内核引导过程. Part 4.

本文是在原文基础上经过本人的修改。

切换到64位模式 直到内核解压缩之前的所有步骤

这是 内核引导过程 的第四部分，我们将会看到在保护模式中的最初几步，比如确认CPU是否支持长模式，SSE和分页以及页表的初始化，在这部分的最后我们还将讨论如何切换到长模式。

注意：这部分将会有大量的汇编代码，如果你不熟悉汇编，建议你找本书参考一下。

在前一章节，我们停在了跳转到位于 arch/x86/boot/pmjump.S 的 32 位入口点这一步：

#// eax-保护模式入口点的地址 protected_mode_jump 的入参（eax其中包含32位条目的地址）,即
#//eax = boot_params.hdr.code32_start
#//arch/x86/include/uapi/asm/bootparam.h code32_start;
#//arch/x86/boot/header.S code32_start
jmpl    *%eax    # Jump to the 32-bit entrypoint

回忆一下， eax 寄存器包含了 32 位入口点的地址。我们可以在 x86 linux 内核引导协议 中找到相关内容：

When using bzImage, the protected-mode kernel was relocated to 0x100000

当使用 bzImage 时，保护模式下的内核被重定位至 0x100000

让我们检查一下 32 位入口点的寄存器值来确保这是对的：

eax            0x100000  1048576
ecx            0x0      0
edx            0x0      0
ebx            0x0      0
esp            0x1ff5c  0x1ff5c
ebp            0x0      0x0
esi            0x14470  83056
edi            0x0      0
eip            0x100000 0x100000
eflags         0x46     [ PF ZF ]
cs             0x10 16
ss             0x18 24
ds             0x18 24
es             0x18 24
fs             0x18 24
gs             0x18 24

我们在这里可以看到 cs 寄存器包含了 - 0x10 （回忆前一章节，这代表了全局描述符表中的第二个索引项）， eip 寄存器的值是 0x100000，并且包括代码段在内的所有内存段的基地址都为0。所以我们可以得到物理地址： 0:0x100000 或者 0x100000，这和协议规定的一样。现在让我们从 32 位入口点开始。

32 位入口点

我们可以在汇编源码 arch/x86/boot/compressed/head_64.S 中找到 32 位入口点的定义。

 __HEAD.code32
SYM_FUNC_START(startup_32)
....
....
....
SYM_FUNC_END(startup_32)

首先，为什么目录名叫做 被压缩的 (compressed) ？实际上 bzimage 是由 vmlinux + 头文件 + 内核启动代码 被 gzip 压缩之后获得的。我们在前几个章节已经看到了启动内核的代码。所以， head_64.S 的主要目的就是做好进入长模式的准备之后进入长模式，进入长模式以后再解压内核。在这一章节，我们将会看到直到内核解压缩之前的所有步骤。

在 arch/x86/boot/compressed 目录下有两个文件：

  • head_32.S
  • head_64.S

但是，你可能还记得我们这本书只和 x86_64 有关，所以我们只会关注 head_64.S ；在我们这里 head_32.S 没有被用到。让我们看一下 arch/x86/boot/compressed/Makefile。在那里我们可以看到以下目标：

vmlinux-objs-y := $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/head_$(BITS).o $(obj)/misc.o \$(obj)/string.o $(obj)/cmdline.o \$(obj)/piggy.o $(obj)/cpuflags.o

注意 $(obj)/head_$(BITS).o 。这意味着我们将会选择基于 $(BITS) 所设置的文件执行链接操作，即 head_32.o 或者 head_64.o。$(BITS) 在 arch/x86/Makefile 之中根据 .config 文件另外定义：

ifeq ($(CONFIG_X86_32),y)BITS := 32......
elseBITS := 64......
endif

现在我们知道从哪里开始了，那就来吧。

必要时重新加载内存段寄存器

正如上面阐述的，我们先从 arch/x86/boot/compressed/head_64.S 这个汇编文件开始。首先我们看到了在 startup_32 之前的特殊段属性定义：

    __HEAD.code32
SYM_FUNC_START(startup_32)

这个 __HEAD 是一个定义在头文件 include/linux/init.h 中的宏，展开后就是下面这个段的定义：

#define __HEAD       .section    ".head.text","ax"

