【原】Linux初始化程序之head.S

./arch/i386/kernel/head.S

本文记录head.S的一个主要流程以及关键点，以前看head.S写的点文档，现在贴到博客上来，代码是2.4的，有点老，但是原理基本上差不多。

1. 首先用_KERNEL_DS初始化ds,es,fs,gs四个寄存器，这里_KERNEL_DS的值为0x18，此值为段选择子的值，表示在GDT中，下表为3的段描述符，并且特权级为0；

  ENTRY(gdt_table)

     .quad 0x0000000000000000  

     .quad 0x0000000000000000

     .quad 0x0000000000000000

     .quad 0x00cf9a000000ffff  /* 0x10 kernel 4GB code */

     .quad 0x00cf92000000ffff  /* 0x18 kernel 4GB data */

     ...

2. 在0x102000,0x103000,0x104000处初始化2个页表(pg0,pg1)以及一个零页empty_zero_page,分别填充描述符0x7,01007,0x2007...,其实就是设置页表项的内容，从pg0开始，映射的物理地址为0x0,0x1000,0x2000...，后面的7标示用户页面，可写，页在内存中，页表占两个页面，所以可以映射8MB的物理地址(下面定义的地址为相对于程序本身的地址，内核映像加载在1M开始的地方)

.org 0x2000

      ENTRY(pg0)

      .org 0x3000

      ENTRY(pg1)

      .org 0x4000

      ENTRY(_empty_zero_page)

设置页目录首地址为0x101000,页目录用swapper_pg_dir表示，定义如下

      .org 0x1000

      ENTRY(swapper_page_dir)

      .long 0x00102007

      .long 0x00103007

      .fill BOOT_USER_PGD_PTRS-2,4,0

      /* default : 766 entries */

      .long 0x00102007

      .long 0x00103007

      .fill BOOT_KERNEL_PGD_PTRS-2,4,0

页目录是这样安排的，pg0,pg1,766个空项,pg0,pg1,254个空项,这样共1024项，这样安排主要是为了过渡：本来进入head.S的时候CPU是以物理地址取指令的，一旦分页开启，CPU的IP指针肯定还在低地址区，还会以物理地址取地址，一直到以某个符号地址为目标作绝对转移或者调用子程序为止，如果不为用户区作相同的映射，程序就没法执行下去了。

3. 设置CR3，CR0，开启分页模式

      movl $swapper_pg_dir-_PAGE_OFFSET.%eax

      movl %eax,%cr3 /* 为CR3装载内核页目录基址 */

      movl %cr0,%eax

      orl $0x80000000,%eax

      movl %eax,%cr0 /* cr0最高位置位，开启分页 */

这里_PAGE_OFFSET大小为3G,上面使用pg0,pg1的时候也需要减去_PAGE_OFFSET，其实这个操作就是获取相应的物理地址，内核地址和物理地址有3G的偏差，./arch/i386/vmlinux.lds(vmlinux.lds是gld的链接脚本，用于安排ld输出)中有如下定义：

      SECTIONS{

      . = 0xC0000000 + 0x100000 ; /* 段的偏移量 */

      ... ...

      }

4. 转入系统空间;

      jmp 1f

   1:

      movl $1f,%eax

      jmp *%eax

   1:

   这里有两次跳转：第一次跳转的距离很近，市个相对跳转，虽说CPU还是以物理地址取指令，但是可以起到丢弃已近在CPU的取指令流水线中内容的作用，从这里开始，CPU引用数据段的符号已经不需要在减去_PAGE_OFFSET的偏移了；第二次跳转时绝对跳转，*%eax是第二个标号1的绝对地址，这样以后EIP都取系统空间的指令了，CPU也就顺利切换到系统空间。

5. 初始化堆栈，设置SS段位_KERNEL_DS,ESP指针则定义在了一个stack[2048]数组的末尾处，其实这就是第一个进程的内核栈，这儿已经在为创建第一个进程做准备了。

6. 初始化内核的BSS段，其实就是吧从_bss_start开始到_end为止的区间清0。

7. 调用setup_idt服务子程序初始化中断向量表，中断向量表共256个表项，每项8个字节，初始状态256个表项都相同，都执行同一个中断响应程序ignore_int,这个函数吴实质性的中断处理,对于到来的中断只是在屏幕上打印"Unkonwn interrupt"。

8. 初始化标志寄存器，只要pushl $0,popf1就可以了。

9. 将setup.S中获取的引导参数信息移动到empty_zero_page的前2KB的地方，后2KB清0，用于存放命令行参数。

10. 检验CPU的类型并保存相关的参数。代码中要求CPU至少是386的，386和486可以通过检验EFLAGS的AC（18位，对其检查）位来区分，因为386还没有设置AC为；而486和Pentium则看ID位（21位，是否支持CPUID指令），486是不支持CPUID的；下面的处理器就可以通过CPUID指令在寄存器eax中返回CPU芯片的信息了。

11. 设置CPU的GDTR和IDTR，直接lgdt gdt_descr和lidt idt_descr就可以了；

     idt_descr:

          .word IDT_ENTRIES*8-1  /* 256 entries*/

     gdt_descr:

          .word GDT_ENTRIES*8-1

12. 重新加载所有的寄存器：CS为_KERNEL_CS,DS,ES,FS,GS都设置为_KERNEL_DS,SS还是和前面再设置下，LDT设为空，因为Linux不用；

13. 调用start_kernel进行更搞层次的初始化，satrt_kernel都是C初始化代码了。