Linux內核學習1-2——啟動（setup.s）
Linux內核學習1-2——啟動（setup.s）
上一節描述了bootsect.s的過程，這裡將接著bootsect.s跳到0x90200地址的setup模塊進入講述。
當執行到setup，原來bootsect的空間會被setup獲取的參數覆蓋。原bootsect的空間被定義成如下：
經過setup模塊的操作后，原bootsect的空間將被填寫上表的數據。
“宏”定義、讀指針屬性及內存大小：
1 ! 2 ! setup.s (C) 1991 Linus Torvalds 3 ! 4 ! setup.s is responsible for getting the system data from the BIOS, 5 ! and putting them into the appropriate places in system memory. 6 ! both setup.s and system has been loaded by the bootblock. 7 ! 8 ! This code asks the bios for memory/disk/other parameters, and 9 ! puts them in a "safe" place: 0x90000-0x901FF, ie where the 10 ! boot-block used to be. It is then up to the protected mode 11 ! system to read them from there before the area is overwritten 12 ! for buffer-blocks.
! setup.s 负责从BIOS中获取系统数据，并将这些数据放到系统内存的适当地方。
! 此时setup.s和system已经由bootsect引导块加载到内存中。
! 这段代码询问bios有关内存/磁盘/其它参数，并将这些参数放到一个“安全的”地方：0x90000-0x901FF，
! 也即原来bootsect代码块曾经在的地方，然后在被缓冲块覆盖掉之前由保护模式的system读取。 13 ! 14 15 ! NOTE! These had better be the same as in bootsect.s!
! 以下这些参数最好和bootsect.s 中的相同！ 16 17 INITSEG = 0x9000 ! we move boot here - out of the way ! bootsect所在的段地址 18 SYSSEG = 0x1000 ! system loaded at 0x10000 (65536). ! system所在的段地址 19 SETUPSEG = 0x9020 ! this is the current segment ! setup所在的段地址 20 21 .globl begtext, begdata, begbss, endtext, enddata, endbss 22 .text 23 begtext: 24 .data 25 begdata: 26 .bss 27 begbss: 28 .text 29 30 entry start 31 start: 32 33 ! ok, the read went well so we get current cursor position and save it for 34 ! posterity.
! ok，整个读磁盘过程都正常，现在将光标位置保存以备今后使用。 35 36 mov ax,#INITSEG ! this is done in bootsect already, but... 37 mov ds,ax ! 這裡再次設置ds段寄存器的值 38 mov ah,#0x03 ! read cursor pos ! 功能號為3 39 xor bh,bh ! 清零bh 40 int 0x10 ! save it in known place, con_init fetches
! Read Cursor Position and Size
! AH = 03
! BH = video page
! on return:
! CH = cursor starting scan line (low order 5 bits)
! CL = cursor ending scan line (low order 5 bits)
! DH = row
! DL = column 41 mov [0],dx ! it from 0x90000.