其拥有 .head.text 的命名和 ax 标记。在这里，这些标记告诉我们这个段是可执行的或者换种说法，包含了代码。

arch/x86/boot/compressed/head_64.S:  __HEAD
arch/x86/boot/compressed/head_64.S: __HEAD
arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S:      HEAD_TEXT   /* __HEAD  */
arch/x86/kernel/head_64.S:  __HEAD

我们可以在 arch/x86/boot/compressed/vmlinux.lds.S 这个链接脚本里找到这个段的定义：

SECTIONS
{. = 0;.head.text : {_head = . ;HEAD_TEXT_ehead = . ;}

如果你不熟悉 GNU LD 这个链接脚本语言的语法，你可以在这个文档中找到更多信息。简单来说，这个 . 符号是一个链接器的特殊变量 - 位置计数器。其被赋值为相对于该段的偏移。在这里，我们将位置计数器赋值为0，这意味着我们的代码被链接到内存的 0 偏移处。此外，我们可以从注释里找到更多信息：

Be careful parts of head_64.S assume startup_32 is at address 0.

要小心， head_64.S 中一些部分假设 startup_32 位于地址 0。

深入 startup_32 函数

好了，现在我们知道我们在哪里了，接下来就是深入 startup_32 函数的最佳时机。

在 startup_32 函数的开始，我们可以看到 cld 指令将标志寄存器的 DF （方向标志）位清空。当方向标志被清空，所有的串操作指令像stos， scas等等将会增加索引寄存器 esi 或者 edi 的值。我们需要清空方向标志是因为接下来我们会使用汇编的串操作指令来做为页表腾出空间等工作。

在我们清空 DF 标志后，下一步就是从内核加载头中的 loadflags 字段来检查 KEEP_SEGMENTS 标志。你是否还记得在本书的最初一节，我们已经看到过 loadflags 。在那里我们检查了 CAN_USE_HEAP 标记以使用堆。现在我们需要检查 KEEP_SEGMENTS 标记。这些标记在 linux 的引导协议文档中有描述：

Bit 6 (write): KEEP_SEGMENTSProtocol: 2.07+- If 0, reload the segment registers in the 32bit entry point.- If 1, do not reload the segment registers in the 32bit entry point.Assume that %cs %ds %ss %es are all set to flat segments witha base of 0 (or the equivalent for their environment).

第 6 位 (写): KEEP_SEGMENTS协议版本: 2.07+- 为0，在32位入口点重载段寄存器- 为1，不在32位入口点重载段寄存器。假设 %cs %ds %ss %es 都被设到基地址为0的普通段中（或者在他们的环境中等价的位置）。

所以，如果 KEEP_SEGMENTS 位在 loadflags 中没有被设置，我们需要重置 ds , ss 和 es 段寄存器到一个基地址为 0 的普通段中。如下：

 testb $(1 << 6), BP_loadflags(%esi)jnz 1fclimovl  $(__BOOT_DS), %eaxmovl  %eax, %dsmovl   %eax, %esmovl   %eax, %ss

记住 __BOOT_DS 是 0x18 （位于全局描述符表中数据段的索引）。如果设置了 KEEP_SEGMENTS ，我们就跳转到最近的 1f 标签，或者当没有 1f 标签，则用 __BOOT_DS 更新段寄存器。这非常简单，但是这是一个有趣的操作。如果你已经读了前一章节，你或许还记得我们在 arch/x86/boot/pmjump.S 中切换到保护模式的时候已经更新了这些段寄存器。那么为什么我们还要去关心这些段寄存器的值呢？答案很简单，Linux 内核也有32位的引导协议，如果一个引导程序之前使用32位协议引导内核，那么在 startup_32 之前的代码就会被忽略。在这种情况下 startup_32 将会变成引导程序之后的第一个入口点，不保证段寄存器会不会处于未知状态。

在我们检查了 KEEP_SEGMENTS 标记并且给段寄存器设置了正确的值之后，下一步就是计算我们代码的加载和编译运行之间的位置偏差了。记住 setup.ld.S 包含了以下定义：在 .head.text 段的开始 . = 0 。这意味着这一段代码被编译成从 0 地址运行。我们可以在 objdump 工具的输出中看到：

arch/x86/boot/compressed/vmlinux:     file format elf64-x86-64Disassembly of section .head.text:0000000000000000 <startup_32>:0:   fc                      cld1:   f6 86 11 02 00 00 40    testb  $0x40,0x211(%rsi)

