linux启动流程(一)

linux 启动流程

0x00 What x86

x86是Intel的CPU架构，最初是由16位的8086处理器组成的

CPU和内存之间传递数据需要用到总线

1. 访问内存中某个地址的数据 把这类总线叫地址总线
2. 内存中真正的数据 这类总线叫做数据总线

8086处理器的地址总线是20位, ip寄存器和通用寄存器是16位, 那么总线与寄存器之间的关系是把CS和DS寄存器中的值左移4位 。即: 起始地址16+偏移量

拥有20位地址总线的8086能够区分出的地址最多为
$$2^{20}=1M$$

因为偏移量只能是16位 所以一个段最多为
$$2^{16}=64k$$

32位系统架构下如何兼容8086

32位处理器有32根地址总线,可以访问
$$2^{32}=4G$$

• 实模式
• 保护模式

0x10从BIOS到bootloader

在计算机主板上 有一个东西叫ROM（Read Only Memory , 只读存储器）。ROM中初始化了一些程序，即 BIOS （Basic Input and Output System，基本输入输出系统）。

0x11 x86中的ROM

在x86系统中，将1M空间最上面的0xF0000到0xFFFFF这64k映射给ROM，也就是说这部分地址可以访问ROM。当电脑通电后会做一些重置工作：

1. 将CS设置成0xFFFF
2. 将IP设置成0x0000
3. 所以第一条指令指向0xFFFF0，正是ROM的地址范围
4. 使用JMP指令跳转到ROM的初始化工作的代码中

0x12启动盘的工作流程

启动盘：一般位于第一个扇区，占512个字节，以0xAA55结束

Grub2( Grand Unified Bootloader Version 2) 的主要作用是将代码放入启动盘区域，工作流程如下：

1. 安装boot.img ，它是由boot.S编译而成，一共512字节，安装到第一个扇区，此扇区被称为MBR( Master Boot Record , 主引导记录)

2. BIOS完成任务后，会将boot.img从硬盘加载到内存中的0x7c00中运行

3. boot.img加载grub2的另一个镜像core.img，core.img 包括以下几个部分：

   • lzma_decompress.img
   • diskboot.img
   • Kernel.img
   • 其他的模块

4. boot 先加载core.img的第一个扇区，会执行diskboot. img

   1. diskboot.img会将core.img的其他部分加载进来
   2. diskboot.img会解压lzma_decompress.img ，lzma_decompress.img 对应的代码是startup_raw.S
   3. diskboot.img解压kernel.img
   4. 最后是各个模块module对应的映像

5. 在实模式下，1M内存可能存放不下我们需要加载的东西，所以在真正解压缩之前，lzma_decompress.img 会调用real_to_prot，切换到保护模式，这样就能在更大的寻址空间里面，加载更多的东西。

0x13从实模式到保护模式

Tips:

• 段的起始地址放在内存的某个地方，这个地方是一个表格，表格中的一项一项是段描述符（Segment Descriptor）

• 段描述符内是真正的段起始位置，而段寄存器里面保存的是这个表格中的哪一项，称为选择子（Selector)

1. 启用分段，辅助进程管理

   在内存中建立段描述符表，将寄存器里面的段寄存器变成段选择子，指向某个段描述符，这样就可以实现不同进程的切换了。

2. 启动分页，辅助内存管理

3. 打开Gate A20 也就是第21根地址线的控制线。由函数DATA32 call real_to_prot打开Gate A20。

4. lzma_decompress.img 解压运行kernel.img(对应的代码是startup.S)，kernel.img做以下4件事:

   1. 解析grup.conf文件：由startup.S文件调用grub_main(grub kernel主函数)，grub_load_config() 开始解析grup.conf文件。
   2. 选择操作系统：grub_main最后会调用grub_command_execute(“normal”,0,0)，最终会调用grub_normal_execute()函数。这个函数里面grub_show_menu() 会显示操作系统列表。
   3. 例如选择linux16，会先读取内核头部数据进行检查，检查通过后加载完整系统内核：调用grub_menu_execute_entry()，开始解析并执行选择的系统文件
   4. 启动系统内核：调用grub_command_execute(“boot”, 0 , 0) 才开始真正启动内核

0x14 Gate A20的理解

例子：想访问0x12345这块内存，

• 可以使用0x1234段 偏移0x5。即：0x1234*0x10+0x0005=0x12345

• 也可以使用0x1230段 偏移0x45。即：0x1230*0x10+0x45=0x12345

那么一共出现的组合会是：

• 0xFFFF:0x000F
• 0xFFF0:0x00FF
• 0xFF00:0x0FFF
• 0xF000:0xFFFF
• 0xFFFE:0x001F
• 0xFFFD:0x002F
• 等等~~~~

以上这些组合内存都是1MB以内的。但如果使用0xFFFF:0x0010 即 0x100000 就超过1MB了，此时内存会重新指向0x00000 。那么0xFFFF:0x0011就会指向0x00001地址。

当Intel 80286处理器问世后，它拥有24位地址总线，可访问的内存变成了
$$2^{24}=16M$$
Intel80286提供了实模式用来兼容8086下的所有软件，但出现了一个处理器的bug : 当地址超过1M之后 实模式不会产生环绕，比如 0xFFFF:0x0010 将会映射到0x100000地址上，0xFFFF:0x0011 将会映射到0x100001 ,0xFFFF:0xFFFF将会映射到0x10FFEF上。

于是A20诞生了，默认情况下是关闭的(允许访问0xFFFF:0x0010 - 0xFFFF:0xFFFF)

• 实模式下：
  • 打开-> 在0x100000-0x10FFEF 会寻找真正地址
  • 关闭-> 回绕到 0x0000-FFEF
• 保护模式：
  • 打开->可连续访问内存
  • 关闭->只能访问到奇数的1M段，即0x00000-0xFFFFF、0x200000-0x2FFFFF、0x300000-0x3FFFFF…