS:IP=0000:7C00),对于笔者的电脑来说这就是GRUB的Stage1部分。

3. GRUB

GRUB的作用是bootloader,用来引导各种OS的。

3.1. Stage1

Stage1就是MBR,由BIOS把它从磁盘的0扇区加载到0x7c00处,大小固定位512字节,此时的CPU上下文如下:

eax=0011aa55 ebx=00000080 ecx=00000000 edx=00000080 esi=0000f4a0 edi=0000fff0
eip=00007c00 esp=00007800 ebp=00000000 iopl=0 nv up ei pl zr na po nc
cs=0000 ds=0000 es=0000 fs=0000 gs=0000 ss=0000 eflags=00000246
// 注: dl=启动磁盘号, 00H~7FH是软盘, 80H~FFH是硬盘。

因为只能是512字节,大小受限,它就干一件事,把Stage2的第一个512字节读取到0x8000,然后jmp到0x8000继续执行。

3.1.1. 读磁盘

磁盘扇区寻址有两种方式:

  • CHS方式:传统的方式,使用三元组(10位Cylinder, 8位Head, 6位Sector)来寻找扇区,最大只能找到(2^10) * (2^8) * (2^6) * 512 = 8GB的硬盘容量,现在的硬盘明显不够用了。
  • LBA方式:现在的方式,使用48位线性地址来寻找扇区,最大支持(2^48) * 512 = 128PB的硬盘空间。虽然机械上还是CHS的结构,不过磁盘的固件会自动完成LBA到CHS的转换。

因为CHS明显不适合现在的硬盘,所以LBA模式寻址是现在的PC的标配了吧!万一磁盘不支持LBA或者是软盘,需要我们手工转换成CHS模式。转换公式如下(就是三维空间定位一个点的问题):

磁道号C = LBA / 每磁道的扇区数SPT / 盘面总HPC
磁头号H = (LBA / 每磁道的扇区数SPT) mod HPC
扇区号S = (LBA mod SPT) + 1

判断是否支持LBA模式

/* check if LBA is supported */
movb	$0x41, %ah
movw	$0x55aa, %bx
int	$0x13

如果返回成功(CF=1)并且BX值是0xAA55表示支持LBA寻址(用Extensions方法)。

注意:3.5英寸软盘需要使用CHS方式寻址,它的CHS参数是80个柱面、2个磁头、每个磁道18个扇区,每扇区512字节,共1.44MB容量。

LBA模式读的功能号是AH=42h,DL参数是磁盘号,DS:SI参数是Disk Address Packet(DAP)结构体的内存地址,定义如下:

struct DAP {
    uint8_t sz; // 结构体大小
    uint8_t unused;
    uint16_t sector_cnt; // 需要都的扇区总数
    struct dst_addr { // 内存地址,读到这里
        uint16_t offset;
        uint16_t segment;
    };
    uint64_t lba_addr;  // 磁盘的LBA地址
};

参考:

3.2. Stage2

Stage2就是GRUB剩下的全部的代码了,包括BIOS中断服务的封装给C代码使用、键盘驱动、文件系统驱动、串口、网络驱动等等,它提供了一个小型的命令行环境,可以解析用户输入命令并执行对OS的启动。

3.2.1. start.S

首先Stage2的头512字节(start.S)被加载到0x8000,并在这里开始执行,此时的CPU上下文如下:

eax=00000000 ebx=00007000 ecx=00646165 edx=00000080 esi=00007c05 edi=0000fff0
eip=00008000 esp=00001ffe ebp=00000000 iopl=0 nv up ei pl zr na po nc
cs=0000 ds=0000 es=0800 fs=0000 gs=0000 ss=0000 eflags=00000246

start.S的工作是把Stage2的后续部分全部加载到内存中(从0x8200开始),有103KB大小。

3.2.2. asm.S

asm.S是0x8200处的代码,先看一下CPU上下文环境:

eax=00000e00 ebx=00000001 ecx=00646165 edx=00000080 esi=00008116 edi=000081e8
eip=00008200 esp=00001ffe ebp=000062d8 iopl=0 nv up ei pl zr na po nc
cs=0000 ds=0000 es=1ae0 fs=0000 gs=0000 ss=0000 eflags=00000246
3.2.2.1. 最开始的代码应该设置好段寄存器和栈
cli
/* set up %ds, %ss, and %es */
/* cs=0000 ds=0000 es=0000 fs=0000 gs=0000 ss=0000 */
xorw	%ax, %ax
movw	%ax, %ds
movw	%ax, %ss
movw	%ax, %es