objdump 工具告诉我们 startup_32 的地址是 0 。但实际上并不是。我们当前的目标是获知我们实际上在哪里。在长模式下，这非常简单，因为其支持 rip 相对寻址，但是我们当前处于保护模式下。我们将会使用一个常用的方法来确定 startup_32 的地址。我们需要定义一个标签并且跳转到它，然后把栈顶抛出到一个寄存器中：

    call label
label: pop %reg

在这之后，那个寄存器将会包含标签的地址，让我们看看在 Linux 内核中类似的寻找 startup_32 地址的代码：

 leal    (BP_scratch+4)(%esi), %espcall 1f
1:  popl    %ebpsubl    $1b, %ebp

回忆前一节， esi 寄存器包含了 boot_params 结构的地址，这个结构在我们切换到保护模式之前已经被填充了。boot_params 这个结构体包含了一个特殊的字段 scratch ，其偏移量为 0x1e4 。这个 4 字节的区域将会成为 call 指令的临时栈。我们把 scratch 的地址加 4 存入 esp 寄存器。我们之所以在 BP_scratch 基础上加 4 是因为，如之前所说的，这将成为一个临时的栈，而在 x86_64 架构下，栈是自顶向下生长的。所以我们的栈指针就会指向栈顶。接下来我们就可以看到我上面描述的过程。我们跳转到 1f 标签并且把该标签的地址放入 ebp 寄存器，因为在执行 call 指令之后我们把返回地址放到了栈顶。那么，目前我们拥有 1f 标签的地址，也能够很容易得到 startup_32 的地址。我们只需要把我们从栈里得到的地址减去标签的地址：

startup_32 (0x0)     +-----------------------+|                       ||                       ||                       ||                       ||                       ||                       ||                       ||                       |
1f (0x0 + 1f offset) +-----------------------+ %ebp - 实际物理地址|                       ||                       |+-----------------------+

startup_32 被链接为在 0x0 地址运行，这意味着 1f 的地址为 0x0 + 1f 的偏移量 。实际上偏移量大概是 0x22 字节。 ebp 寄存器包含了 1f 标签的实际物理地址。所以如果我们从 ebp 中减去 1f ，我们就会得到 startup_32 的实际物理地址。Linux 内核的引导协议描述了保护模式下的内核基地址是 0x100000 。我们可以用 gdb 来验证。让我们启动调试器并且在 1f 的地址 0x100022 添加断点。如果这是正确的，我们将会看到在 ebp 寄存器中值为 0x100022 ：

$ gdb
(gdb)$ target remote :1234
Remote debugging using :1234
0x0000fff0 in ?? ()
(gdb)$ br *0x100022
Breakpoint 1 at 0x100022
(gdb)$ c
Continuing.Breakpoint 1, 0x00100022 in ?? ()
(gdb)$ i r
eax            0x18 0x18
ecx            0x0  0x0
edx            0x0  0x0
ebx            0x0  0x0
esp            0x144a8  0x144a8
ebp            0x100021 0x100021
esi            0x142c0  0x142c0
edi            0x0  0x0
eip            0x100022 0x100022
eflags         0x46 [ PF ZF ]
cs             0x10 0x10
ss             0x18 0x18
ds             0x18 0x18
es             0x18 0x18
fs             0x18 0x18
gs             0x18 0x18

如果我们执行下一条指令 subl $1b, %ebp ，我们将会看到：

nexti
...
ebp            0x100000 0x100000
...

好了，那是对的。startup_32 的地址是 0x100000 。在我们知道了 startup_32 的地址之后，我们可以开始准备切换到长模式了。我们的下一个目标是建立栈并且确认 CPU 对长模式和 SSE 的支持。

栈的建立和 CPU 的确认

如果不知道 startup_32 标签的地址，我们就无法建立栈。我们可以把栈看作是一个数组，并且栈指针寄存器 esp 必须指向数组的底部。当然我们可以在自己的代码里定义一个数组，但是我们需要知道其真实地址来正确配置栈指针。让我们看一下代码：

 movl    $boot_stack_end, %eaxaddl   %ebp, %eaxmovl  %eax, %esp

boots_stack_end 标签被定义在同一个汇编文件 arch/x86/boot/compressed/head_64.S 中，位于 .bss 段：

/** Stack and heap for uncompression*/.bss.balign 4
SYM_DATA_LOCAL(boot_heap,   .fill BOOT_HEAP_SIZE, 1, 0)SYM_DATA_START_LOCAL(boot_stack).fill BOOT_STACK_SIZE, 1, 0.balign 16
SYM_DATA_END_LABEL(boot_stack, SYM_L_LOCAL, boot_stack_end)

