基于I386的Linux2.4.18启动过程分析

 

阅读顶层目录下的readme：

该文件对Linux进行了简单的介绍，介绍了其硬件的无关性以及相关的说明文档。然后对Linux内核的安装、配置、编译以及内核的bug报告进行了介绍。

 

阅读源代码中documentation/i386/boot.txt：

该文件包含了i386体系结构中Linux内核的启动协议，内核启动代码的编写均依照此协议进行。文件对Linux内核启动时各部分代码在内存的分布情况进行了描述：

        |                       |

0A0000 +------------------------+

        | Reserved for BIOS    |   Do not use. Reserved for BIOS EBDA.

09A000 +------------------------+

        | Stack/heap/cmdline   |   For use by the kernel real-mode code.

098000 +------------------------+ 

        | Kernel setup         |   The kernel real-mode code.

090200 +------------------------+

        | Kernel boot sector   |   The kernel legacy boot sector.

090000 +------------------------+

        | Protected-mode kernel | The bulk of the kernel image.

010000 +------------------------+

        | Boot loader          |   <- Boot sector entry point 0000:7C00

001000 +------------------------+

        | Reserved for MBR/BIOS |

000800 +------------------------+

        | Typically used by MBR |

000600 +------------------------+

        |  BIOS use only        |

000000 +------------------------+

其中，0x000000~0x001000和0x9A000~0x0A0000用于保留给BIOS，0x001000~0x010000部分用于BIOS将boot loader程序装载到0000：7C00处，而该程序又将自己复制到0x090000处，并将kernel setup复制到其后的0x090200处。

 

阅读顶层目录下的Makefile，阅读i386的Makefile，阅读i386/boot的Makefile：

Makefile首先对一些命令进行了定义以方便后面使用。当我们使用make命令时，make程序将首先找到当前目录下的Makefile文件。根据Makefile文件的语法进行处理。根目录下的Makefile文件指明了内核编译的步骤：

000 all:   do-it-all

001

002 #

003 # Make "config" the default target if there is no configuration file or

004 # "depend" the target if there is no top-level dependency information.

005 #

006 

007 ifeq (.config,$(wildcard .config))

008 include .config

009 ifeq (.depend,$(wildcard .depend))

010 include .depend

011 do-it-all: Version vmlinux

012 else

013 CONFIGURATION = depend

014 do-it-all: depend

015 endif

016 else

017 CONFIGURATION = config

018 do-it-all: config

019 endif

007~008行表明首先对内核进行配置，009~010行表明其次对内核检查依赖关系，011行表明建立目标vmlinux，据此，我们在这个文件中查找vmlinux生成的依赖关系：

vmlinux: include/linux/version.h $(CONFIGURATION) init/main.o init/version.o linuxsubdirs

       $(LD) $(LINKFLAGS) $(HEAD) init/main.o init/version.o /

              --start-group /

              $(CORE_FILES) /

              $(DRIVERS) /

              $(NETWORKS) /

              $(LIBS) /

              --end-group /

              -o vmlinux

       $(NM) vmlinux | grep -v '/(compiled/)/|/(/.o$$/)/|/( [aUw] /)/|/(/./.ng$$/)/|/(LASH[RL]DI/)' | sort > System.map

由以上代码可知，vmlinux的生成依赖的文件是：i386/kernel/head.S+ init/main.c + init/version.o+ CORE_FILES + DRIVERS+ NETWORKS + LIBS

根据一层层的依赖关系，我们得知Linux最终内核镜像的生成规则依赖i386/boot的Makefile文件，通过对该文件的分析，我们可以得知，内核镜像的组成部分为：