/* set up the real mode/BIOS stack */
movl	$STACKOFF, %ebp
movl	%ebp, %esp
sti

此时:

cs=0000 ds=0000 es=0000 ss=0000 esp=00001ff0 ebp=00001ff0。
3.2.2.2. 保护模式和实模式

因为GRUB没有实现自己的中断服务,所以访问硬件资源还是使用BIOS的中断服务例程(实模式)。GRUB的命令行环境是工作在保护模式下的,所以当GRUB需要访问BIOS中断的时候需要切换回实模式,于是在GRUB执行过程中会有频繁的实模式和保护模式的互相切换操作,当切换回实模式后别忘了保存保护模式下的栈指针

(1) 实模式进入保护模式

/* transition to protected mode */
DATA32	call EXT_C(real_to_prot)

/* The ".code32" directive takes GAS out of 16-bit mode. */
.code32

下图是实模式到保护模式的切换步骤:

GRUB没有设置分页机制和新的中断,所以GRUB的保护模式访问的是物理内存且是不能使用INT指令,不过对于bootloader来说够用了。因为需要切换到保护模式栈,原来的返回地址要放到新的栈上,以保证能够正常ret:

ENTRY(real_to_prot)
	...
	/* put the return address in a known safe location */
	movl	(%esp), %eax
	movl	%eax, STACKOFF  ; 把返回地址保存起来备用

	/* get protected mode stack */
	movl	protstack, %eax
	movl	%eax, %esp
	movl	%eax, %ebp      ; 设置保护模式的栈

	/* get return address onto the right stack */
	movl	STACKOFF, %eax
	movl	%eax, (%esp)    ; 把返回地址重新放到栈上
	
	/* zero %eax */
	xorl	%eax, %eax

	/* return on the old (or initialized) stack! */
	ret                     ; 正常返回

(2) 保护模式切换回实模式

	/* enter real mode */
	call	EXT_C(prot_to_real)
	
	.code16

下图说明了保护模式切换回实模式的步骤:

保护模式的栈需要保存起来以便恢复现场,让C代码正确运行,实模式的栈每次都重置为STACKOFF即可,和(1)一样,也要设置好返回地址:

ENTRY(prot_to_real)
	...
	/* save the protected mode stack */
	movl	%esp, %eax
	movl	%eax, protstack  ; 把栈保存起来

	/* get the return address */
	movl	(%esp), %eax
	movl	%eax, STACKOFF   ; 返回地址放到实模式栈里

	/* set up new stack */
	movl	$STACKOFF, %eax  ; 设置实模式的栈
	movl	%eax, %esp
	movl	%eax, %ebp
	... 
3.2.2.3. 创建C运行时环境

C的运行环境主要包括栈、bss数据区、代码区。随着切换到保护模式,栈已经设置好了;随着Stage2从磁盘加载到内存,代码区和bss区都已经在内存了,最后还需要把bss区给初始化一下(清0),接下来即可愉快的执行C代码了。

3.2.2.4. 执行cmain()

先执行一个init_bios_info()获取BIOS的信息,比如被BIOS使用的内存空间(影响我们Linux映像加载的位置)、磁盘信息、ROM信息、APM信息,最后调用cmain()。 cmain()函数在stage2.c文件中,其中最主要的函数run_menu()是启动一个死循环来提供命令行解析执行环境。

3.2.2.5. load_image()

