linux 0.11 内核学习 -- head.s

#

# 这段代码被连接到system模块的最前面，这也是它为什么称之为head.s的原因。

# 从这里开始内核完全运行在保护模式下。head.s采用的是at&t格式的

# 汇编。注意的是代码中的赋值方向是从左到右。

# 

# 这段程序实际上是出于内存的绝对地址0开始处。首先是加载各个数据段寄存器。

# 重新设置全局描述符表gdt --> 检测a20地址线是否真的开启，没有开启，loop

# 掉了 --> 检测pc是否含有数学协处理器 --> 设置管理内存分页的处理机制 -->

# 将页目录放置在内存地址0开始处。所以这段程序将被覆盖掉。 --> 最后利用ret

# 指令弹出预先压入的/init/main.c程序的入口地址，去运行main.c程序。

#

/*

 *  linux/boot/head.s

 *

 *  (C) 1991  Linus Torvalds

 */

/*

 *  head.s contains the 32-bit startup code.

 *

 * NOTE!!! Startup happens at absolute address 0x00000000, which is also where

 * the page directory will exist. The startup code will be overwritten by

 * the page directory.

 */

.text

.globl _idt,_gdt,_pg_dir,_tmp_floppy_area

_pg_dir: #页目录将会存放在这里

startup_32:

#############################################

# 设置段寄存器

# 再次注意，现在程序已经运行在32模式，因此这里

# 的0x10并不是把地址0x10装入各个段寄存器，它现在

# 是全局段描述符表的偏移量。这里的0x10正好指向

# 在setup.s中设置的数据段的描述符。

#

# 下面代码的含义是，置ds，es，fs，gs中的选择符

# 为setup.s中构造的数据段，并将堆栈放置在数据段

# _stack_start数组内，然后使用新的中断描述符表

# 和全局描述符表，新的全局段描述符表中初始化内

# 容和setup.s中完全相同。

#

#

movl $0x10,%eax

mov %ax,%ds

mov %ax,%es

mov %ax,%fs

mov %ax,%gs

#############################################

# 加载堆栈指针寄指令

# long user_stack [ PAGE_SIZE>>2 ] ;

#

# struct {

# long * a;

# short b;

# } stack_start = { & user_stack [PAGE_SIZE>>2] , 0x10 };

#

lss _stack_start,%esp # 设置系统堆栈段

# _stack_start -> ss:esp

call setup_idt

call setup_gdt

############################################

# 因为修改了gdt，需要重新加载所有的段寄存器。

movl $0x10,%eax # reload all the segment registers

mov %ax,%ds # after changing gdt. CS was already

mov %ax,%es # reloaded in 'setup_gdt'

mov %ax,%fs

mov %ax,%gs

lss _stack_start,%esp

#############################################

# 下面检测是否开启a20地址线采用的方法是向0x000000

# 处写入一个数值，然后看内存地址0x100000处是否也是

# 这个数值。如果一直相同的话，loop死掉。

#

xorl %eax,%eax

1: incl %eax # check that A20 really IS enabled

movl %eax,0x000000 # loop forever if it isn't

cmpl %eax,0x100000

je 1b

/*

 * NOTE! 486 should set bit 16, to check for write-protect in supervisor

 * mode. Then it would be unnecessary with the "verify_area()"-calls.

 * 486 users probably want to set the NE (#5) bit also, so as to use

 * int 16 for math errors.

 */

 #####################################################

 # 检查数学协处理器是否存在。采用的方法是先假设协处理器存在，

 # 执行一个协处理器指令，出错，表明不存在协处理器。

movl %cr0,%eax # check math chip

andl $0x80000011,%eax # Save PG,PE,ET

/* "orl $0x10020,%eax" here for 486 might be good */

orl $2,%eax # set MP

movl %eax,%cr0

call check_x87

jmp after_page_tables

/*

 * We depend on ET to be correct. This checks for 287/387.

 */

check_x87:

fninit

fstsw %ax

cmpb $0,%al

je 1f /* no coprocessor: have to set bits */

movl %cr0,%eax

xorl $6,%eax /* reset MP, set EM */

movl %eax,%cr0

ret

.align 2

1: .byte 0xDB,0xE4 /* fsetpm for 287, ignored by 387 */

ret

####################################################

/*

 *  setup_idt

 *

 *  sets up a idt with 256 entries pointing to

 *  ignore_int, interrupt gates. It then loads

 *  idt. Everything that wants to install itself

 *  in the idt-table may do so themselves. Interrupts

 *  are enabled elsewhere, when we can be relatively

 *  sure everything is ok. This routine will be over-

 *  written by the page tables.