! 在0x90000寫入光標位置（dx，低地址為column,高地址為row） 42 43 ! Get memory size (extended mem, kB) ! 取擴展內存大小 44 45 mov ah,#0x88 46 int 0x15 ! Extended Memory Size Determination
! AH = 88h
! on return:
! CF = 80h for PC, PCjr
! = 86h for XT and Model 30
! = other machines, set for error, clear for success
! AX = number of contiguous 1k blocks of memory starting at address 1024k (100000h) 47 mov [2],ax ! 在0x90002寫入擴展內存大小
獲取顯示信息：
1 ! Get video-card data: 2 3 mov ah,#0x0f 4 int 0x10 ! Get Video State
! AH = 0Fh
! on return:
! AH = number of screen columns
! AL = mode currently set (see VIDEO MODES)
! BH = current display page 5 mov [4],bx ! bh = display page ! 0x90004 6 mov [6],ax ! al = video mode, ah = window width ! 0x90006 7 8 ! check for EGA/VGA and some config parameters 9 10 mov ah,#0x12 11 mov bl,#0x10 12 int 0x10 ! Video Subsystem Configuration (EGA/VGA) （這個BIOS中斷好複雜，我只貼出這裡的功能部份,具體可看本章第一節末尾的網址）
! AH = 12h
! BL = 10h return video configuration information
! on return:
! BH = 0 if color mode in effect
! = 1 if mono mode in effect
! BL = 0 if 64k EGA memory
! = 1 if 128k EGA memory
! = 2 if 192k EGA memory
! = 3 if 256k EGA memory
! CH = feature bits
! CL = switch settings
13 mov [8],ax ! 0x90008
14 mov [10],bx ! 0x9000A
15 mov [12],cx ! 0x9000C
磁盤操作:
直到這裡，才知道，BIOS在初始化時，會在0x00000處放置一個自身用的中斷向量表(1kb大小)。爲什麽要把system放到0x10000的謎底終於解開，因為在bootsect和setup的執行中，還需要使用BIOS中斷，所以不能把中斷向量表給覆蓋掉（不能把system放到0x00000中）。下邊的操作與BIOS的中斷向量表有關。我在網上找到一個BIOS中斷向量的定義，可自行查看。
1 ! Get hd0 data 2 3 mov ax,#0x0000 4 mov ds,ax ! 把ds設成0x0000 5 lds si,[4*0x41] ! 這裡0x41是BIOS硬盤0的中斷向量表，4是中斷號與絕對地址的映射關係，0x41對應0x104的地址，
! 把中斷向量表指向地址給si 6 mov ax,#INITSEG 7 mov es,ax ! 把es設成0x9000 8 mov di,#0x0080 ! di指向第一個硬盤描述表地址（0x90080） 9 mov cx,#0x10 ! 賦值16，用於循環。（硬盤描述表為16字節） 10 rep 11 movsb ! 把BIOS中的硬盤0中斷向量表的數據移動到0x90080，下同 12 13 ! Get hd1 data 14 15 mov ax,#0x0000 16 mov ds,ax 17 lds si,[4*0x46] ! 0x46是BIOS硬盤1的中斷向量表 18 mov ax,#INITSEG 19 mov es,ax 20 mov di,#0x0090 ! di指向第二個硬盤描述表地址（0x90090） 21 mov cx,#0x10 22 rep 23 movsb 24 25 ! Check that there IS a hd1 :-) 26 27 mov ax,#0x01500 28 mov dl,#0x81 29 int 0x13 ! Read DASD Type (XT BIOS from 1/10/86 & newer)
! AH = 15h
! DL = drive number (0=A:, 1=2nd floppy, 80h=drive 0, 81h=drive 1)
! on return:
! AH = 00 drive not present
! = 01 diskette, no change detection present
! = 02 diskette, change detection present
! = 03 fixed disk present
! CX:DX = number of fixed disk sectors; if 3 is returned in AH
! CF = 0 if successful
! = 1 if error 30 jc no_disk1 ! 操作失敗，跳到no_disk1 31 cmp ah,#3 ! 判斷是否為固定磁盤， 32 je is_disk1 ! 如果是跳到is_disk1執行 33 no_disk1: 34 mov ax,#INITSEG 35 mov es,ax 36 mov di,#0x0090 37 mov cx,#0x10 38 mov ax,#0x00 39 rep 40 stosb ! 把al中的值賦給di指向的地址，清零硬盤2的信息 41 is_disk1: 42 43 ! now we want to move to protected mode ... ! 進入保護模式 44 45 cli ! no interrupts allowed ! ! 禁止可屏蔽中斷
移動System模塊：