如果grub.cfg或者用户执行kenrel命令,会调用load_image()函数来将内核加载到内存中。至于如何加载linux镜像在Documentation的boot.txt和zero-page.txt有详细说明。

load_image()是一个非常长的函数,它要处理支持的各种内核镜像格式。Linux镜像vmlinuz文件头是struct linux_kernel_header结构体,该结构体里头说明了这个镜像使用的boot协议版本、实模式大小、加载标记位和需要GRUB填写的一些参数(比如:内核启动参数地址)。

  • 实模式部分:始终被加载到0x90000位置,并从0x90200开始执行(linux 0.11就这样做了)。
  • 保护模式部分:我们现在使用的内核比较大(大于512KB),叫做bzImage,加载到0x100000(高位地址,1MB)开始的位置,可以任意大小了。否则小内核zImage放在0x10000到mbi.mem_lower * 1024(一般是0x90000)区域。
3.2.2.6. linux_boot()

我们正常的启动过程调用的是big_linux_boot()函数,把实模式部分copy到0x90000后,设置其他段寄存器值位0x9000, 设置CS:IP=9020:0000开始执行(使用far jmp)。

至此GRUB的工作完成,接下来执行权交给Linux了。

4. setup.S

该文件在arch/i386/boot/setup.S,主要作用是收集硬件信息并进入保护模式head.S。初始的CPU上下文如下:

eax=00000000 ebx=00009000 ecx=00000000 edx=00000003 esi=002d8b54 edi=0009a000
eip=00000000 esp=00009000 ebp=00001ff0 iopl=0 nv up di pl zr na po nc
cs=9020 ds=9000 es=9000 fs=9000 gs=9000 ss=9000  eflags=00000046

4.1. 自身检查

先检查自己setup.S是否合法,主要是检查末尾的两个magic是否一致

# Setup signature -- must be last
setup_sig1:	.word	SIG1
setup_sig2:	.word	SIG2

4.2. 收集硬件信息

主要是通过BIOS中断来收集硬件信息。收集的信息包括内存大小、键盘、鼠标、显卡、硬盘、APM等等。收集的硬件信息保存在0x9000处:

# 设置ds = 0x9000,用来保存硬件信息
movw	%cs, %ax			# aka SETUPSEG
subw	$DELTA_INITSEG, %ax 		# aka INITSEG
movw	%ax, %ds

这里看一下如何获取内存大小,这样OS才能进行内存管理。这里用三种方法获取内存信息:

  1. e820h:请求中断INT 15H,AX=E820H时返回可用的物理内存信息,e820由此得名,参考http://www.uruk.org/orig-grub/mem64mb.html。由于内存的使用是不连续的,通过连续调用INT 15H得到所有可用的内存区域,每次查询得到的结果ES:DI是个struct address_range_descriptor结构体,返回的结果都是64位的,完全能够满足目前PC的需求了。

     struct address_range_descriptor {
     	uint32_t base_addr_low;   // 起始物理地址
     	uint32_t base_addr_high;
     	uint32_t length_low;      // 长度
     	uint32_t length_high;
     	uint8_t type;             // 1=OS可用的, 2=保留的,OS不可用
     };
    
  2. e801h:通过请求中断INT15h,AX=e801H返回结果,最高只能得到4GB内存结果。

  3. 88h:古老的办法,通过请求中断INT15h,AH=88H返回结果。最高只能得到16MB或者64MB的内存,现在的电脑不适用了。

扩展阅读:http://wiki.osdev.org/Detecting_Memory_(x86)#E820h

4.3. 启用A20

让CPU访问1MB以上的扩展内存,否则访问的是X mod 1MB的地址。下面列举三种开启A20的方法:

  1. 使用I/0端口92H,AL的将1-bit置1

     inb	$0x92, %al			# Configuration Port A
     orb	$0x02, %al			# "fast A20" version
     andb	$0xFE, %al			# don't accidentally reset
     outb	%al, $0x92
    
  2. 使用BIOS中断INT 0x15, AX=0x2401

     movw	$0x2401, %ax
     pushfl					# Be paranoid about flags
     int	$0x15
     popfl
    