 */

/*

 * 将中断描述符表idt设置成具有256项，并且都指向邋ignore_int

 * 中断门。然后加载中断描述符寄存器lidt。真正使用的中断门

 * 以后再安装。当我们认为其他地方认为一切正常时，在开启中断。

 *

盖子程序会被页表覆盖掉。

 *

 * 中断描述表中的项8个字节。它的0-1，6-7字节是偏移量，2-3字节

 * 是选择符，4-5是一些标志。

 *

 */

setup_idt:

lea ignore_int,%edx # ignore_int的有效地址移动到edx

movl $0x00080000,%eax

movw %dx,%ax /* selector = 0x0008 = cs */

movw $0x8E00,%dx /* interrupt gate - dpl=0, present */

lea _idt,%edi # 将_idt的值加载到edi。

mov $256,%ecx # 下面跳转使用跳转使用。dec %ecx

rp_sidt:

movl %eax,(%edi) # 在上面将movl $0x00080000,%eax

# 设置为$0x00080000

movl %edx,4(%edi) # 在上面已经设置了edx的值

addl $8,%edi

dec %ecx

jne rp_sidt

lidt idt_descr # 加载idt，其中idt_descr在下面

# 定义。

ret

/*

 *  setup_gdt

 *

 *  This routines sets up a new gdt and loads it.

 *  Only two entries are currently built, the same

 *  ones that were built in init.s. The routine

 *  is VERY complicated at two whole lines, so this

 *  rather long comment is certainly needed :-).

 *  This routine will beoverwritten by the page tables.

 */

 #

 # 这个子程序设置全局描述表gdt，并加载。

 #

setup_gdt:

lgdt gdt_descr # 加载全局描述符表寄存器。

ret

/*

 * I put the kernel page tables right after the page directory,

 * using 4 of them to span 16 Mb of physical memory. People with

 * more than 16MB will have to expand this.

 */

 #

 # Linus将内核的内存页表直接放置在页目录之后，使用4个表来寻址

 # 16mb的物理内存。

 # 

 # 每个表项的格式是，0-11 一些标志位，12-31 表示一页内存的物理起始地址。

.org 0x1000 # 从0x1000处开始是第1页表。

pg0:

.org 0x2000

pg1:

.org 0x3000

pg2:

.org 0x4000

pg3:

.org 0x5000 # 下面定义的内存数据块从偏移量0x5000处开始。

/*

 * tmp_floppy_area is used by the floppy-driver when DMA cannot

 * reach to a buffer-block. It needs to be aligned, so that it isn't

 * on a 64kB border.

 */

_tmp_floppy_area: # 用作dma缓冲区，_tmp_floppy_area内存供

# 软驱驱动程序使用。

.fill 1024,1,0 # 供保留1024项，每项一个字节，填充0.

#

# 下面这几个入栈操作pushl永固为调用/init/main.c程序和返回做准备。

# 前面三个入栈操作不知道作什么用的。也许是linus用于在调试时能够

# 看清机器码用的。

# pushl $L6入栈操作是模拟调用main.c程序时，首先将返回地址入栈操作。

# 所以如果main.c程序真正退出时，就会返回这里标号l6处继续执行下去。

# 即形成死循环。

# pushl $_main将main程序的地址压入堆栈，这样在设置分页处理结束之后，

# 执行ret指令返回指令时就会将main.c程序的地址弹出堆栈，并去执行main.c

# 程序去了。

#

after_page_tables:

# 这些是调用main程序的参数。

pushl $0 # These are the parameters to main :-)

pushl $0

pushl $0

pushl $L6 # return address for main, if it decides to.

pushl $_main # _main是编译程序对main的内部表示方法。

jmp setup_paging

L6:

jmp L6 # main should never return here, but

# just in case, we know what happens.

/* This is the default interrupt "handler" :-) */

# 下面是默认的中断向量句柄。

int_msg:

.asciz "Unknown interrupt\n\r"

.align 2

ignore_int:

pushl %eax

pushl %ecx

pushl %edx

push %ds

push %es

push %fs

movl $0x10,%eax # 设置段选择符

mov %ax,%ds

mov %ax,%es

mov %ax,%fs

pushl $int_msg # 把调用printk函数的参数的指针入栈。

call _printk # 调用printk函数。该函数在/kernel/printk.c

# _printk是printk编译后模块内部的表示方法。

popl %eax

pop %fs

pop %es

pop %ds

popl %edx

popl %ecx

popl %eax

iret # 中断返回，吧中断调用是压入栈的cpu

# 标志寄存器的值夜弹出。

/*

 * Setup_paging

 *

 * This routine sets up paging by setting the page bit

 * in cr0. The page tables are set up, identity-mapping

 * the first 16MB. The pager assumes that no illegal

 * addresses are produced (ie >4Mb on a 4Mb machine).

 *

 * NOTE! Although all physical memory should be identity

 * mapped by this routine, only the kernel page functions

 * use the >1Mb addresses directly. All "normal" functions

 * use just the lower 1Mb, or the local data space, which

 * will be mapped to some other place - mm keeps track of

 * that.

