Linux Kernel 2.6.37 启动过程笔记 ：set_video

现在就让我们进去到现在为止我们面对的最复杂的代码set_video。望文生义，这个段代码一定做了些初始化显示设备的工作。那么让我们一起来看一下它到底是怎么干的。

set_video的代码在arch/x86/boot/Video.c里面

void set_video(void)
{
    u16 mode = boot_params.hdr.vid_mode; //显示模式由bootloader设定

      //参见以下的1.

    RESET_HEAP();

  //参见以下的2.
    store_mode_params();

   //参见以下3.
    save_screen();

   //参见以下4.
    probe_cards(0);

    for (;;) {
        if (mode == ASK_VGA)  //如果bootloader告诉kernel具体采用什么VGA模式需要用户自己设置
            mode = mode_menu();  //通知用户自己输入VGA模式

       

           //参见以下5.

        if (!set_mode(mode)) //只有设置了正确的显示模式后才允许继续，否则永远循环在for里面
            break;

        printf("Undefined video mode number: %x\n", mode);
        mode = ASK_VGA;
    }
    boot_params.hdr.vid_mode = mode;

      //参见6.

    vesa_store_edid();

      //参见7.

    store_mode_params();

      //参见8

    if (do_restore)
        restore_screen();
}

1. 怎么又要初始化HEAP了？我们不是在main里面做过init_heap了吗？

   

我们来把RESET_HEAP从宏还原到具体代码， 这个宏在boot.h里面定义如下

#define RESET_HEAP() ((void *)( HEAP = _end ))

  那么HEAP和_end又在什么地方呢？

  HEAP在main.c里面被定义为全局变量。

char *HEAP = _end;
  char *heap_end = _end;        /* Default end of heap = no heap */

  而_end则在我在上一篇所提到的setup.ld里。_end其实就是所有.text, .data, .bss被装载进内存之后的内存上段。

. = ALIGN(16);
_end = .;

所以，堆HEAP的底就是_end，这是编译器根据每次编译所需要生成的代码，变量在内存中的分布状况自动生成的。堆的顶heap_end就是init_heap里面建立的。堆的使用是从低地址向高地址分配。而栈使用是从高地址向低地址延伸。堆的底和栈的底之间的空间就是HEAP和stack可以使用的空间。

多说一句，栈的底是在header.S里面

movw	heap_end_ptr, %dx
addw	$STACK_SIZE, %dx
movzwl	%dx, %esp #esp现在就是栈底

栈顶就在init_heap里面

asm("leal %P1(%%esp),%0"
            : "=r" (stack_end) : "i" (-STACK_SIZE));

而RESET_HEAP从理论上来看是多余的，因为HEAP一早就被初始化成_end。

2. store_mode_params的定义就在Video.c里面。代码如下

/*
 * Store the video mode parameters for later usage by the kernel.
 * This is done by asking the BIOS except for the rows/columns
 * parameters in the default 80x25 mode -- these are set directly,
 * because some very obscure BIOSes supply insane values.
 */
static void store_mode_params(void)
{
    u16 font_size;
    int x, y;

    /* For graphics mode, it is up to the mode-setting driver
       (currently only video-vesa.c) to store the parameters */
/*graphic_mode是一个定义在Video-mode.c里面的全局变量，我们之前知道一个定义而未被初始化的变量会放在.bss段里面，而在header.S里面，.bss段里的所有内容已经被初始化为0了，所以这里graphic_mode就应该是0， 而return其实将永远无法执行到。*/
    if (graphic_mode)
        return;

      /*store_cursor_position实际上是调用INT 10 AH=0x03 来获取当前光标的位置并将其保存在boot_params.screen_info.orig_x和boot_params.screen_info.orig_y里面 */

    store_cursor_position();

   /*store_video_mode调用的是INT 10 AH=0x0f来获取当前的显示模式通过AH来返回当前显示模式下总共有可在屏幕上显示几列字符，AL返回当前的显示模式.AL=03代表是彩色显示模式，AL=07代表黑白显示模式。BH里面返回的是当前活动的显示页面是第几个。一般的设计，显卡工作在DOS兼容模式下显示页面是有2个，一个是0，一个是1.这是由于当期，显示都是准备好一个页面然后将其激活。关于显示页面我没有找google大神和翻资料。记得大学时候老师和教材里面是这么说的，懒得查了。有人知道我错的话欢迎指出。
最终返回的AH和BH会被保存到boot_params.screen_info.orig_video_mode和boot_params.screen_info.orig_video_page中*/
    store_video_mode();