  3. 使用键盘控制器

     movb	 $0xD1, %al			# command write
     outb	 %al, $0x64
     call	 empty_8042
    
     movb	 $0xDF, %al			# A20 on
     outb	 %al, $0x60
     call	 empty_8042
    

4.4. 进入保护模式

4.4.1. 临时的GDT和IDT

这里的IDT全部是0;Linux目前使用的GDT如下:

gdt:
	.fill GDT_ENTRY_BOOT_CS,8,0

	.word	0xFFFF				# 4Gb - (0x100000*0x1000 = 4Gb)
	.word	0				# base address = 0
	.word	0x9A00				# code read/exec
	.word	0x00CF				# granularity = 4096, 386
						#  (+5th nibble of limit)

	.word	0xFFFF				# 4Gb - (0x100000*0x1000 = 4Gb)
	.word	0				# base address = 0
	.word	0x9200				# data read/write
	.word	0x00CF				# granularity = 4096, 386
						#  (+5th nibble of limit)
gdt_end:

这里只定义了两个DPL为0的代码段和数据段,只给内核使用的。

4.4.1. 设置CR0.PE

这里使用lmsw指令,它和mov cr0, X是等价的

movw	$1, %ax				# protected mode (PE) bit
lmsw	%ax				# This is it!
jmp	flush_instr

4.5. 调转到head.S(CS:EIP=0x10:100000)

至此硬件信息就收集完成,这些收集到的硬件信息都保存在0x90000处,后续OS可以使用这些硬件信息来管理了。

5. head.S

该文件位于arch/i386/kernel/head.S,这个是内核保护模式的代码的起点,笔者电脑的位置在0x100000,此时CPU上下文是:

eax=00000001 ebx=00000000 ecx=0000ff03 edx=47530081 esi=00090000 edi=00090000
eip=00100000 esp=00008ffe ebp=00001ff0 iopl=0 nv up di pl nz na pe nc
cs=0010 ds=0018 es=0018 fs=0018 gs=0018 ss=0018               eflags=00000002

注:已经进入保护模式,CS的值是GDT表项的索引。

它的作用就是设置真正的分段机制和分页机制、启动多处理器、设置C运行环境,最后执行start_kernel()函数。

5.1. startup_32

5.1.1. 加载临时的分段机制

boot_gdt_table就是临时的GDT,其实和start.S的一样:

	lgdt boot_gdt_descr - __PAGE_OFFSET
	movl $(__BOOT_DS),%eax
	movl %eax,%ds
	movl %eax,%es
	movl %eax,%fs
	movl %eax,%gs

ENTRY(boot_gdt_table)
	.fill GDT_ENTRY_BOOT_CS,8,0
	.quad 0x00cf9a000000ffff	/* kernel 4GB code at 0x00000000 */
	.quad 0x00cf92000000ffff	/* kernel 4GB data at 0x00000000 */

5.1.2. 初始化内核bss区和内核启动参数

为了让C代码正常运行,bss区全部清0,启动参数需要移动到boot_params位置。

5.1.3. 启动临时分页机制

临时的页表,只要能够满足内核使用就行。页目录表是swapper_pg_dir,它是一个4096大小的内存区域,默认全是0。一般__PAGE_OFFSET=0xC0000000(3GB),这是要把物理地址0x00000000映射到0xc0000000的地址空间(内核地址空间)。下面是页目录表和页表的初始化代码:

