基于 x86 的 Linux 启动代码分析小结和作业.... Linux 操作系统分析 2 基于 x86 的 Linux 启动代码分析陈香兰苏州研究院中国科学技术大学 Fall

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巅佑班
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2 基于 x86 的 Linux 启动代码分析陈香兰 (xlanchen@ustceducn) 计算机应用教研室 @

1 2 基于 x86 的 Linux 启动代码分析陈香兰苏州研究院中国科学技术大学 Fall 2010 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

2 Outline 1 基于 x86 的 Linux 启动代码分析 2 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

3 源代码来源内核版本 :2626 ftp://ftpkernelorg/pub/linux/kernel/v26/linux-2626targz 解压缩后, 成功编译一次建立 Source Insight 工程 Windows+Source Insight Wine+Source Insight 安装 wine:sudo apt-get install wine 在 wine 中安装 SourceInsight:wine XXXexe 陈香兰

4 基于 x86 的 Linux 启动代码分析了解 linux 的源码组织看目录结构了解 linux 的内核代码结构看 Makefile 了解基于 x86 的 linux 的 boot image 的结构看 Makefile 文件和链接描述文件掌握 x86 的启动流程阅读启动源码文件陈香兰

5 Linux-2626 阅读 linux 目录下的 README 关于 Linux 的介绍 (WHAT IS LINUX? ) 该版本内核支持的体系结构 (ON WHAT HARDWARE DOES IT RUN?) Linux 源代码目录中的文档目录 (DOCUMENTATION) 如何配置编译安装等等 INSTALLING the kernel BUILD directory for the kernel CONFIGURING the kernel COMPILING the kernel 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

6 Linux 内核源代码中的主要子目录 I 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 x86 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, 如 asm-x86 asm-arm asm-alpha 等符号链接 asm, 如 asm -> asm-x86 实际上, #include asm/xxxxh? 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

7 Linux 内核源代码中的主要子目录 II init 内核初始化代码提供 mainc, 包含 start kernel 函数 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等等陈香兰

8 考虑 Arch 为 i386 考察如下目录观察 Linux 源码的根目录观察 arch 目录观察 arch 下的 x86 目录 arch/x86/boot arch/x86/boot/compressed arch/x86/kernel 观察 Linux 的 init 目录陈香兰

9 阅读 documentation/i386/boottxt I 由于一些历史的原因, 基于 x86 的 Linux 的启动比较复杂这个文档 (THE LINUX/I386 BOOT PROTOCOL) 包含如下内容 1 Linux/i386 的启动协议 ( 若干个 ) 2 内存布局图 (MEMORY LAYOUT ) 3 实模式下的内核头结构及细节 (THE REAL-MODE KERNEL HEADER ) 4 内核的命令行 (THE KERNEL COMMAND LINE) 5 MEMORY LAYOUT OF THE REAL-MODE CODE 6 启动配置示例 (SAMPLE BOOT CONFIGURATION) 7 装载 Linux 的剩余部分 (LOADING THE REST OF THE KERNEL) 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

10 阅读 documentation/i386/boottxt II 8 特殊的命令行参数 (SPECIAL COMMAND LINE OPTIONS ) 9 运行内核 10 (RUNNING THE KERNEL) 高级启动回调函数 11 (ADVANCED BOOT LOADER HOOKS ) 32-bit BOOT PROTOCOL 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

11 阅读 Linux 源码根目录下的 Makefile 找到缺省目标 all 找到 vmlinux 目标, 并阅读陈香兰

12 解释 : 关于 $(call if changed rule, vmlinux ) rule vmlinux 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

13 链接描述文件? 链接顺序 : vmlinux-init vmlinux-main 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

14 参见 Documentation/kbuild/makefilestxt 陈香兰

15 注意 : vmlinux-init vmlinux-main vmlinux-dirs 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

16 主要目标文件的编译 vmlinux 不妨以 core-y 为例, 观察体系相关和体系无关部分的代码是如何被包含进来的陈香兰

x86 的启动文件根据 vmlinux-init 找到 head-y, init-y 关于 arch/x86/makefile 的引入根 Makefile 中以 include 的方式包含了 X86 体系结构相关部分的 Makefile 在这个 Makefile 中在根 Makefile 中其中, 变量 BITS

