进入内核前的苦力活[linux源码趣读]

总体

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加载代码

  • pc指针初始指向0xFFFF0（ROM） 代表BIOS的地址
  • 加载硬盘第一扇区代码（bootsetct）到0x7c00
  • 复制到0x90000
  • 跳转到go代码，设置好cs ds ss sp
  • 把全部os代码搬入内存（setup.s 2~5； head.s 240扇区），至此bootsect.s使命完成
  • setup.s 使用int 指令初始化光标、内存、显卡、磁盘等信息放到bootsect.s的位置，并把system代码复制到0位置

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进入保护模式

setup.s

  1. 设置初始化IDT(键盘、时钟、串口、鼠标)，GDT（包含代码段、数据段描述符）并设置寄存器指向他们的地址

  2. 将cr0中PE置为1，切换到保护模式（地址转换也响应变换）

    • 原来实模式下地址转换的方法image-20240413114140760

    • 保护模式下转换方法：需要转换一下段基址（段寄存器（比如 ds、ss、cs）里存储的是段选择子，段选择子去全局描述符表中寻找段描述符，从中取出段基址）

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  3. 跳转到cs：ip 0:0位置，从现在开始进入system代码

  4. 重新设置idt、gdt，指向新的空间

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开启分页

地址转换

cr0中的PG设置为1

没有开启分页机制的时候，只需要经过这一步转换即可得到最终的物理地址了，但是在开启了分页机制后，又会多一步转换。

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二级页表线性地址转物理地址（第一级叫页目录表 PDE，第二级叫页表 PTE），MMU负责转换

0000000011_0100000000_000000000000

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当时 linux-0.11 认为，总共可以使用的内存不会超过 16M，也即最大地址空间为 0xFFFFFF。

而按照当前的页目录表和页表这种机制，1 个页目录表最多包含 1024 个页目录项（也就是 1024 个页表），1 个页表最多包含 1024 个页表项（也就是 1024 个页），1 页为 4KB（因为有 12 位偏移地址），因此，16M 的地址空间可以用 1 个页目录表 + 4 个页表搞定。

4（页表数）* 1024（页表项数） * 4KB（一页大小）= 16MB

全局结构

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CR3寄存器是虚拟内存管理的核心部分，与操作系统的内存管理紧密相关。当操作系统需要切换当前的内存映射时（如进程切换时），它会更新CR3寄存器的值来指向新的页目录表。

小结

Intel 体系结构的内存管理可以分成两大部分，也就是标题中的两板斧，分段和分页。

分段机制在之前几回已经讨论过多次了，其目的是为了为每个程序或任务提供单独的代码段（cs）、数据段（ds）、栈段（ss），使其不会相互干扰。(保护模式必须开启)

分页机制是本回讲的内容，开机后分页机制默认是关闭状态，需要我们手动开启，并且设置好页目录表（PDE）和页表（PTE）。其目的在于可以按需使用物理内存，同时也可以在多任务时起到隔离的作用，这个在后面将多任务时将会有所体会。

  • 逻辑地址：我们程序员写代码时给出的地址叫逻辑地址，其中包含段选择子和偏移地址两部分。
  • 线性地址：通过分段机制，将逻辑地址转换后的地址，叫做线性地址。而这个线性地址是有个范围的，这个范围就叫做线性地址空间，32 位模式下，线性地址空间就是 4G。
  • 物理地址：就是真正在内存中的地址，它也是有范围的，叫做物理地址空间。那这个范围的大小，就取决于你的内存有多大了。

最后进入main函数是利用ret指令，ret会将栈顶作为下一条指令的地址，所以只需要将main函数提前入栈即可

总结

前五节：载入代码

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之后包含进入保护模式（分段）以及开启分页，初始化了IDT、GDT、页表，并且设置响应寄存器指向他们：idtr 寄存器指向了 idt，这个就是中断的设置；gdtr 寄存器指向了 gdt，这个就是全局描述符表的设置，可以简单理解为分段机制的设置；cr3 寄存器指向了页目录表的位置

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Intel 本身对于访问内存就分成三类：

  • 代码
  • 数据
  • 栈

而 Intel 也提供了三个段寄存器来分别对应着三类内存：

  • 代码段寄存器（cs）
  • 数据段寄存器（ds）
  • 栈段寄存器（ss）

具体来说：

  • cs:eip 表示了我们要执行哪里的代码。
  • ds:xxx 表示了我们要访问哪里的数据。
  • ss:esp 表示了我们的栈顶地址在哪里。

而第一部分的代码，也做了如下工作：

  • 将 ds 设置为了 0x10，表示指向了索引值为 2 的全局描述符，即数据段描述符。
  • 将 cs 通过一次长跳转指令设置为了 8，表示指向了索引值为 1 的全局描述符，即代码段描述符。
  • 将 ss:esp 这个栈顶地址设置为 user_stack 数组的末端。

你看，分段和分页，以及这几个寄存器的设置，其实本质上就是安排我们今后访问内存的方式，做了一个初步规划，包括去哪找代码、去哪找数据、去哪找栈，以及如何通过分段和分页机制将逻辑地址转换为最终的物理地址。

而所有上面说的这一切，和 Intel CPU 这个硬件打交道比较多，设置了一些最最最最基础的环境和内存布局，为之后进入 main 函数做了充分的准备，因为 c 语言虽然很底层了，但也有其不擅长的事情，就交给第一部分的汇编语言来做，所以我称第一部分为进入内核前的苦力活。

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void main(void) {
    ROOT_DEV = ORIG_ROOT_DEV;
    drive_info = DRIVE_INFO;
    memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);
    memory_end &= 0xfffff000;
    if (memory_end > 16*1024*1024)
        memory_end = 16*1024*1024;
    if (memory_end > 12*1024*1024) 
        buffer_memory_end = 4*1024*1024;
    else if (memory_end > 6*1024*1024)
        buffer_memory_end = 2*1024*1024;
    else
        buffer_memory_end = 1*1024*1024;
    main_memory_start = buffer_memory_end;
    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    trap_init();
    blk_dev_init();
    chr_dev_init();
    tty_init();
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
    hd_init();
    floppy_init();
    sti();
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) {
        init();
    }
    for(;;) pause();
}