page_pde_offset = (__PAGE_OFFSET >> 20); // 3072,页目录的偏移

	// 页目录表存放在pg0位置,arch/i386/kernel/vmlinux.lds中定义
	movl $(pg0 - __PAGE_OFFSET), %edi
	movl $(swapper_pg_dir - __PAGE_OFFSET), %edx  // edx是页目录表的地址
	movl $0x007, %eax			/* 0x007 = PRESENT+RW+USER */
10:
	// 创建一个页目录项
	leal 0x007(%edi),%ecx			/* Create PDE entry */
	movl %ecx,(%edx)			/* Store identity PDE entry */
	movl %ecx,page_pde_offset(%edx)		/* Store kernel PDE entry */
	addl $4,%edx   // 指向swapper_pg_dir的下一个项
	movl $1024, %ecx   // 每个页表1024个项目
11:
	stosl  // eax -> [edi]; edi = edi + 4
	addl $0x1000,%eax // 每次循环,下一个页目录项
	loop 11b
	/* End condition: we must map up to and including INIT_MAP_BEYOND_END */
	/* bytes beyond the end of our own page tables; the +0x007 is the attribute bits */
	leal (INIT_MAP_BEYOND_END+0x007)(%edi),%ebp  // 页表覆盖到这里就终止
	cmpl %ebp,%eax
	jb 10b
	movl %edi,(init_pg_tables_end - __PAGE_OFFSET)

下面是对上面代码的翻译(这样更有利于理解):

extern uint32_t *pg0;  // 初始值全0
extern uint32_t *swapper_pg_dir;  // 初始值全0

void init_page_tables()
{
	uint32_t PAGE_FLAGS = 0x007; // PRESENT+RW+USER
	uint32_t page_pde_offset = (_PAGE_OFFSET >> 20); // 3072
	uint32_t addr = 0 | PAGE_FLAGS;  // 内存地址+页表属性
	uint32_t *pg_dir_ptr = swapper_pg_dir; // 页目录表项指针
	uint32_t *pg0_ptr = pg0;  // 页表项指针
	
	for (;;) {
		// 设置页目录项,同时映射两个地址,让物理地址和虚拟地址都能访问,
		*pg_dir_ptr = pg0 | PAGE_FLAGS;     // 0, 1
		*(uint32_t *)((char *)pg_dir_ptr + page_pde_offset) = pg0 | PAGE_FLAGS;  // 768, 769
		pg_dir_ptr++;
		
		// 设置页表项目
		for (int i = 0; i < 1024; i++) {
			*pg0++ = addr;
			addr += 0x1000;
		}
		// 退出条件,实际上只映射了两个页目录就退出了(0,1,768, 769)
		if (pg0[INIT_MAP_BEYOND_END] | PAGE_FLAGS) >= addr) {
			init_pg_tables_end = pg0_ptr;
			return;
		}
	}	
};

5.1.4. 设置栈

/* Set up the stack pointer */
	lss stack_start,%esp

ENTRY(stack_start)
	.long init_thread_union+THREAD_SIZE
	.long __BOOT_DS

/* arch/i386/kernel/init_task.c
* Initial thread structure.
*
* We need to make sure that this is THREAD_SIZE aligned due to the
* way process stacks are handled. This is done by having a special
* "init_task" linker map entry..
*/
union thread_union init_thread_union 
	__attribute__((__section__(".data.init_task"))) =
		{ INIT_THREAD_INFO(init_task) };

内核最初使用的栈是init_task进程的,也就是0号进程的栈,这个进程是系统唯一一个静态定义而不是通过fork()产生的进程。

5.1.5. 设置真正的IDT和GDT

	lgdt cpu_gdt_descr   // 真正的GDT
	lidt idt_descr    //真正的IDT
	ljmp $(__KERNEL_CS),$1f   // 重置CS
1:	movl $(__KERNEL_DS),%eax	# reload all the segment registers
	movl %eax,%ss			# after changing gdt.  // 重置SS

	movl $(__USER_DS),%eax		# DS/ES contains default USER segment
	movl %eax,%ds
	movl %eax,%es

	xorl %eax,%eax			# Clear FS/GS and LDT
	movl %eax,%fs
	movl %eax,%gs
	lldt %ax
	cld			# gcc2 wants the direction flag cleared at all times
	// push一个假的返回地址以满足 start_kernel()函数return的要求
	pushl %eax		# fake return address  