Bootsect+setup+vmlinux

这样，我们就可以针对性地分析每个部分生成的依赖文件（这里我们只分析启动相关的部分）：

Bootsect<-arch/i386/boot/bootsect.S

Setup<-arch/i386/boot/setup.S

Vmlinux<-arch/i386/boot/compressed/head.S+arch/i386/kernel/head.S+ init/main.c

在bootsect.S中：

首先宏定义了启动相关的内存的地址以及全局标识符，当PC机电源打开之后，80x86的CPU将自动进入实模式，并从地址0xffff0开始自动执行程序代码，这个地址通常是ROM-BIOS的地址。BIOS将进行系统的相关检测，并在物理地址0处初始化中断向量。此后，它将可启动设备的第一个扇区读入内存的绝对地址0x7C00处，并跳转到这个地方执行。该扇区的内容通常是bootloader程序（bootsect.S），该程序把自己复制到0x9000处，并把启动设备中后2KB字节代码（setup.S）读入到0x9200处，内核的其它部分（vmlinux）如果是低装载，则被读入到0x10000处，如果是高装载则被读入到0x100000处。

movw      $BOOTSEG, %ax

movw      %ax, %ds              # %ds = BOOTSEG

movw      $INITSEG, %ax

movw      %ax, %es              # %ax = %es = INITSEG

movw      $256, %cx

subw     %si, %si

subw     %di, %di

cld

rep

movsw

ljmp $INITSEG, $go

该部分执行的便是把bootloader程序复制到0x9000处。后面的程序是进行堆栈的设置，并获取磁盘的参数，并显示“Loading…”。

 

       movw     $0x0001, %ax        # set sread (sector-to-read) to 1 as

       movw     $sread, %si            # the boot sector has already been read

       movw     %ax, (%si)

 

       xorw       %ax, %ax              # reset FDC

       xorb %dl, %dl

       int   $0x13

       movw     $0x0200, %bx              # address = 512, in INITSEG

next_step:

       movb      setup_sects, %al

       movw     sectors, %cx

       subw       (%si), %cx            # (%si) = sread

       cmpb      %cl, %al

       jbe   no_cyl_crossing

       movw     sectors, %ax

       subw       (%si), %ax            # (%si) = sread

no_cyl_crossing:

       call read_track

       pushw     %ax               # save it

       call set_next          # set %bx properly; it uses %ax,%cx,%dx

       popw      %ax               # restore

       subb %al, setup_sects     # rest - for next step

       jnz   next_step

该部分执行的便是把启动设备中后2KB字节代码（setup.S）读入到0x9200处。

       pushw     $SYSSEG

       popw      %es               # %es = SYSSEG

       call read_it

       call kill_motor

       call print_nl

该部分执行的便是把内核的其它部分（vmlinux）进行低装载，读入到0x10000处。

至此，bootsect.S便完成了它的使命，以后便跳转到setup处进行执行。下面我们开始分析setup.S文件。

 

在setup.S中：

Setup.S负责从BIOS中获取数据，并将数据放到系统内存适当的地方。这时，setup.s和system已经由bootsect加载到内存中。这段代码查询BIOS中有关内存、磁盘以及其它必要参数，并将它们拷贝到0x90000~0x901ff，然后在缓冲块覆盖之前交由system读取。

在进行了签名以及内核检测等必要的程序之后，该文件的程序进行内存检测、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参数的配置。如果是zImage，则将其解压缩至0x10000处，此时将vmlinux移动到0x1000，如果是bzImage，则不动。设置临时IDT和临时GDT。设置中断向量，并由实模式进入到保护模式（bzImage情况下）。剩下的部分交由starup_32函数进行处理。

如果是bzImage，由于其没有进行压缩，所以它的starup_32函数在head.S中；如果是zImage，由于进行了压缩，head.S中的starup_32函数现在不可用，只有compressed/head.S的startup_32是可用的。在compressed/head.S中：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->解压缩至0x100000（1MB）），跳转到0x100000处。至此，zImage与bzImage两种情况都到达相同的函数入口地址，剩下来两种情况都跳转到head.S中进行执行。

 

在head.S中：

加载各个数据段寄存器，初始化页表进入分页状态，建立进程0的内核堆栈，重新设置中断描述符表IDT，拷贝系统参数，识别处理器，然后重新设置全局描述符表GDT以及IDT，最后跳转到init/main.c中的start_kernel()函数。

 

至此，系统启动完成。