    /*video_segment指向当前的显示内存，在PC中是确定的位置。具体设置的值看以下代码，它会在save_screen中被用到*/

    if (boot_params.screen_info.orig_video_mode == 0x07) {
        /* MDA, HGC, or VGA in monochrome mode */
        video_segment = 0xb000;
    } else {
        /* CGA, EGA, VGA and so forth */
        video_segment = 0xb800;
    }

    set_fs(0); //将fs段寄存器设置为0
    font_size = rdfs16(0x485); /* Font size, BIOS area */ //从fs:0x485的内存处读取一个字，将其存储在font_size中。问题是fs:0x485里面是什么？
    boot_params.screen_info.orig_video_points = font_size;

    x = rdfs16(0x44a);//从fs:0x44a的内存处读取一个字。问题是fs:0x44a里面是什么？
    y = (adapter == ADAPTER_CGA) ? 25 : rdfs8(0x484) 1;//从fs:0x44a的内存处读取一个字。问题是fs:0x484里面是什么？

      //至今为止force_x和force_y从来没有被引用和初始话，因为它们在bss段，现在的值就应该是0，x和y不会给改变

    if (force_x)
        x = force_x;
    if (force_y)
        y = force_y;

    boot_params.screen_info.orig_video_cols  = x; /*难道fs:0x44a里面就是当前显示模式下的显示列数目？*/
    boot_params.screen_info.orig_video_lines = y;/*难道fs:0x484里面就是当前显示模式下的显示行数目*/
}

3. 好了，显示模式已经保存在boot_params.screen_info里面了。接下来save_screen()开始了。它的工作就是保存当前的显示内存（由video_segment指出当前的显示内存的起始地址）。这段代码相对简单，就不做解释了。

static void save_screen(void)
{
    /* Should be called after store_mode_params() */
    saved.x = boot_params.screen_info.orig_video_cols;
    saved.y = boot_params.screen_info.orig_video_lines;
    saved.curx = boot_params.screen_info.orig_x;
    saved.cury = boot_params.screen_info.orig_y;

    if (!heap_free(saved.x*saved.y*sizeof(u16) 512))
        return;        /* Not enough heap to save the screen */

    saved.data = GET_HEAP(u16, saved.x*saved.y);

    set_fs(video_segment);
    copy_from_fs(saved.data, 0, saved.x*saved.y*sizeof(u16));
}

4. 接下来就是probe_cards了

/* Probe the video drivers and have them generate their mode lists. */
void probe_cards(int unsafe) //当前unsafe=0
{
    struct card_info *card;
    static u8 probed[2]; //静态未初始化变量应该分配在BSS段，并被header.S里面的bss初始化代码初始为0

    if (probed[unsafe])  //这是我们第一次运行， 所以probed应该是初始值0
        return;

    probed[unsafe] = 1; //置位，下次将不在probe相同的Video Card

    for (card = video_cards; card < video_cards_end; card++  ) {
        if (card->unsafe == unsafe) {  //这是我们要probe的卡吗？
            if (card->probe)
                card->nmodes = card->probe();
            else
                card->nmodes = 0;
        }
    }
}

video_cards和video_cards_end的定义如下并在setup.ld中给出内存中的section位置，但是该值并未在以前的启动代码中被初始化，也没有看到任何对于其的引用。按照一种说法是这个值是由grub填入的，但是问题又出来了。该数组的大小是多少，怎么样分配空间的？由于下载不了grub的源码，没法继续看了。

struct card_info {
    const char *card_name;
    int (*set_mode)(struct mode_info *mode);
    int (*probe)(void);
    struct mode_info *modes;
    int nmodes;        /* Number of probed modes so far */
    int unsafe;        /* Probing is unsafe, only do after "scan" */
    u16 xmode_first;    /* Unprobed modes to try to call anyway */
    u16 xmode_n;        /* Size of unprobed mode range */
};

#define __videocard struct card_info __attribute__((section(".videocards")))  //video_cards被关联到.videocards这个段。
extern struct card_info video_cards[], video_cards_end[];

5. set_mode(mode) 其代码如下：

/* Set mode (with recalc if specified) */
int set_mode(u16 mode)
{
    int rv;
    u16 real_mode;