对于IDT先全部初始化成ignore_int例程:

setup_idt:
	lea ignore_int,%edx
	movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax
	movw %dx,%ax		/* selector = 0x0010 = cs */
	movw $0x8E00,%dx	/* interrupt gate - dpl=0, present */

	lea idt_table,%edi
	mov $256,%ecx
rp_sidt:
	movl %eax,(%edi)
	movl %edx,4(%edi)
	addl $8,%edi
	dec %ecx
	jne rp_sidt
	ret

ignore_int例程就干一件事,打印一个错误信息"Unknown interrupt or fault at EIP %p %p %p\n"

对于GDT我们最关心的__KERNEL_CS、__KERNEL_DS、__USER_CS、__USER_DS这4个段描述符:

.quad 0x00cf9a000000ffff	/* 0x60 kernel 4GB code at 0x00000000 */
.quad 0x00cf92000000ffff	/* 0x68 kernel 4GB data at 0x00000000 */
.quad 0x00cffa000000ffff	/* 0x73 user 4GB code at 0x00000000 */
.quad 0x00cff2000000ffff	/* 0x7b user 4GB data at 0x00000000 */

至此分段机制、分页机制、栈都设置好了,接下去可以开心的jmp start_kernel了。

6. start_kernel

该函数在linux/init/main.c文件里。我们可以认为start_kernel是0号进程init_task的入口函数,0号进程代表整个linux内核且每个CPU有一个。 这个函数开始做一系列的内核功能初始化,我们重点看rest_init()函数。

6.1.rest_init

这是start_kernel的最后一行,它启动一个内核线程运行init函数后就什么事情也不做了(死循环,始终交出CPU使用权)。

static void noinline rest_init(void)
{
	kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); // 启动init
	……
	/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
	cpu_idle();  // 0号进程什么事也不做
}

6.2. init()

该函数的末尾fork了”/bin/init”进程。这样1号进程init就启动了,接下去就交给init进程去做应用层该做的事情了!

// 以下进程启动后父进程都是0号进程
if (ramdisk_execute_command) {
	run_init_process(ramdisk_execute_command);
	printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n",
			ramdisk_execute_command);
}

/*
 * We try each of these until one succeeds.
 *
 * The Bourne shell can be used instead of init if we are 
 * trying to recover a really broken machine.
 */
if (execute_command) {
	run_init_process(execute_command);
	printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting "
				"defaults...\n", execute_command);
}
run_init_process("/sbin/init");
run_init_process("/etc/init");
run_init_process("/bin/init");
run_init_process("/bin/sh");

附录1. 启动多核CPU

以上解读的内容只在0号CPU上执行,如果是多CPU的环境,还要初始化其他的CPU。多CPU启动的起点是start_kernel()->rest_init()->init()->smp_init()。而smp_init()函数给每个CPU上调用cpu_up()do_boot_cpu()函数,每个CPU都要再走一遍head.S的流程,然后启动自己的idle进程(内核态0号进程)。

附录2. x64的不同

i386和x64的启动代码主要区别在head.S中。

  • 页表格式不同,i386使用两级页表,x64使用4级页表。
  • 多了兼容32位的代码段和数据段__USER32_CS、__USER32_DS和__KERNEL32_CS
  • x64段寄存器用法和i386的不同:x64下面CS、DS、ES、SS不用了,始终为0。而FS、GS寄存器的用法倒像是实模式下的,主要考虑是保留两个作为基地址好让线性地址计算方便。FS:XX = MSR_FS_BASE + XX, GS:XX = MSR_GS_BASE + XX, 不是段描述符索引了(像实模式的分段)。

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评论(8)

iDalink
iDalink
现在grub直接进入保护模式
Skqing
Skqing
虽然看不到,但还是感觉还是很牛逼!
seno
seno
?褞???茅煤
macwe
macwe

引用来自“oreak”的评论

作者自己调试过吗?
我用VirtualBox自带的VM debugger调试
https://www.virtualbox.org/manual/ch12.html#ts_debugger
oreak
oreak
作者自己调试过吗?
S
Schr0dingerCat
嗯,应该写个grub2+uefi的
开源中国第一帅
开源中国第一帅
现在不都是grub2吗 而且uefi也是一种趋势了
蓝水晶飞机
蓝水晶飞机
写得很好��,我是门外汉
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