17 x86 的启动文件根据 vmlinux-init 找到 head-y, init-y 关于 arch/x86/makefile 的引入根 Makefile 中以 include 的方式包含了 X86 体系结构相关部分的 Makefile 在这个 Makefile 中在根 Makefile 中其中, 变量 BITS 为 32 或者 64, 我们只考虑 32 位的情况可以看到 vmlinux 包含如下内容 i386/kernel/head 32S 等 + init/mainc + init/versiono + CORE FILES + DRIVERS + NETWORKS + LIBS 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

18 为便于阅读, 了解关于命令输出的相关内容陈香兰

19 make XXX 若 make install 在 x86 的 Makefile 中有 install 规则若 make bzimage/zimage 等, 则要找到对应的目标然后进行 bzimage/zimage 可在 arch/x86 的 Makefile 中找到相应规则其他的 zxxx/bzxxx 也都依赖于 boot 下的 zimage/bzimage 它们最终都找到 i386/boot/makefile 陈香兰

20 考虑 boot bzimage I Make bzimage 在 arch/x86/makefile 中 z 代表压缩 ;b 代表大内核到 boot 目录下的 Makefile 观察 boot 目录和 boot 下的 Makefile 观察 compressed 目录及该目录下的 Makefile 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

21 考虑 boot bzimage II 最后 : 在 Linux 内核源代码顶层目录下生成一个 vmlinux arch/x86/kernel/head 32S +init/mainc+ compressed 下的 vmlinux 为 compressed/head 32S + 压缩后的顶层目录下的 vmlinux boot 下的 bzimage 为 boot 下 headers 等 ( 即 setupbin)+compressed/vmlinux 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

22 x86 的启动 ( 小结 ) boot/headers 等 compressed/head 32S 等 kernel/head 32S 等 init/mainc 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

23 I386 机器的启动层次 1 BIOS (Basic I/O System) 2 Bootloader 软盘启动硬盘启动嵌套 boot loader 例如 :grub lilo 3 Linux kernel Bootloader 必须完成内核代码的加载, 然后跳转到入口处运行陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

24 BIOS I 加电,RESET 引脚 CPU 加电后, 将会初始化程序指针到某个约定好的地址上取指令运行, 在这个地指处, 往往安排了启动相关的代码, 例如 BIOS 或者 reset 向量处理入口初始化寄存器 ;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 (bootloader 或部分 ) 拷贝到 RAM(0x7c00) 处跳转到 0x7c00 处执行陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

25 Bootloader( 引导装载程序 ) BIOS 调用 Bootloader 把操作系统内核映像装载到 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陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

26 Linux 的 BootLoader 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 ( 嵌套的情况 ) 可能直接装载操作系统内核来运行陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

27 LILO 的 OS 启动过程显示 Loading header 内容被装载到 RAM 的 0x90000 操作系统内核的其他内容被装载到对于小内核 :0x10000( 即 64K 处 ), 称为低装载对于大内核 :0x100000( 即 1M 处 ), 称为高装载跳转到 0x90200 处运行陈香兰

28 I386 内核的启动启动方式软盘启动 :Linux2626 不支持硬盘启动 : 从 header 的 start 开始运行在进入源代码讲解之前, 先看一下加载 i386 内核的内存布局图陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

29 硬件角度 : I386 实模式下的内存布局图陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

30 I386 内核从实模式开始启动运行什么是实模式? 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 : cs/ds/es/fs/gs 段寄存器长度 :16bit 段长 :16 位偏移 =64KB 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

31 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=0x100000) 参见 boottxt 陈香兰

32 硬盘启动, 两阶段引导装载 LILO(LInuxLOader) 第一个扇区装载 LINUX headers 等 0x90000, 其中 start 在 0x90200 处系统跳转到 start 0x x 陈香兰

33 启动第一步, 小结总之, 在跳转到 headers 的 start 的时候, 内存里面的代码布局为 0x90000: headers 前 512 字节内容 0x90200: headers 的 start 及其后低装载 : 高装载 : 0x10000: 带解压的 vmlinux 0x100000: 带解压的 vmlinux 实模式下的内核头结构包括 512 字节的最后和 start 之后的一些位置从偏移 0x1F1 开始, 具体描述参见 documentation/i386/boottxt 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

34 HeaderS 之 start:0x90200 start: 跳转到 start of setup 检查 setup 的 signature 清除 BSS 段跳转到 main 执行其中,Main 用来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 go to protected mode 陈香兰