1 ! first we move the system to it\'s rightful place 2 3 mov ax,#0x0000 4 cld ! \'direction\'=0, movs moves forward ! 清除方向標誌 5 do_move: 6 mov es,ax ! destination segment 7 add ax,#0x1000 ! 段地址移動下一段（由於一段只能訪問64kb，所以要移動段地址到下一內存空間，再繼續訪問） 8 cmp ax,#0x9000 ! 判斷是否到達數據末端 9 jz end_move ! 到達數據末端 10 mov ds,ax ! source segment 11 sub di,di ! 清零di 12 sub si,si ! 清零si 13 mov cx,#0x8000 ! 設置循環次數（段移動，由於使用字移動，所以0x8000 * 2 = 0x10000個字的大小，剛好一段的長度） 14 rep 15 movsw ! 字移動（從si到di） 16 jmp do_move ! 無條件跳轉 17 18 ! then we load the segment descriptors 19 20 end_move: 21 mov ax,#SETUPSEG ! right, forgot this at first. didn\'t work :-) 22 mov ds,ax ! ds設成0x9020 23 lidt idt_48 ! load idt with 0,0 ! 載入中斷描述符表，idt_48變量在後面描述 24 lgdt gdt_48 ! load gdt with whatever appropriate ! 載入全局描述符表，gdt_48變量在後面描述
使能A20、配置中斷控制器，并進入system：
這裡主要是對一些外部控制器的配置，最后進入保護模式使CPU進入保護模式執行（保護模式可以更好地尋址關於實模式與保護模式可在這裡瞭解，關於A20的可在這裡瞭解）
! that was painless, now we enable A20 ! 以上的操作很简单，现在我们开启A20地址线。参见程序列表后有关A20信号线的说明。
! 关于所涉及到的一些端口和命令，可参考kernel/chr_drv/keyboard.S 程序后对键盘接口的说明。
! 這步的操作，據說在現在的硬件中已經不再適用，不管適用與否，這裡只是對這一過程的瞭解。 call empty_8042 ! 等待输入缓冲器空。
! 只有当输入缓冲器为空时才可以对其进行操作。 mov al,#0xD1 ! command write out #0x64,al ! 0x64是8042的命令端口，向0x64寫入0xD1，表示準備寫Output端口。
! 隨後通過0x60端口寫入的字節，會被放置在Output Port中。 call empty_8042 mov al,#0xDF ! 這數值的具體含義已經很難找出了，但大概就是用於使能A20的 out #0x60,al ! 被寫入的數據 call empty_8042 ! well, that went ok, I hope. Now we have to reprogram the interrupts :-( ! we put them right after the intel-reserved hardware interrupts, at ! int 0x20-0x2F. There they won\'t mess up anything. Sadly IBM really ! messed this up with the original PC, and they haven\'t been able to ! rectify it afterwards. Thus the bios puts interrupts at 0x08-0x0f, ! which is used for the internal hardware interrupts as well. We just ! have to reprogram the 8259\'s, and it isn\'t fun.
! 8259可編程中斷控制器，初始化如下：
! Initialization
! 1. write ICW1 to port 20h
! 2. write ICW2 to port 21h
! 3. if ICW1 bit D1=1 do nothing
if ICW1 bit D1=0 write ICW3 to port 20h
! 4. write ICW4 to port 21h
! 5. OCW\'s can follow in any order mov al,#0x11 ! initialization sequence ! ICW1。表示邊沿觸發、多片8259級聯、最後要發送ICW4命令字
!|7|6|5|4|3|2|1|0| ICW1
! | | | | | | | `---- 1=ICW4 is needed, 0=no ICW4 needed
! | | | | | | `----- 1=single 8259, 0=cascading 8259\'s
! | | | | | `------ 1=4 byte interrupt vectors, 0=8 byte int vectors
! | | | | `------- 1=level triggered mode, 0=edge triggered mode
! | | | `-------- must be 1 for ICW1 (port must also be 20h or A0h)
! `------------- must be zero for PC systems out #0x20,al ! send it to 8259A-1 ! 向8259A-1寫入ICW1
! 下面定义的两个字是直接使用机器码表示的两条相对跳转指令，起延时作用。
! 0xeb是直接近跳转指令的操作码，带1个字节的相对位移值。因此跳转范围是-127到127。
! CPU通过把这个相对位移值加到EIP寄存器中就形成一个新的有效地址。此时EIP指向下一条被执行的指令。
! 执行时所花费的CPU时钟周期数是7至10个。0x00eb表示跳转值是0的一条指令，因此还是直接执行下一条指令。
! 这两条指令共可提供14-20个CPU 时钟周期的延迟时间。在as86中没有表示相应指令的助记符，
! 因此Linus在setup.s等一些汇编程序中就直接使用机器码来表示这种指令。
! 另外，每个空操作指令NOP的时钟周期数是3个，因此若要达到相同的延迟效果就需要6至7个NOP指令。 .word 0x00eb,0x00eb ! jmp $+2, jmp $+2 out #0xA0,al ! and to 8259A-2 ! 向8259A-2寫入ICW1