首先，我们把 boot_stack_end 放到 eax 寄存器中。那么 eax 寄存器将包含 boot_stack_end 链接后的地址或者说 0x0 + boot_stack_end 。为了得到 boot_stack_end 的实际地址，我们需要加上 startup_32 的实际地址。回忆一下，前面我们找到了这个地址并且把它存到了 ebp 寄存器中。最后，eax 寄存器将会包含 boot_stack_end 的实际地址，我们只需要将其加到栈指针上。

在外面建立了栈之后，下一步是 CPU 的确认。既然我们将要切换到 长模式 ，我们需要检查 CPU 是否支持 长模式 和 SSE。我们将会在跳转到 verify_cpu 函数之后执行：

 call    verify_cputestl %eax, %eaxjnz   no_longmode

这个函数定义在 arch/x86/kernel/verify_cpu.S 中，只是包含了几个对 cpuid 指令的调用。该指令用于获取处理器的信息。在我们的情况下，它检查了对 长模式 和 SSE 的支持，通过 eax 寄存器返回0表示成功，1表示失败。

如果 eax 的值不是 0 ，我们就跳转到 no_longmode 标签，用 hlt 指令停止 CPU ，期间不会发生硬件中断：

no_longmode:
1:hltjmp     1b

如果 eax 的值为0，万事大吉，我们可以继续。

计算重定位地址

下一步是在必要的时候计算解压缩之后的地址。首先，我们需要知道内核重定位的意义。我们已经知道 Linux 内核的32位入口点地址位于 0x100000 。但是那是一个32位的入口。默认的内核基地址由内核配置项 CONFIG_PHYSICAL_START 的值所确定，其默认值为 0x1000000 或 16 MB 。这里的主要问题是如果内核崩溃了，内核开发者需要一个配置于不同地址加载的 救援内核 来进行 kdump。Linux 内核提供了特殊的配置选项以解决此问题 - CONFIG_RELOCATABLE 。我们可以在内核文档中找到：

This builds a kernel image that retains relocation information
so it can be loaded someplace besides the default 1MB.Note: If CONFIG_RELOCATABLE=y, then the kernel runs from the address
it has been loaded at and the compile time physical address
(CONFIG_PHYSICAL_START) is used as the minimum location.

这建立了一个保留了重定向信息的内核镜像，这样就可以在默认的 1MB 位置之外加载了。注意：如果 CONFIG_RELOCATABLE=y， 那么 内核将会从其被加载的位置运行，编译时的物理地址 (CONFIG_PHYSICAL_START) 将会被作为最低地址位置的限制。

简单来说，这意味着相同配置下的 Linux 内核可以从不同地址被启动。这是通过将程序以 位置无关代码 的形式编译来达到的。如果我们参考 /arch/x86/boot/compressed/Makefile，我们将会看到解压器的确是用 -fPIC 标记编译的：

KBUILD_CFLAGS += -fno-strict-aliasing -fPIC

当我们使用位置无关代码时，一段代码的地址是由一个控制地址加上程序计数器计算得到的。我们可以从任意一个地址加载使用这种方式寻址的代码。这就是为什么我们需要获得 startup_32 的实际地址。现在让我们回到 Linux 内核代码。我们目前的目标是计算出内核解压的地址。这个地址的计算取决于内核配置项 CONFIG_RELOCATABLE 。让我们看代码：

#ifdef CONFIG_RELOCATABLEmovl    %ebp, %ebxmovl  BP_kernel_alignment(%esi), %eaxdecl %eaxaddl    %eax, %ebxnotl  %eaxandl    %eax, %ebxcmpl  $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebxjge    1f
#endifmovl  $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebx
1:addl  $z_extract_offset, %ebx

记住 ebp 寄存器的值就是 startup_32 标签的物理地址。如果在内核配置中 CONFIG_RELOCATABLE 内核配置项开启，我们就把这个地址放到 ebx 寄存器中，对齐到 2M 的整数倍 ，然后和 LOAD_PHYSICAL_ADDR 的值比较。 LOAD_PHYSICAL_ADDR 宏定义在头文件 arch/x86/include/asm/boot.h 中，如下：

