linux 2.6.11 内核启动代码分析

首先一个操作系统的内核的启动由几部分完成:
1. 引导内核: 首先要在第一个扇区编写小于512字节的启动代码，或者使用现存的bootloader,如: LILO, GRUB等。
2. 加载内核: 将内核放在物理内存的某个物理地址上。
3. 执行内核: 指令指针转移到内核中与平台相关(如: x86, ARM)的机器码的位置，并初始化基本的功能，平台相关的代码大多用汇编编写。随后转移到平台无关的代码，完成系统的初始化，最后切换到正常的运转模式(如: IA-32下一般需要激活分页功能，并且打开保护模式的标志位跳转到保护模式)。

首先看第一阶段linux内核的实现过程(以下将linux2.6.11内核统称为linux内核,各版本代码不一致):
看一下当前根目录下的Makefile，有以下语句:

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1. include $(srctree)/arch/$(ARCH)/Makefile

$(srctree)指的就是当前的根目录，ARCH可以由我们在编译内核的时候指定，如果不指定默认为当前系统的体系结构:

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1. SUBARCH := $(shell uname -m | sed -e s/i.86/i386/ -e s/sun4u/sparc64/ \
2. -e s/arm.*/arm/ -e s/sa110/arm/ \
3. -e s/s390x/s390/ -e s/parisc64/parisc/ )

由SUBARCH这个变量来判断当前机器的体系结构。
为了方便默认为i386，具体数值可以把命令Copy一下自己在shell执行一下。


来看一下bootsect.S，该代码是较早的linux版本的引导代码。和基本的引导代码一样，首先跳转到0x7c00，随后执行代码，添加0xaa55的标记，最后让代码填充到512字节。
但是在目前的版本抛弃了该执行过程，看代码(arch/$(ARCH)/boot/bootsect.S):

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1. movw    $bugger_off_msg, %si
   
2. 
   
3. msg_loop:
   
4.     lodsb
   
5.     andb    %al, %al
   
6.     jz    die
   
7.     movb    $0xe, %ah
   
8.     movw    $7, %bx
   
9.     int    $0x10
   
10.     jmp    msg_loop
    
11. 
    
12. die:
    
13.     # Allow the user to press a key, then reboot
    
14.     xorw    %ax, %ax
    
15.     int    $0x16
    
16.     int    $0x19
    
17. 
    
18.     # int 0x19 should never return. In case it does anyway,
    
19.     # invoke the BIOS reset code...
    
20.     ljmp    $0xf000,$0xfff0
    
21. 
    
22. 
    
23. bugger_off_msg:
    
24.     .ascii    "Direct booting from floppy is no longer supported.\r\n"
    
25.     .ascii    "Please use a boot loader program instead.\r\n"
    
26.     .ascii    "\n"
    
27.     .ascii    "Remove disk and press any key to reboot . . .\r\n"
    
28.     .byte    0

上述代码执行一个循环显示bugger_off_msg告诉用户软盘启动不是长期支持的，请使用bootloader。die函数使用BIOS中断(可以在书中查找，《intel汇编语言程序设计》。或者查看标准的Phoenix BIOS，如果没有该文献和书籍，可以联系我) 等待一个按键重新启动。 
很明显Linux内核使用bootloader启动。

继续分析代码文件(arch/$(ARCH)/boot/setup.S[使用LILO的启动代码文件]): 

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1. /* Signature words to ensure LILO loaded us right */
   
2. #define SIG1    0xAA55
   
3. #define SIG2    0x5A5A
   
4. 
   
5. INITSEG = DEF_INITSEG        # 0x9000, we move boot here, out of the way
   
6. SYSSEG = DEF_SYSSEG        # 0x1000, system loaded at 0x10000 (65536).
   
7. SETUPSEG = DEF_SETUPSEG        # 0x9020, this is the current segment
   
8.                 # ... and the former contents of CS

注释写到用特征代码来确定LILO加载是正确的，说明SIG1和SIG2可能用在文件尾部来判断是否加载成功，与软盘启动0xaa55同样道理。(如果有LILO源代码或者文档请发给我，感谢!)。  
其他的代码就是一些启动代码和从磁盘读取内核的代码，例如: 使能a20地址线，读硬盘，加载GDT，LDT，开启分页或者PAE等功能然后跳转到保护模式进入32位代码等等。
本文不叙述(太多了!), 其他文章进行详细分析０－０。
略过其他代码，但还是要看一段:

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1. .byte 0x66, 0xea            # prefix + jmpi-opcode
   
2. code32:    .long    0x1000                # will be set to 0x100000
   
3.                         # for big kernels

0x66，0xea代表jmpi指令和jmpi指令前缀，加0x66指令前缀是因为我们没有重载CS寄存器，所以当前还处于实模式，没有办法跳转到0x100000的地址位置，使用0x66后，CPU将会给我们一个48位的远指针。后面跟着0x1000也就表示这段代码实际表示:
jmpi 0x1000或者0x100000, __BOOT_CS，code32标签的地址定义为如下代码:

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1. code32_start:
2. # start address for 32-bit code.
   
3. #ifndef __BIG_KERNEL__
   
4.         .long    0x1000        # 0x1000 = default for zImage
   
5. #else
   
6.         .long    0x100000    # 0x100000 = default for big kernel
   
7. #endif

也就是说如果定义了__BIG_KERNEL__(bzImage)就使用0x100000作为跳转地址，否则就使用0x1000(zImage)。
跳转到startup_32之后做一些初始化工作: 清理BSS等。随后解压内核调用decompress_kernel函数(boot/compress/misc.c)，并且跳转到解压后的内核代码位置(arch/$(ARCH)/kernel/head.S)该代码做一些最后的初始化功能:
1. 激活分页
2. 清理bss(用0字节填充__bss_start和_bss_end之间的内容)
3. 初始化中断描述符表
4. 检测处理器类型

最后调用start_kernel函数。内核就真正的开始启动了。

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深入Linux内核架构(中文版)                    Wolfgang Manuerer著    郭旭译