.word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x20 ! start of hardware int\'s (0x20) ! ICW2
! |7|6|5|4|3|2|1|0| ICW2
! | | | | | `-------- 000= on 80x86 systems
! `----------------- A7-A3 of 80x86 interrupt vector out #0x21,al ! 向8259A-1寫入ICW2 .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x28 ! start of hardware int\'s 2 (0x28) out #0xA1,al ! 向8259A-2寫入ICW2
.word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x04 ! 8259-1 is master ! ICW3 for master
! |7|6|5|4|3|2|1|0| ICW3 for Master Device
! | | | | | | | `---- 1=interrupt request 0 has slave, 0=no slave
! | | | | | | `----- 1=interrupt request 1 has slave, 0=no slave
! | | | | | `------ 1=interrupt request 2 has slave, 0=no slave
! | | | | `------- 1=interrupt request 3 has slave, 0=no slave
! | | | `-------- 1=interrupt request 4 has slave, 0=no slave
! | | `--------- 1=interrupt request 5 has slave, 0=no slave
! | `---------- 1=interrupt request 6 has slave, 0=no slave
! `----------- 1=interrupt request 7 has slave, 0=no slave out #0x21,al ! 向8259A-1寫入ICW3 .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x02 ! 8259-2 is slave !ICW3 for slave
!|7|6|5|4|3|2|1|0| ICW3 for Slave Device
! | | | | | `-------- master interrupt request slave is attached to
! `----------------- must be zero out #0xA1,al ! 向8259A-2寫入ICW3
.word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x01 ! 8086 mode for both ! ICW4
! |7|6|5|4|3|2|1|0| ICW4
! | | | | | | | `---- 1 for 80x86 mode, 0 = MCS 80/85 mode
! | | | | | | `----- 1 = auto EOI, 0=normal EOI
! | | | | `-------- slave/master buffered mode (see below)
! | | | `--------- 1 = special fully nested mode (SFNM), 0=sequential
! `-------------- unused (set to zero) out #0x21,al ! 向8259A-1寫入ICW4 .word 0x00eb,0x00eb out #0xA1,al ! 向8259A-2寫入ICW4
.word 0x00eb,0x00eb mov al,#0xFF ! mask off all interrupts for now
! |7|6|5|4|3|2|1|0| OCW1 - IMR Interrupt Mask Register
! | | | | | | | `---- 0 = service IRQ0, 1 = mask off
! | | | | | | `----- 0 = service IRQ1, 1 = mask off
! | | | | | `------ 0 = service IRQ2, 1 = mask off
! | | | | `------- 0 = service IRQ3, 1 = mask off
! | | | `-------- 0 = service IRQ4, 1 = mask off
! | | `--------- 0 = service IRQ5, 1 = mask off
! | `---------- 0 = service IRQ6, 1 = mask off
! `----------- 0 = service IRQ7, 1 = mask off out #0x21,al ! 向8259A-1寫入OCW1 .word 0x00eb,0x00eb out #0xA1,al ! 向8259A-2寫入OCW1 ! well, that certainly wasn\'t fun :-(. Hopefully it works, and we don\'t ! need no steenking BIOS anyway (except for the initial loading :-). ! The BIOS-routine wants lots of unnecessary data, and it\'s less ! "interesting" anyway. This is how REAL programmers do it. ! ! Well, now\'s the time to actually move into protected mode. To make ! things as simple as possible, we do no register set-up or anything, ! we let the gnu-compiled 32-bit programs do that. We just jump to ! absolute address 0x00000, in 32-bit protected mode.
