Linux内核启动过程解析（二）：深入保护模式与初始化流程-优快云博客

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Linux内核启动过程解析（二）：深入保护模式与初始化流程

linux-insides 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/li/linux-insides

前言

在上一篇文章中，我们分析了Linux内核启动的第一阶段，从BIOS加载引导扇区到执行16位实模式代码的过程。本文将深入探讨内核如何从实模式切换到保护模式，并详细解析这一过程中的关键步骤。

保护模式基础

为什么需要保护模式？

x86处理器最初只有实模式（Real Mode），这种模式下CPU只能访问1MB内存（实际可用通常只有640KB），且缺乏内存保护机制。随着计算机发展，这种限制变得难以接受，于是Intel在80286处理器中引入了保护模式（Protected Mode）。

保护模式的主要优势包括：

32位地址总线，可访问4GB内存
完善的内存保护机制
支持虚拟内存和分页
多任务支持

保护模式内存管理

保护模式下的内存管理分为两个独立部分：

分段机制：通过段描述符定义内存段的属性
分页机制：将线性地址转换为物理地址（本文暂不讨论）

全局描述符表(GDT)

段描述符结构

在保护模式下，内存分段不再像实模式那样使用固定的64KB段。取而代之的是段描述符，每个描述符64位，详细定义了段的属性：

63         56         51   48    45           39        32 
------------------------------------------------------------
|             | |B| |A|       | |   | |0|E|W|A|            |
| BASE 31:24  |G|/|L|V| LIMIT |P|DPL|S|  TYPE | BASE 23:16 |
|             | |D| |L| 19:16 | |   | |1|C|R|A|            |
------------------------------------------------------------

31                         16 15                         0 
------------------------------------------------------------
|                             |                            |
|        BASE 15:0            |       LIMIT 15:0           |
|                             |                            |
------------------------------------------------------------

关键字段解析：

Base：32位，定义段的起始物理地址
Limit：20位，定义段长度（实际长度=Limit+1）
G：粒度位，0表示字节粒度，1表示页粒度（4KB）
D/B：默认操作数大小，0表示16位，1表示32位
L：64位代码段标志
P：段存在标志
DPL：描述符特权级（0-3）
S：描述符类型（0=系统，1=代码/数据）
Type：段类型属性

段类型详解

段描述符可以分为两大类：

数据段：
- 可读/写属性控制
- 扩展方向控制（向上/向下扩展）
- 访问标志
代码段：
- 可执行/只读属性
- 一致性控制（能否从低特权级调用）
- 访问标志

实模式到保护模式的切换流程

切换到保护模式需要以下步骤：

禁用中断：使用CLI指令
加载GDT：使用LGDT指令
设置CR0.PE标志：开启保护模式
远跳转：跳转到保护模式代码段

Linux内核的具体实现

启动参数复制

在内核的main.c中，首先调用copy_boot_params()函数：

void copy_boot_params(void)
{
    memcpy(&boot_params.hdr, &hdr, sizeof(hdr));
    // 更新命令行指针（如果使用旧协议）
}

这个函数将内核设置头从汇编代码定义的hdr复制到boot_params结构体中。memcpy的实现使用了高效的rep movsl指令进行32位复制，剩余字节则使用movsb指令。

控制台初始化

控制台初始化通过console_init()函数完成：

void console_init(void)
{
    // 解析earlyprintk参数
    // 初始化串口
    if (cmdline_find_option_bool("debug"))
        puts("early console in setup code\n");
}

puts函数逐字符输出，遇到换行符时会先输出回车符。实际的字符输出通过BIOS中断0x10实现：

static void bios_putchar(int ch)
{
    struct biosregs ireg;
    initregs(&ireg);
    ireg.bx = 0x0007;  // 页号0，属性07h
    ireg.cx = 0x0001;  // 重复次数
    ireg.ah = 0x0e;    // 功能号：电传打字输出
    ireg.al = ch;      // 要打印的字符
    intcall(0x10, &ireg, NULL);
}