/* Physical address where kernel should be loaded. */
#define LOAD_PHYSICAL_ADDR  /* =1000000 */((CONFIG_PHYSICAL_START/* 0x1000000 */ \+ (CONFIG_PHYSICAL_ALIGN/* 0x200000 */ - 1)/* 0x1fffff */) \& ~(CONFIG_PHYSICAL_ALIGN/* 0x200000 */ - 1)/*  */)

我们可以看到该宏只是展开成对齐的 CONFIG_PHYSICAL_ALIGN 值，其表示了内核加载位置的物理地址。在比较了 LOAD_PHYSICAL_ADDR 和 ebx 的值之后，我们给 startup_32 加上偏移来获得解压内核镜像的地址。如果 CONFIG_RELOCATABLE 选项在内核配置时没有开启，我们就直接将默认的地址加上 z_extract_offset 。

在前面的操作之后，ebp 包含了我们加载时的地址，ebx 被设为内核解压缩的目标地址。

进入长模式前的准备工作

在我们得到了重定位内核镜像的基地址之后，我们需要做切换到64位模式之前的最后准备。首先，我们需要更新全局描述符表：

 leal    gdt(%ebp), %eaxmovl %eax, gdt+2(%ebp)lgdt  gdt(%ebp)

在linux-5.10.13中，这段代码是在之前执行的，大概位置为：

 leal    (BP_scratch+4)(%esi), %espcall 1f
1:  popl    %ebp    //把该标签的地址放入 `ebp` 寄存器// `ebp` 寄存器包含了 `1f` 标签的实际物理地址subl   $ rva(1b), %ebp/* Load new GDT with the 64bit segments using 32bit descriptor */leal    rva(gdt)(%ebp), %eaxmovl    %eax, 2(%eax)lgdt   (%eax)/* Load segment registers with our descriptors 用 `__BOOT_DS` 更新段寄存器 */movl  $__BOOT_DS/* 0x18 */, %eaxmovl  %eax, %dsmovl   %eax, %esmovl   %eax, %fsmovl   %eax, %gsmovl   %eax, %ss

在这里我们把 ebp 寄存器加上 gdt 的偏移存到 eax 寄存器。接下来我们把这个地址放到 ebp 加上 gdt+2 偏移的位置上，并且用 lgdt 指令载入 全局描述符表 。为了理解这个神奇的 gdt 偏移量，我们需要关注 全局描述符表 的定义。我们可以在同一个源文件中找到其定义：

 .data
SYM_DATA_START_LOCAL(gdt64).word    gdt_end - gdt - 1.quad   gdt - gdt64
SYM_DATA_END(gdt64).balign  8
SYM_DATA_START_LOCAL(gdt).word  gdt_end - gdt - 1.long  0.word  0.quad  0x00cf9a000000ffff  /* __KERNEL32_CS */.quad    0x00af9a000000ffff  /* __KERNEL_CS */.quad  0x00cf92000000ffff  /* __KERNEL_DS */.quad  0x0080890000000000  /* TS descriptor */.quad   0x0000000000000000   /* TS continued */
SYM_DATA_END_LABEL(gdt, SYM_L_LOCAL, gdt_end)

我们可以看到其位于 .data 段，并且包含了5个描述符： null 、内核代码段、内核数据段和其他两个任务描述符。我们已经在上一章节载入了 全局描述符表 ，和我们现在做的差不多，但是将描述符改为 CS.L = 1 CS.D = 0 从而在 64 位模式下执行。我们可以看到， gdt 的定义从两个字节开始： gdt_end - gdt ，代表了 gdt 表的最后一个字节，或者说表的范围。接下来的4个字节包含了 gdt 的基地址。记住 全局描述符表 保存在 48位 GDTR-全局描述符表寄存器 中，由两个部分组成：

  • 全局描述符表的大小 (16位）
  • 全局描述符表的基址 (32位)

所以，我们把 gdt 的地址放到 eax 寄存器，然后存到 .long gdt 或者 gdt+2。现在我们已经建立了 GDTR 寄存器的结构，并且可以用 lgdt 指令载入 全局描述符表 了。

在我们载入 全局描述符表 之后，我们必须启用 PAE 模式。方法是将 cr4 寄存器的值传入 eax ，将第5位置1，然后再写回 cr4 。

 movl    %cr4, %eaxorl   $X86_CR4_PAE, %eaxmovl  %eax, %cr4

现在我们已经接近完成进入64位模式前的所有准备工作了。最后一步是建立页表，但是在此之前，这里有一些关于长模式的知识。

长模式

长模式是 x86_64 系列处理器的原生模式。首先让我们看一看 x86_64 和 x86 的一些区别。

64位 模式提供了一些新特性，比如：

  • 从 r8 到 r15 8个新的通用寄存器，并且所有通用寄存器都是64位的了。
  • 64位指令指针 - RIP ;
  • 新的操作模式 - 长模式;
  • 64位地址和操作数;
  • RIP 相对寻址 (我们将会在接下来的章节看到一个例子).