! 这里设置进入32位保护模式运行。首先加载机器状态字(lmsw-Load Machine Status Word)，
! 也称控制寄存器CR0，其比特位0置1将导致CPU 工作在保护模式。 mov ax,#0x0001 ! protected mode (PE) bit ! 這裡是機器狀態字
! |31|30-5|4|3|2|1|0| Machine Status Word|
! | | | | | `---- Protection Enable (PE)
! | | | | | `----- Math Present (MP)
! | | | | `------ Emulation (EM)
! | | | `------- Task Switched (TS)
! | | `-------- Extension Type (ET)
! | `---------- Reserved
! `------------- Paging (PG) lmsw ax ! This is it! ! 載入機器狀態字 jmpi 0,8 ! jmp offset 0 of segment 8 (cs)
! 到这里已经将system模块移动到0x00000开始的地方，所以这里的偏移地址是0。
! 这里的段值的8已经是保护模式下的段选择符了，用于选择描述符表和描述符表项以及所要求的特权级。
! 段选择符长度为16位（2字节）；位0-1表示请求的特权级0-3，linux操作系统只用到两级：0级（系统级）和3级（用户级）；
! 位2用于选择全局描述符表(0)还是局部描述符表(1)；位3-15是描述符表项的索引，指出选择第几项描述符。
! 所以段选择符8(0b0000,0000,0000,1000)表示请求特权级0、使用全局描述符表中的第1项，
! 该项指出代码的基地址是0（参见gdt定義），因此这里的跳转指令就会去执行system中的代码。
中斷、全局描述符表：
由於保護模式下運行需要中斷描述符表及全局描述符表，但由於這兩個表都未被正式初始化，這裡將是定義一個臨時的描述符表，使CPU進入保護模式時，能正常運行。
1 ! This routine checks that the keyboard command queue is empty 2 ! No timeout is used - if this hangs there is something wrong with 3 ! the machine, and we probably couldn\'t proceed anyway. 4 empty_8042: 5 .word 0x00eb,0x00eb ! 前面有提到，用於延時 6 in al,#0x64 ! 8042 status port ! 用al讀取8042狀態 7 test al,#2 ! is input buffer full? 8 jnz empty_8042 ! yes - loop ! 如果非空繼續循環 9 ret ! 返回調用 10 11 gdt:
! 全局描述符表开始处。描述符表由多个8字节长的描述符项组成。这里给出了3个描述符项。
! 第1项无用（12行），但须存在。
! 第2项是系统代码段描述符（14-17行），
! 第3项是系统数据段描述符(19-22行)。每个描述符的具体含义参见列表后说明。 12 .word 0,0,0,0 ! dummy ! 第1个描述符，不用。 13
! 这里在gdt表中的偏移量为0x08，当加载代码段寄存器(段选择符)时，使用的是这个偏移值。 14 .word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb) 15 .word 0x0000 ! base address=0 16 .word 0x9A00 ! code read/exec 17 .word 0x00C0 ! granularity=4096, 386 18
! 这里在gdt表中的偏移量是0x10，当加载数据段寄存器(如ds等)时，使用的是这个偏移值。 19 .word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb) 20 .word 0x0000 ! base address=0 21 .word 0x9200 ! data read/write 22 .word 0x00C0 ! granularity=4096, 386 23 24 idt_48: 25 .word 0 ! idt limit=0 26 .word 0,0 ! idt base=0L 27 28 gdt_48: 29 .word 0x800 ! gdt limit=2048, 256 GDT entries ! 全局表长度为2k字节，因为每8字节组成一个段描述符项，所以表中共可有256 项。 30 .word 512+gdt,0x9 ! gdt base = 0X9xxxx ! 4个字节构成的内存线性地址：(0x0009<<16) + 0x0200 + gdt,即0x90200 + gdt(即程序中的gdt:的偏移地址) 31 32 .text 33 endtext: 34 .data 35 enddata: 36 .bss 37 endbss:
中斷描述符表和中斷描述符表結構相似，在這裡網址有說明，不過在說段類型時感覺怪怪的，其他的都基本符合，關於段類型的不好找，以後找到，再貼上。
硬盤描述表：
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