    /* Very special mode numbers... */
    if (mode == VIDEO_CURRENT_MODE) //如果不想改变当前显示模式，那么什么也别干吧，没人在乎的。
        return 0;    /* Nothing to do... */
    else if (mode == NORMAL_VGA)
        mode = VIDEO_80x25; //标准VGA模式是80列25行文本显示
    else if (mode == EXTENDED_VGA)
        mode = VIDEO_8POINT;//扩展VGA模式是80列50行文本显示

    rv = raw_set_mode(mode, &real_mode); //rv!=0则set_mode出错了。
    if (rv)
        return rv;

    if (mode & VIDEO_RECALC)
        vga_recalc_vertical();//如果需要重新计算垂直方向的分辨率或字符行数。老实话，这段没看懂。有谁懂显示的吱一声。

    /* Save the canonical mode number for the kernel, not
       an alias, size specification or menu position */
#ifndef _WAKEUP
    boot_params.hdr.vid_mode = real_mode;
#endif
    return 0;
}

raw_set_mode又涉及到video_cards和video_cards_end。看来我必须找出到底哪里初始化了video_cards和video_cards_end.

首先让我们来看一下video_cards在哪里。那么就要首先编译kernel然后使用以下命令来对于setup.elf进行检查。

objdump -D setup.elf|less

我得到的结果如下：

Disassembly of section .videocards:

00003a14 :
3a14:       b1 39                   mov    $0x39,%cl
3a16:       00 00                   add    %al,(x)
3a18:       a5                      movsl  %ds:(%esi),%es:(i)
3a19:       2c 00                   sub    $0x0,%al
3a1b:       00 e6                   add    %ah,%dh
3a1d:       2e 00 00                add    %al,%cs:(x)
...

00003a30 :
3a30:       08 3a                   or     %bh,(x)
3a32:       00 00                   add    %al,(x)
3a34:       3e 31 00                xor    x,%ds:(x)
3a37:       00 a8 2f 00 00 00       add    %ch,0x2f(x)
...
3a49:       02 00                   add    (x),%al
3a4b:       02 0d 3a 00 00 20       add    0x2000003a,%cl

00003a4c :
3a4c:       0d 3a 00 00 20          or     $0x2000003a,x
3a51:       34 00                   xor    $0x0,%al
3a53:       00 c8                   add    %cl,%al
3a55:       34 00                   xor    $0x0,%al
...
3a5f:       00 01                   add    %al,(x)
3a61:       00 00                   add    %al,(x)
3a63:       00 00                   add    %al,(x)
3a65:       01                      .byte 0x1
3a66:       80                      .byte 0x80
...

Disassembly of section .data:

大家可以忽略反汇编的结果因为以上其实是数据段，反汇编的结果没有任何的意义。不过大家也能看到.videocards段里有video_cards, video_vesa和video_bios三个数据定义。对比setup.ld里面对于.videocards段的定义，我们会发现多了video_vesa和video_bios的定义而少了video_cards_end的定义。这是为什么呢？

我们再在arch/x86/boot下查找video_vesa和video_bios看它们的定义在什么地方分别找到了它们的定义在video-vesa.c和video-bios.c。里面分别有静态成员video-vesa和video-bios，而他们都引入video.h，而在video.h中明确指出了videocards段。所以他们都被放在videocards段。拿video-vesa作为例子

static __videocard video_vesa =
{
    .card_name    = "VESA",
    .probe        = vesa_probe,
    .set_mode    = vesa_set_mode,
    .xmode_first    = VIDEO_FIRST_VESA,
    .xmode_n    = 0x200,
};

你看到0x200了吗？是不是正好对应了3a49: 02 00？

^_^，找到了吗？我猜是的。而且还有一个video-vga.c的文件里面还定义了video_vga。所以我猜想videocards段里面有三个videocard结构第一个是video_vga，第二个就是video_vesa而第三个是video_bios。所以前面说的video_cards是由grub放入的应该是不对的，而且理论上grub和kernel的交流应该仅局限于hdr.