35 关于保护模式在 setupbin 中, 从实模式保护模式保护模式下, 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 陈香兰

36 图示陈香兰

37 段描述符的格式陈香兰

38 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如在 arch/x86/boot/headers 陈香兰

39 go to protected mode I arch/x86/boot/mainc 中,main 函数最后调用 go to protected mode 函数 arch/x86/boot/pmc 中陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

40 go to protected mode II 这里是 code32 start 的定义在陈香兰

41 go to protected mode III main 函数在一开始就调用了 copy boot params 陈香兰

42 arch/boot/compressed 具有自解压功能的 vmlinuxbin zimage 中, 在 0x1000 处关于 ,10000,1000( 参见 move kernel arround) bzimage 中, 在 0x 处 compressed/head 32S 的 startup 32 初始化段寄存器和一个临时堆栈初始化 BSS 段解压缩 decompress kernel 无论高装载或低装载解压缩后, 都在物理地址 0x (1MB) 处跳转到 0x 处 linux-2626\arch\x86\configs\i386 defconfig 中定义 CONFIG PHYSICAL START=0x 陈香兰

43 解压缩后,vmlinux 在 0x 处根据 vmlinuxlds,vmlinux 的地址被链接为 0xc x 处如何正确运行呢? 最初是实模式, 然后进入保护模式, 还没有分页映射好期间, 没有长跳转, 只使用采用相对地址的近距离跳转不使用符号名陈香兰

44 Kernel/Head 32S Startup 32 初始化段寄存器设置页目录和页表, 分页建立进程 0 的内核堆栈 Setup idt 拷贝系统参数识别处理器 GDT IDT i386 start kernel 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

45 如何进入 start kernel???? 如何从 0~8M 的空间中转入 3G 以上的地址空间中运行的??? 陈香兰

46 关于页目录和页表的定义及初始化 I arch/x86/kernel/head 32S 中定义了 swap pg dir arch/x86/kernel/vmlinux 32ldsS 文件中陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

47 关于页目录和页表的定义及初始化 II 分页使能在使用页目录和页表之前, 首先要进行页目录和页表的初始化 ( 部分 ) 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

48 关于页目录和页表的定义及初始化 III 陈香兰

49 关于页目录和页表的定义及初始化 IV 陈香兰

50 关于 kernel/head 32S 的内核堆栈陈香兰

51 控制寄存器 (Control Registers) CR0 CR1 CR2 CR3 大多与内存相关陈香兰

52 CR0 I 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 To turn on the PE-bit (enables protected-mode) LINUX setups ( 旧版本 ): movw $1, %ax lmsw %ax jmp flush instr // why? flush instr: 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

53 CR0 II in Linux-2626/arch/x86/boot/pmjumpS 陈香兰

54 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) 陈香兰

55 小结 1 基于 x86 的 Linux 启动代码分析 2 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

56 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? 陈香兰 (xlanchen@ustceducn)

57 Project2 基于 x86 的 linux-2626 的启动分析首先进行 Makefile 的分析, 了解 bzimage 的代码结构考虑 grub 为启动引导程序, 分析代码的启动过程提供详细分析报告陈香兰

58 Thanks! The end 陈香兰

提纲. 1 实验准备. 2 从实模式进入保护模式. 3 小结陈香兰 ( 中国科学技术大学计算机学院 ) 软件综合实验之操作系统 July 1, / 11

.. 软件综合实验之操作系统进入保护模式陈香兰中国科学技术大学计算机学院 July 1, 2016 陈香兰 ( 中国科学技术大学计算机学院 ) 软件综合实验之操作系统 July 1, 2016 1 / 11 提纲. 1 实验准备. 2 从实模式进入保护模式. 3 小结陈香兰 ( 中国科学技术大学计算机学院 ) 软件综合实验之操作系统 July 1, 2016 2 / 11 实验准备实验环境准备

基于 x86 的 Linux 启动代码分析小结和作业.... Linux 操作系统分析 2 基于 x86 的 Linux 启动代码分析 陈香兰 苏州研究院中国科学技术大学 Fall

基于 x86 的 Linux 启动代码分析小结和作业.... Linux 操作系统分析 2 基于 x86 的 Linux 启动代码分析陈香兰苏州研究院中国科学技术大学 Fall