长模式是一个传统保护模式的扩展，其由两个子模式构成：

  • 64位模式
  • 兼容模式

为了切换到 64位 模式，我们需要完成以下操作：

  • 启用 PAE;
  • 建立页表并且将顶级页表的地址放入 cr3 寄存器;
  • 启用 EFER.LME ;
  • 启用分页;

我们已经通过设置 cr4 控制寄存器中的 PAE 位启动 PAE 了。在下一个段落，我们就要建立页表的结构了。

初期页表初始化

现在，我们已经知道了在进入 64位 模式之前，我们需要先建立页表，那么就让我们看看如何建立初期的 4G 启动页表。

注意：我不会在这里解释虚拟内存的理论，如果你想知道更多，查看本节最后的链接

Linux 内核使用 4级 页表，通常我们会建立6个页表：

  • 1 个 PML4 或称为 4级页映射 表，包含 1 个项；
  • 1 个 PDP 或称为 页目录指针 表，包含 4 个项；
  • 4 个 页目录表，一共包含 2048 个项；

让我们看看其实现方式。首先我们在内存中为页表清理一块缓存。每个表都是 4096 字节，所以我们需要 24 KB 的空间：

 leal    pgtable(%ebx), %edixorl %eax, %eaxmovl  $((4096*6)/4), %ecxrep  stosl

我们把和 ebx 相关的 pgtable 的地址放到 edi 寄存器中，清空 eax 寄存器，并将 ecx 赋值为 6144 。 rep stosl 指令将会把 eax 的值写到 edi 指向的地址，然后给 edi 加 4 ， ecx 减 4 ，重复直到 ecx 小于等于 0 。所以我们才把 6144 赋值给 ecx 。

pgtable 定义在 arch/x86/boot/compressed/head_64.S 的最后：

 .section ".pgtable","a",@nobits.balign 4096
pgtable:.fill 6*4096, 1, 0

在5.10.13中为：

/** Space for page tables (not in .bss so not zeroed)*/.section ".pgtable","aw",@nobits.balign 4096
SYM_DATA_LOCAL(pgtable,     .fill BOOT_PGT_SIZE, 1, 0)

我们可以看到，其位于 .pgtable 段，大小为 24KB 。

在我们为 pgtable 分配了空间之后，我们可以开始构建顶级页表 - PML4 ：

 /* Build Level 4 ,开始构建顶级页表 - `PML4`*/leal rva(pgtable + 0)(%ebx), %edileal   0x1007 (%edi), %eaxmovl %eax, 0(%edi)addl   %edx, 4(%edi)

还是在这里，我们把和 ebx 相关的，或者说和 startup_32 相关的 pgtable 的地址放到 ebi 寄存器。接下来我们把相对此地址偏移 0x1007 的地址放到 eax 寄存器中。 0x1007 是 PML4 的大小 4096 加上 7 。这里的 7 代表了 PML4 的项标记。在我们这里，这些标记是 PRESENT+RW+USER 。在最后我们把第一个 PDP（页目录指针） 项的地址写到 PML4 中。

在接下来的一步，我们将会在 页目录指针（PDP） 表（3级页表）建立 4 个带有 PRESENT+RW+USE 标记的 Page Directory （2级页表） 项：

 /* Build Level 3 */leal rva(pgtable + 0x1000)(%ebx), %edileal  0x1007(%edi), %eaxmovl  $4, %ecx
1:  movl    %eax, 0x00(%edi)addl    %edx, 0x04(%edi)addl    $0x00001000, %eaxaddl   $8, %edidecl    %ecxjnz 1b

