Linux 内核源代码导读 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（ 0551 － ） Spring 2009

 回顾编译得到的 bzImage 的结构  Setup.bin+vmlinux.bin （具有自解压能力） head_32.o+misc.o+piggy.o vmlinux Head-y + init-y + main

基于 I386 的 Linux 的启动

计算机是如何启动的  BIOS  软盘启动  硬盘启动  Grub  Lilo  启动协议

 特殊的几个地址  BIOS ：第一个扇区  0x07c0  第一个扇区的内容是什么？  观察 setup.ld 了解第一个扇区的内容

关键：  实模式  保护模式  分页模式  页表  GDT 表  IDT 表 阅读： documentation/i386/boot.txt

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  段寄存器有： cs/ds/es/fs/gs

 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 descriptor Interrupt Descriptor Table Global Descriptor Table GDTR IDTR

 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  CR4 （扩展相关，忽略）  与内存相关

CR0  CR0, MSW register (Machine Status Word, 32-bit version)  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)

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（ 10 个 + ） 2 、内存布局图（大内核，小内核） 3 、实模式下的内核头结构（即 setup header ）以及各参 数的解释 4 、内核的命令行（ command line ）

5 、实模式代码的内存布局 6 、启动配置示例 7 、装载 Linux 的剩余部分 8 、特殊的命令行参数 9 、运行内核 10 、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

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=0x ）为

Header.S 分析  前 512 个字节的内容

关于 msg_loop 输出的字符串 ？？不支持软盘启动？？？

Header.S 分析  关于 512 字节的最后（ setup header ） 在 setup.ld 中 在 Head.S 中 …

Header.S 分析  第二个扇区开始  接下来仍然是 setup header 参数部分，直到 start_of_setup

 start_of_setup  设置堆栈  检查 setup 中的标签  清除 BSS 段  调用 C 入口 main start_of_setup _start(512 处 ) main

Main.c 分析 main go_to_protected_mode ＝？ 重点：

关于 go_to_protected_mode  关键 move_kernel_around setup_idt setup_gdt protected_mode_jump ：参见 pmjump.S 重点：

关于 protected_mode_jump  关键  进入保护模式 通过设置 cr0  进入 32 位代码 通过一条手工设置的代码  最后进入 setup header 中指定的 code32_start

关于 boot_params.hdr.code32_start  对 boot_params.hdr 的赋值之处： copy_boot_params  Hdr 的定义之处 在 Head.S 中 …

 code32_start 在 setup header 的第二部分  此处对应于压缩映像的 head_32.S

解压缩头中的 head_32.S  32 位代码  关键 1 ：调用 decompress_kernel  关键 2 ：跳转到 vmlinux 的头 head_32.S  阅读此目录下的 vmlinux_32.lds  了解入口处的代码

关于解压缩 head_32.S 中的 relocated 相关  即 “.text” 部分  Clear BSS  Setup the stack for the decompressor  Do the decompression, and jump to the new kernel..

Vmlinux 中的 head  观察 vmlinux.lds  观察 “.text.head” 、 “.text” 、 “.data” 等 .text.head  Set segments to known values.  Clear BSS first so that there are no surprises...  Copy bootup parameters out of the way.  Initialize page tables.  Enable paging  Set up the stack pointer  Initialize eflags.  call setup_idt  check if it is 486 or 386.  call check_x87  装载 GDT 、 IDT ，进入 3G 地址空间  jmp i386_start_kernel i386_start_kernel start_kernel startup_32 最后 重点

关于页表的初始化  观察 default_entry 后的代码，忽略 PAE  页目录： swapper_pg_dir ：参见 head_32.S 第一个页表： pg0 ：参见 vmlinux_32.lds

swapper_pg_dir

pg0 内核代码段 内核数据段 内核 BSS 段 低地址 高地址 pg0 swapper_pg_dir

初始化页目录和页表 对应线性地址 0 对应线性地址 3GB 1024 项 pg0swapper_pg_dir 物理地址 空间低端 4M … …

打开分页机制

关于 GDT  1 ） boot_gdt  2 ） per_cpu__gdt_page

关于堆栈 stack_start

关于 setup_idt  在 idt 表中，填写 ignore_int  几个特殊的项： 输出如下信息：

装载 GDT 、 IDT ，进入 3G 地址空间

关于 start_kernel  对 Linux 内核的各个部分进行初始化  Start_kernel 属于手工初始化的第一个进程（ 0 号 进程），该进程最后执行 cpu_idle ，成为 idle 进程  系统创建的第一个进程（ 1 号进程）  该进程最后找到一个 init 程序进行 Linux 运行环境的初 始化

upstart 管理的 ubuntu 启动过程： 1, 内核启动 init 2,init 找到 /etc/event.d/rc-default 文件，确定默认运行级别 (X) 3, 触发相应的 runlevel 事件，开始运行 /etc/event.d/rcX 4,rcX 运行 /etc/init.d/rc ，传入参数 X 5,/etc/init.d/rc 脚本进行一系列设置，最后运行相应的 /etc/rcX.d/ 中的脚本 6,/etc/rcX.d/ 中的脚本按事先设定的优先级依次启动，直至 最后给出登录画面 ( 启动 X 服务器和 GDM)  若不想启动某程序，只要把相应的符号链接从 /etc/rc2.d/ 中删去即可

Thanks ！ The end.