Linux 操作系统分析 主讲：陈香兰 助教：贾永泉、毛熠璐 （西区电三 421 ） Autumn 2007

Operating System Analysis2 上次课内容回顾 Linux 简介 Linux 内核分析的一些基础知识 操作系统基本概念 堆栈 用户态 / 内核态 虚拟内存

基于 i386 体系结构的 Linux 启动代码分析

Linux Operating System Analysis4 主要内容 源代码简介 启动代码简介 Linux 内核代码组成分析 Linux 的启动层次 Linux 的启动分析

Operating System Analysis5 源代码来源 根据《 Understanding the Linux Kernel 》 （ 2 nd Edition ），我们采用 Linux 有中文版 下载地址： ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/linux tar.gz 加压缩后，建立 Source Insight 工程

Operating System Analysis6 Source Insight 可以用来辅助代码阅读 到 上可以下载 到它的试用版，试用期估计在 30 天左右

Operating System Analysis7 Linux 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

Operating System Analysis8 Linux 内核源代码中的主要子目录 Documentation 内核方面的相关文档。 arch 与体系结构相关的代码。对应于每个 支持的体系结构，有一个相应的目录 如 i386 、 arm 、 alpha 等。每个体系结 构子目录下包含几个主要的子目录： kernel 与体系结构相关的核心代码 mm 与体系结构相关的内存管理代码 lib 与体系结构相关的库代码 include 内核头文件。对每种支持的体系结构 有相应的子目录。 init 内核初始化代码。

Operating System Analysis9 kernel 内核管理代码。 mm 内存管理代码。 ipc 进程间通讯代码。 net 网络部分代码。 lib 与体系结构无关的内核库代码。 drivers 设备驱动代码。每类设备有相应的子 目录，如 char 、 block 、 net 等 fs 文件系统代码。每个支持文件系统有 相应的子目录，如 ext2 、 proc 等。 modules 可动态加载的模块。 Scripts 配置核心的脚本文件。

Operating System Analysis10 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

Operating System Analysis11 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

Operating System Analysis12 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

Operating System Analysis13 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 ）

Operating System Analysis14 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

Operating System Analysis15 阅读顶层目录下的 Makefile 找到缺省目标 链接

Operating System Analysis16 找到 vmlinux 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

Operating System Analysis17 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 boot bzImage/zImage 可以在 i386 的 Makefile 中找到相应 规则 Makefile 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

Operating System Analysis18 i386/boot 的 Makefile 看 i386/boot 的 Makefile 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 vmlinux zImage 为 bootsect + setup + compressed/vmlinux bzImage 为 bbootsect + bsetup + compressed/bvmlinux

Operating System Analysis19 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

Operating System Analysis20 I386 机器的启动层次 BIOS (Basic I/O System) Boot loader 软盘启动、硬盘启动 Linux kernel

Operating System Analysis21 BIOS 加电， RESET 引脚 初始化寄存器； CS:IP = 0xfffffff0, in ROM ROM  BIOS BIOS 启动内容 POST （上电自检） 初始化硬件设备 搜索一个操作系统来启动 根据配置，操作系统可以在软盘 / 硬盘 /CD_ROM 上 把对应设备的第一个扇区的内容（ boot loader 或部分）拷贝 到 RAM(0x7c00) 处 跳转到 0x7c00 处执行

Operating System Analysis22 Boot loader （引导装载程序） BIOS 调用 Boot loader 来把操作系统的内核映像装载 到 RAM 中 考虑 IBM PC 的启动 软盘启动： BIOS 拷贝第一个扇区的内容（ bootsect ）到 RAM （ 0x7c00 ）中 硬盘启动： 硬盘的第一个扇区：主引导记录 MBR, Master Boot Record ， MBR 存储该硬盘的分区表 + 一小段引导程序 这个引导程序用来装载 OS 所在分区的第一个扇区（ boot loader ）的内容到 RAM 中 这个引导程序也可以被替换

Operating System Analysis23 Linux 的 Boot Loader 典型的有： LILO 和 Grub LILO （ Linux Loader ） 可以被安装在 OS 分区的第一个扇区（启动扇区） 也可以代替 MBR 中的引导程序 事实上， LILO 的代码尺寸大于一个扇区，因此被分成 两个部分 MBR 或启动扇区部分 剩余部分 第一部分也被 BIOS 装载到 RAM 中 0x7c00 的位置 第一部分在运行时将自己完整的装载到 RAM 中

Operating System Analysis24 Linux 的 Boot Loader 通常 LILO 或 GRUB 会显示一个已安装操作系统 的列表 按照用户的选择（或者按照缺省项）装载目标 操作系统运行 可能装载操作系统指定的启动代码运行 可能直接装载操作系统内核来运行

Operating System Analysis25 LILO 的 OS 启动过程 显示 “Loading…” 操作系统前 512 （一个扇区大小， bootsect ） 的内容被装载到 RAM 的 0x90000 紧接着的内容（ setup ）被装在到 0x90200 其他操作系统内核被装载到 对于小内核： 0x10000 （即 64K 处），称为低装载 对于大内核： 0x （即 1M 处），称为高装载 跳转到 setup 处运行

Operating System Analysis26 I386 内核的启动 启动方式 软盘启动：从 bootsect 开始运行 硬盘启动：从 setup 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

Operating System Analysis27 硬件角度： I386 实模式下的内存布局图 RAM 1-MB ROM-BIOS VIDEO-BIOS VRAM 0xA0000 0xC0000 0xF0000 0x00000

Operating System Analysis28 I386 内核从实模式开始启动运行 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

Operating System Analysis29 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 ） 低装载情况

Operating System Analysis30 软盘启动， bootsect.S bootsect.S 0x7c00  0x x7c00, BIOS 0x90000, lilo 堆栈， 0x3ff4(0x ), 向下增长 磁盘参数表， 12Bytes ， 0x3ff4~0x4000 显示 “Loading” Setup  0x90200 系统 小内核， 0x10000 （ 64KB 处），低装载 大内核， 0x （ 1MB 处），高装载 setup

Operating System Analysis31 硬盘启动，两阶段引导 装载 LILO （ LInuxLOader ） 第一个扇区 … 装载 LINUX Bootsect.S  0x90000 Setup.S  0x90200 系统 0x x 跳转到 setup

Operating System Analysis32 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： 0x ：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 documentation/i386/boot.txt documentation/i386/boot.txt

Operating System Analysis33 Setup 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

Operating System Analysis34 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 0x 处

Operating System Analysis35 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  0x （ 1MB ） 跳转到 0x 处

Operating System Analysis36 解压缩后， vmlinux 在 0x 处 根据 vmlinux.lds ， vmlinux 的地址被链接为 0xc x 处 vmlinux.lds 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

Operating System Analysis37 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

Operating System Analysis38 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 1MB ， 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 2 16 =0x10000=64KB 物理地址 = 段寄存器 ×16+ 偏移

Operating System Analysis39 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

Operating System Analysis40 图示 descriptor Interrupt Descriptor Table Global Descriptor Table GDTR IDTR

Operating System Analysis41 查看 setup.S 和 head.S 中的 gdt/ldt setup.S head.S 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

Operating System Analysis42 控制寄存器（ Control Registers ） CR0 CR1 CR2 CR3 与内存相关

Operating System Analysis43 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

Operating System Analysis44 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)

Operating System Analysis45 作业 2 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？ 简单叙述一下 Linux 的 bzImage 的软盘启动过程