 *

 * For those with more memory than 16 Mb - tough luck. I've

 * not got it, why should you :-) The source is here. Change

 * it. (Seriously - it shouldn't be too difficult. Mostly

 * change some constants etc. I left it at 16Mb, as my machine

 * even cannot be extended past that (ok, but it was cheap :-)

 * I've tried to show which constants to change by having

 * some kind of marker at them (search for "16Mb"), but I

 * won't guarantee that's all :-( )

 */

 # 这个子程序通过设置控制寄存器cr0的标志来开启cpu对内存的分页处理

 # ，并设置各个页表内容。

 #

 #

.align 2 # 按4字节方式对其内存地址边界。

setup_paging: # 首先对5页清0

movl $1024*5,%ecx /* 5 pages - pg_dir+4 page tables */

xorl %eax,%eax

xorl %edi,%edi /* pg_dir is at 0x000 */

cld

rep

#stosl等指令表示将一段内存（源）中的数据复制到另一段内存（目标）中去。

stosl

##############################################################

# 下面四句设置页目录项，我们共有4个页表，所以只需要设置4项。

# 页目录的结构与页表中的项的结构是相同的，4个字节为1项。

# $pg0 + 7表示0x00001007，是页目录表的第一项。

# 则第一页表所在的地址0x00001007 & 0xfffff000 = 0x1000

# 第一页的属性标志是 0x00001007 & 0x00000fff = 0x07，表示

# 该页存在，用户可以读写。

movl $pg0+7,_pg_dir /* set present bit/user r/w */

movl $pg1+7,_pg_dir+4 /*  --------- " " --------- */

movl $pg2+7,_pg_dir+8 /*  --------- " " --------- */

movl $pg3+7,_pg_dir+12 /*  --------- " " --------- */

##############################################################

#############################################################

# 下面的代码段填写4个页表中所有的项内容。

#

# 每项的内容是，当前项所映射的物理内存地址 + 该页的标志。

movl $pg3+4092,%edi # edi -> 最后一页的最后一项

movl $0xfff007,%eax /*  16Mb - 4096 + 7 (r/w user,p) */

std # 方向置位，edi自减。

1: stosl /* fill pages backwards - more efficient :-) */

subl $0x1000,%eax # 每填好一项，地址自减。

jge 1b # 如果小于0，则表示全部填好。

##########################################################

# 设置也目录基址寄存器cr3的值，指向页目录表。

xorl %eax,%eax /* pg_dir is at 0x0000 */

# 页目录在0x0000处

movl %eax,%cr3 /* cr3 - page directory start */

# 设置启动分页处理功能。

movl %cr0,%eax

orl $0x80000000,%eax

movl %eax,%cr0 /* set paging (PG) bit */

#########################################################

# 在改变分页处理标志之后，要求使用转移指令来刷新予取指令队列，

# 这里使用的是指令ret。该返回指令的另一个作用是将堆栈中的main

# 程序的返回地址弹出，并开始运行/init/main.c程序。

#

# 呵呵，启动程序终于完了。

ret /* this also flushes prefetch-queue */

##########################################################

.align 2 # 按4字节方式对齐内存边界地址

.word 0

idt_descr:

.word 256*8-1 # idt contains 256 entries

.long _idt

.align 2

.word 0

gdt_descr:

.word 256*8-1 # so does gdt (not that that's any

.long _gdt # magic number, but it works for me :^)

.align 3

_idt: .fill 256,8,0 # idt is uninitialized

###############################################################

#

# 全局描述符表，前四项分别为空项，代码段描述符，数据段描述符

# 系统段描述符。其中系统段描述符在linux中没有起到作用。后面还预留

# 了252项用于创建任务的ldt和tss

#

_gdt: .quad 0x0000000000000000 /* NULL descriptor */

.quad 0x00c09a0000000fff /* 16Mb */

.quad 0x00c0920000000fff /* 16Mb */

.quad 0x0000000000000000 /* TEMPORARY - don't use */

.fill 252,8,0 /* space for LDT's and TSS's etc */

################################################################

# head.s程序执行结束之后，已经正式的完成了内存页目录和页表的设置，

# 并重新设置了内核实际使用的中断描述符表idt和全局描述符表gdt。另外

# 还给软盘的驱动程序开辟了1kb的字节缓冲区。此时的system模块在内存中

# 的详细映像如下 :

#

# 1-----------------------------1

# 1       .........                    1

# 1-----------------------------1

# 1      lib模块代码               1

# 1-----------------------------1

# 1      mm模块代码             1

# 1-----------------------------1

# 1      kernel模块代码         1

# 1-----------------------------1

# 1        main.c程序            1

# 1-----------------------------1

# 1           gdt                    1

# 1-----------------------------1

# 1           idt                     1

# 1-----------------------------1

# 1        head.s部分代码     1

# 1-----------------------------1

# 1        软盘缓冲区 1k        1

# 1-----------------------------1

# 1        内存页表 pg3         1

# 1-----------------------------1

# 1         pg2                      1

# 1-----------------------------1

# 1         pg1                     1

# 1-----------------------------1

# 1         pg0                     1

# 1-----------------------------1

# 1         内存页目录表        1

# 1-----------------------------1

参考《linux内核完全注释》和网上相关文章