我们把 3 级页目录指针表的基地址（从 pgtable 表偏移 4096 或者 0x1000 ）放到 edi ，把第一个 2 级页目录指针表的首项的地址放到 eax 寄存器。把 4 赋值给 ecx 寄存器，其将会作为接下来循环的计数器，然后将第一个页目录指针项写到 edi 指向的地址。之后， edi 将会包含带有标记 0x7 的第一个页目录指针项的地址。接下来我们就计算后面的几个页目录指针项的地址，每个占 8 字节，把地址赋值给 eax ，然后回到循环开头将其写入 edi 所在地址。建立页表结构的最后一步就是建立 2048 个 2MB 页的页表项。

 /* Build Level 2 */leal rva(pgtable + 0x2000)(%ebx), %edimovl  $0x00000183, %eaxmovl   $2048, %ecx
1:  movl    %eax, 0(%edi)addl   %edx, 4(%edi)addl   $0x00200000, %eaxaddl   $8, %edidecl    %ecxjnz 1b

在这里我们做的几乎和上面一样，所有的表项都带着标记 - $0x00000183 - PRESENT + WRITE + MBZ 。最后我们将会拥有 2048 个 2MB 大的页，或者说：

>>> 2048 * 0x00200000
4294967296

一个 4G 页表。我们刚刚完成我们的初期页表结构，其映射了 4G 大小的内存，现在我们可以把高级页表 PML4 的地址放到 cr3 寄存器中了：

 leal    pgtable(%ebx), %eaxmovl %eax, %cr3

这样就全部结束了。所有的准备工作都已经完成，我们可以开始看如何切换到长模式了。

切换到长模式

首先我们需要设置 MSR：Model-specific_register 中的 EFER.LME 标记为 0xC0000080 ：

 movl    $MSR_EFER, %ecxrdmsrbtsl    $_EFER_LME, %eaxwrmsr

在这里我们把 MSR_EFER（0xc0000080） 标记（在 arch/x86/include/uapi/asm/msr-index.h 中定义）放到 ecx 寄存器中，然后调用 rdmsr 指令读取 MSR 寄存器。在 rdmsr 执行之后，我们将会获得 edx:eax 中的结果值，其取决于 ecx 的值。我们通过 btsl 指令检查 EFER_LME 位，并且通过 wrmsr 指令将 eax 的数据写入 MSR 寄存器。

下一步我们将内核段代码地址入栈（我们在 GDT 中定义了），然后将 startup_64 的地址导入 eax 。

 pushl   $__KERNEL_CSleal    startup_64(%ebp), %eax

5.10.13中为：

 /** Setup for the jump to 64bit mode 跳转到 64位 模式** When the jump is performend we will be in long mode but* in 32bit compatibility mode with EFER.LME = 1, CS.L = 0, CS.D = 1* (and in turn EFER.LMA = 1).   To jump into 64bit mode we use* the new gdt/idt that has __KERNEL_CS with CS.L = 1.* We place all of the values on our mini stack so lret can* used to perform that far jump.*/leal    rva(startup_64)(%ebp), %eax //将 `startup_64` 的地址导入 `eax`

在这之后我们把这个地址入栈，然后通过设置 cr0 寄存器中的 PG 和 PE 启用分页：

 movl    $(X86_CR0_PG | X86_CR0_PE), %eaxmovl    %eax, %cr0

然后执行：

lret

指令。记住前一步我们已经将 startup_64 函数的地址入栈，在 lret 指令之后，CPU 取出了其地址跳转到那里。

这些步骤之后我们最后来到了64位模式（还是在本文件中：arch/x86/boot/compressed/head_64.S）：

 .code64.org 0x200
ENTRY(startup_64)
....
....
....

就是这样！

总结

这是 linux 内核启动流程的第4部分。如果你有任何的问题或者建议，你可以留言，也可以直接发消息给我 twitter 或者创建一个 issue。

下一节我们将会看到内核解压缩流程和其他更多。

如果你发现文中描述有任何问题，请提交一个 PR 到 linux-insides-zh 。

相关链接

  • Protected mode
  • Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual 3A
  • GNU linker
  • SSE
  • Paging
  • Model specific register
  • .fill instruction
  • Previous part
  • Paging on osdev.org
  • Paging Systems
  • x86 Paging Tutorial

Linux开机启动过程（4）：切换到64位模式-长模式（直到内核解压缩之前）相关推荐

  1. Linux开机启动过程：从点下电源键到系统正常运行

    学习内核,只要是要以柔克刚,不能急于求成.共勉 <Linux开机启动过程(1):内核引导过程> <Linux开机启动过程(2):内核启动的第一步> <Linux开机启动过 ...

