Linux Kernel 2.6.37 启动过程：go_to_protected_mode

现在就让我们看一下到底是怎么进入保护模式。

void go_to_protected_mode(void)
{
    /* Hook before leaving real mode, also disables interrupts */
    realmode_switch_hook();

    /* Enable the A20 gate */
    if (enable_a20()) {
        puts("A20 gate not responding, unable to boot...\n");
        die();
    }

    /* Reset coprocessor (IGNNE#) */
    reset_coprocessor();

    /* Mask all interrupts in the PIC */
    mask_all_interrupts();

    /* Actual transition to protected mode... */
    setup_idt();
    setup_gdt();
    protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,
                (u32)&boot_params + (ds() << 4));
}

1. 首先需要执行由bootloader指定的hook。

/*
 * Invoke the realmode switch hook if present; otherwise
 * disable all interrupts.
 */
static void realmode_switch_hook(void)
{
    if (boot_params.hdr.realmode_swtch) {
        asm volatile("lcallw *%0"
                 : : "m" (boot_params.hdr.realmode_swtch) //hook由bootloader指定，并不是所有bootloader都会指定hook。详细的可以参见Documentation/x86/boot.txt里的Advanced Boot Loader Hooks
                 : "eax", "ebx", "ecx", "edx");
    } else {
        asm volatile("cli");
        outb(0x80, 0x70); /* Disable NMI */ //NMI的具体介绍可以参见http://wiki.osdev.org/Non_Maskable_Interrupt
        io_delay();
    }
}

2. 然后就需要把A20打开。A20是x86系统里的第21根地址线，它存在于80286以后的CPU。打开A20就能在实模式下访问最大至16M的地址空间。CPU进入保护模式必须把A20打开。

3. reset_coprocessor()，显然就是重置协处理器。实际是向0xf0和0xf1都写入0。没有查到0xf0和0xf1具体的定义。不好多说些什么。

4. mask_all_interrupts()，很显然，由于马上要进入保护模式了，一切的中断都屏蔽掉。

5. setup_idt()，将idt初始化为0。即当前不使用IDT.

6. setup_gdt()，将初始化GDT和GDT里面的内容。其代码如下：

static void setup_gdt(void)
{
    /* There are machines which are known to not boot with the GDT
       being 8-byte unaligned.  Intel recommends 16 byte alignment. */
    static const u64 boot_gdt[] __attribute__((aligned(16))) = {
        /* CS: code, read/execute, 4 GB, base 0 */
        [GDT_ENTRY_BOOT_CS] = GDT_ENTRY(0xc09b, 0, 0xfffff),
        /* DS: data, read/write, 4 GB, base 0 */
        [GDT_ENTRY_BOOT_DS] = GDT_ENTRY(0xc093, 0, 0xfffff),
        /* TSS: 32-bit tss, 104 bytes, base 4096 */
        /* We only have a TSS here to keep Intel VT happy;
           we don't actually use it for anything. */
        [GDT_ENTRY_BOOT_TSS] = GDT_ENTRY(0x0089, 4096, 103),
    };
    /* Xen HVM incorrectly stores a pointer to the gdt_ptr, instead
       of the gdt_ptr contents.  Thus, make it static so it will
       stay in memory, at least long enough that we switch to the
       proper kernel GDT. */
    static struct gdt_ptr gdt;

    gdt.len = sizeof(boot_gdt)-1;
    gdt.ptr = (u32)&boot_gdt + (ds() << 4);

    asm volatile("lgdtl %0" : : "m" (gdt));
}

首先我们需要了解的是GDT entry的结构。

GDT_ENTRY的定义如下：

/* Constructor for a conventional segment GDT (or LDT) entry */
/* This is a macro so it can be used in initializers */
#define GDT_ENTRY(flags, base, limit)            \
    ((((base)  & 0xff000000ULL) << (56-24)) |    \
     (((flags) & 0x0000f0ffULL) << 40) |        \
     (((limit) & 0x000f0000ULL) << (48-16)) |    \
     (((base)  & 0x00ffffffULL) << 16) |        \
     (((limit) & 0x0000ffffULL)))