那我们再回头看一下probe_card(0),注意，每种显示方式vesa和bios的显示模式都是分配在堆里并形成数组，方法对我来说很巧妙。

void probe_cards(int unsafe) //当前unsafe=0
{
    struct card_info *card;
    static u8 probed[2]; //静态未初始化变量应该分配在BSS段，并被header.S里面的bss初始化代码初始为0

    if (probed[unsafe])  //这是我们第一次运行， 所以probed应该是初始值0
        return;

    probed[unsafe] = 1; //置位，下次如果unsafe=0则不许要在probe了

   //与其说是不同的显卡，我觉得不如说是不同的显示方式
    for (card = video_cards; card < video_cards_end; card++  ) { //当前会分别probe, video_vga, video_vesa和video_bios
        if (card->unsafe == unsafe) {  //初始unsafe一定是0
            if (card->probe)
               /*probe出当前支持的显示模式。VGA会使用INT10 AH=12, 和INT10 AH=10来区分cga/ega/vga。 VESA会使用INT10 AH=4f来查询VESA的信息，因为VESA比较复杂，实际上这个软中断会把结果放在一个vesa_general_info的结构里面。 而BIOS则会直接读取内存地址的方式获得获得信息*/
                card->nmodes = card->probe(); //nmodes是当前显示方式支持的模式数目。
                /*实际probe执行的顺序是vga_probe, vesa_probe再是bios_probe.其目的是首先查询支持那些vga模式，然后查询支持那些vesa模式，然后在用BIOS查询一遍所有的模式看看有哪些是在vga, vesa之外的模式还能支持。*/
            else
                card->nmodes = 0;
        }
    }
}

好了，全局变量找到了，probe也弄清楚了，展开raw_set_mode看一下到底什么.

/* Set mode (without recalc) */
static int raw_set_mode(u16 mode, u16 *real_mode)
{
    int nmode, i;
    struct card_info *card;
    struct mode_info *mi;

    /* Drop the recalc bit if set */
    mode &= ~VIDEO_RECALC; //首先清除VIDEO_RECALC位

    /* Scan for mode based on fixed ID, position, or resolution */
    nmode = 0;
    for (card = video_cards; card < video_cards_end; card ++) {
        mi = card->modes; //对于每一种显示方式(video_cards)，获取第一个支持显示模式的地址
        for (i = 0; i < card->nmodes; i  , mi++  ) {
            int visible = mi->x || mi->y;

               /*检查是否要求的mode和显示模式匹配，如果匹配就将当前的显示卡切换到要求的显示模式。但是为什么使用这样的算法进行匹配呢？由于并不了解显卡方面的知识，所以也无从得知。还好这并不妨碍我们对于总体逻辑上的判断。暂且放过吧*/

            if ((mode == nmode && visible) ||
                mode == mi->mode ||
                mode == (mi->y << 8) mi->x) {
                *real_mode = mi->mode; //返回的实际模式的值，传入的设置模式和最终的设置模式应该是兼容的但是不完全一样，这个你可以从匹配的算法得知。
                return card->set_mode(mi);  //按照probe的注解，可以知道vga，vesa, bios的显示模式并不会重叠。所以一种模式止只可能被设置一次。
            }

            if (visible)
                nmode++  ;
        }
    }

    /* Nothing found?  Is it an "exceptional" (unprobed) mode? */
   /*如果没有找到匹配的显示模式，那么就随便配一个吧总不至于黑屏吧*/
    for (card = video_cards; card < video_cards_end; card++  ) {
        if (mode >= card->xmode_first &&
            mode < card->xmode_first card->xmode_n) {
            struct mode_info mix;
            *real_mode = mix.mode = mode;
            mix.x = mix.y = 0;
            return card->set_mode(&mix);
        }
    }

    /* Otherwise, failure... */
    return -1;
}

6. 好了，我们基本能从set_mode里面回到set_video了。来看看vesa_store_edid.很显然，这就是保存显示器的edid信息到boot_params.edid_info里面，它通过INT 10 AX=4f15 BX=0x0001来实现这个读取EDID信息。其中的vgainfo结构在video_vesa.c里并定义为静态变量并且在vesa_probe里被初始化。

7. 因为已经改变过显示模式了，所以再一次运行store_mode_params保存当前的显示模式到boot_params.screen_info里

8.如果do_restore被置位，则恢复被save_screen保存的原先的video_segment内容的光标位置，为防止在切换显示模式的过程中显示内容发生变化。do_restore只在文本模式下起作用，所以vga_set_mode和bios_set_mode总会将其置为1，而vesa_set_mode的时候，如果最终切换到图形模式下则不需要置位。

好了，set_video终于结束了，接下来我们就要进入保护模式了，你准备好了吗？我们下个星期继续。