  2. linux开机启动过程（简述）

    简述linux开机启动过程 第一步:加电 第二步:加载BIOS设置,选择启动盘. 这是因为因为BIOS中包含了CPU的相关信息.设备启动顺序信息.硬盘信息.内存信息.时钟信 息.PnP特性等等.在此之 ...

  3. linux 打开上一级目录,linux开机启动过程、PATH、过滤一级目录、cd的参数、ls -lrt、命令切割日志...

    第二波命令正向我方来袭 :开机启动过程.PATH.过滤一级目录.cd的参数.ls -lrt.命令切割日志 1.1 linux开机启动过程 1.1.1 开机自检(BIOS)-- MBR引导-- GRUB ...

  4. Linux开机启动过程（5）：内核解压

    内核引导过程. Part 5. 内核解压 这是内核引导过程系列文章的第五部分.在前一部分我们看到了切换到64位模式的过程,在这一部分我们会从这里继续.我们会看到跳进内核代码的最后步骤:内核解压前的准备 ...

  5. Linux开机启动过程（2）：内核启动的第一步

    在内核安装代码的第一步 本文是在原文基础上经过本人的修改. 内核启动的第一步 在上一节中我们开始接触到内核启动代码,并且分析了初始化部分,最后我们停在了对main函数(main函数是第一个用C写的函数 ...

  6. Linux开机启动过程（7）：内核执行入口点

    内核初始化 第一部分 踏入内核代码的第一步(TODO: Need proofreading) 上一章是引导过程的最后一部分.从现在开始,我们将深入探究 Linux 内核的初始化过程.在解压缩完 Lin ...

  7. Linux开机启动过程（3）：显示模式初始化和进入保护模式

    内核启动过程,第三部分 本文是在原文基础上经过本人的修改. 显示模式初始化和进入保护模式 这一章是内核启动过程的第三部分,在前一章中,我们的内核启动过程之旅停在了对 set_video 函数的调用(这 ...

  8. linux开机启动过程

    转自:http://blog.chinaunix.net/uid-23036581-id-2230525.html 一.简单介绍RHEL开机时的先后顺序 BIOS -> MBR -> Ke ...

  9. Linux开机启动过程详细分析

    from: http://www.linuxidc.com/Linux/2007-11/8701.htm 由于操作系统正在变得越来越复杂,所以开机引导和关机下电的过程也越来越智能化.从简单的DOS系统 ...

最新文章

  1. Hibernate一级缓存
  2. 简单粗暴的“Debug模式”
  3. 等价类划分应用的扩展
  4. 字符串处理 回文串 说反话
  5. python3 centos7 Python.h无法找到
  6. Zabbix 5.0 监测mysql
  7. linux ubi代码分析,linux ubi文件系统
  8. 小米路由器4a开发版固件_小米路由器 4A 刷入lean 的 openwrt/lede
  9. python alpha beta 剪枝_AlphaBeta剪枝算法
  10. Ansys SCDM基本操作
  11. Github每日精选（第35期）：移动设备数据库Realm
  12. 路由器DNS被劫持的解决办法，dns被劫持怎么办？
  13. flash cs3 键盘ASCII编码
  14. 微信公众平台系列 一
  15. 安装python包的时候文件夹权限报错：InvalidArchiveError(“Error with archive D:\\anaconda\\pkgs\\cudnn-8.4.1.50-h）
  16. 高速文件服务器搭建教程,文件服务器配置教程.doc
  17. 201712-4 行车路线 ccf
  18. 一、ADSP-21489开发版在VisualDSP软件下的仿真器配置
  19. 几个按照下载次数就可以赚钱的网盘介绍
  20. [软件工具]OCR批量识别图片提取文字信息提取号码编号单号软件使用教程

热门文章

  1. 重新解释i++和++i
  2. Path variable [contentHash:8] not implemented in this context: styles.[contentHash:8].css
  3. 1-微信小程序开发(安装软件和运行第一个微信小程序)
  4. Django的设计模式
  5. 02_线性表的顺序表示和实现
  6. C语言学习 数独游戏
  7. jquery 读取页面load get post ajax 四种方式代码写法
  8. POJ 1458 Common Subsequence DP LCS 最长公共子序列
  9. linux qemu 运行win10,只用ISO镜像，在Linux系统上用Qemu虚拟机给另一块硬盘安装Windows 10...
  10. python 列表 移除_python：列表中多元素的删除(移除)