可以清楚得看到，base, limit和flag通过位移和或组成了GDT_ENTRY。其中flags代表了40-47位的access byte和52-55位的flags。

CS和DS的Flags=0xc0, 所以Gr=1（4K为一个页面） Sz=1（该内存段是保护模式下可访问）

CS的Access Byte = 0x9b，意味着Pr=1（合法的Entry Pr必须为1）， Privl=0（ring=0）Ex=1（该段可执行），DC=0（该段只能在Privl设定的级别代码访问，这里该段只能在Ring 0下访问），RW=1（该段是代码段，所以RW=1指明该段可读）

DC的Access Byte=0x93，意味着Pr=1（合法的Entry Pr必须为1）， Privl=0（ring=0）Ex=0（该段为数据段），DC=0（这是数据段，DC指明该段以低地址段为起点，高地址方向是段地址增长方向）RW=1（该段是数据段，RW=1指明该段为可写）

7. 接下来就跳转到protected_mode_jump(在pmjump.S里)这段汇编代码里面去。传入两个参数。

第一个是参数是hdr.code32_start。这个参数缺省由编译器产生，指向0x100000即1M的位置，kernel的32位保护模式启动代码就在那里。当然bootloader可以改变这个值以指向bootloader的hook，或者bootloader没有把code32_start定位在0x100000的位置。

第二个参数是(u32)&boot_params + (ds() << 4)，实际上是把boot_params在实模式下的地址转换到保护模式的地址。因为CS和DS指的都是从0到4G的地址空间，所以这样的转换就足够了。

有一个问题是我们在前面讨论的时候没有涉及到的，那就是bootloader怎么找到32位启动代码的？我们可以看一下arch/x86/boot/Makefile. 我们会发现kernel实际由setup.bin和vmlinux.bin组成。而vmlinux.bin实际上在arch/x86/boot/compressed下面。打开vmlinux.lds.S，你可以看到以下定义

#ifdef CONFIG_X86_64
OUTPUT_ARCH(i386:x86-64)
ENTRY(startup_64)
#else
OUTPUT_ARCH(i386)
ENTRY(startup_32)  //启动入口是startup_32即code32_start
#endif

SECTIONS
{
    /* Be careful parts of head_64.S assume startup_32 is at
     * address 0.
     */
    . = 0; //从相对地址0开始，由于bootloader一般会把32位保护模式代码装载到0x100000的位置所以启动的入口就在这里。汇编代码在header_32.S中
    .head.text : {
        _head = . ;
        HEAD_TEXT
        _ehead = . ;
    }
    .rodata..compressed : { //压缩过的kernel代码
        *(.rodata..compressed)
    }
    .text :    { //数据段
        _text = .;     /* Text */
        *(.text)
        *(.text.*)
        _etext = . ;
    }
    .rodata : {
        _rodata = . ;
        *(.rodata)     /* read-only data */
        *(.rodata.*)
        _erodata = . ;
    }
    .got : {
        _got = .;
        KEEP(*(.got.plt))
        KEEP(*(.got))
        _egot = .;
    }
    .data :    {
        _data = . ;
        *(.data)
        *(.data.*)
        _edata = . ;
    }
    . = ALIGN(L1_CACHE_BYTES);
    .bss : {
        _bss = . ;
        *(.bss)
        *(.bss.*)
        *(COMMON)
        . = ALIGN(8);    /* For convenience during zeroing */
        _ebss = .;
    }
#ifdef CONFIG_X86_64
       . = ALIGN(PAGE_SIZE);
       .pgtable : {
        _pgtable = . ;
        *(.pgtable)
        _epgtable = . ;
    }
#endif
    _end = .;
}

所以bootloader只要找到startup_32就知道哪里是32位保护模式代码了。直接把从startup32开始的kernel文件剩余部分装载进内存就好了。

明天我们将真正地走到保护模式，又一次进入汇编的世界。