系统初始化 —— 上电

读内核源代码是一件很有意思的事。它像一条线，把操作系统，编译原理，汇编语言，计算机组成原理，C 语言，数据结构与算法，计算机系统结构等等计算机的基础课程串起来。而分析linux的启动很重要，因为牵涉到硬件的初始化和内核各模块初始化环境的搭建，所以我们就针对linux/arch/x86下的代码，对从打开PC电源到屏幕上出现shell环境，来对整个Linux的初始化过程进行一个全方位的分析，希望能有帮助，不足之处，还请各位网友不吝赐教。

 

1 引子

目前，市面上的大多数计算机系统的内存都是“随机性”的：一旦关机断电，存储在内存中的信息、连同操作系统本身都会丢失。所以，必须把操作系统（内核）的程序存储在某种永久性的介质中，使得开机加电时有一个从不挥发介质装入操作系统、并转入运行的过程，这个过程就叫做“引导”(bootload，或boot),也称为“自举”。

 

1.1 上电

我们只关注x86体系的这个过程，CPU所在的主板会有一个特殊的硬件电路在CPU的RESET引脚上产生一个电平。这时，CPU处于实地址模式中，并开始自检，自检的最后一个步骤是把一些寄存器（如cs和eip）设置成固定值。我们知道，实模式下的寻址方法是16位段寄存器左移4位加上16位偏移构成具有能寻址1MB能力的20位地址。所以，刚开始时，复位输入提供一种初始化的硬件手段：标志寄存器设为0xuuuu0002(u代表未定义，实模式下9位标志可用，这里是奇偶标志为1)；指令指针eip设为0x0000fff0，CS寄存器设为0xf000；DS、SS、ES、FS和GS寄存器都设为0x0000，指令队列清空。

 

CPU在识别出Reset信号后把数据总线设在高阻状态，地址线强行设为1。由于清空中断标志是初始化的一部分，外部中断被禁止。因为代码段寄存器为0xf000，指令指针为0x0000fff0，地址线A20-A31全部是1，从而复位后实模式程序从地址0xfffffff0开始（注意，只用于实模式高地址位忽略，从地址0xffff0开始）。该地址处可以包含一条转移指令跳到启动程序处。

 

那么，这段程序要有多大呢？这就要看具体的设计了。在早期的计算机中这段程序般都很小，例如2K字节或者史小，甚至于只有几条指令（我们的胡希明老同志回忆起70年代中美建交后进入中国的NOVA机，由此而来的国产机名为DJS-130，操作系统为RTOS，引导程序只有13条指令，当时称初始引导13条，亦称手拨13条。13条指令执行结果是通过光电读入机把存放在穿孔纸带上的RTOS执行码装入内存）。这是因为早期的PROM或EPROM的容量都很小，并且其目的和功能也很单一。

 

我们在“PC存储器”一篇博文中讲到，ROM和RAM扩展成一个整体的内存系统，这个ROM的地址是32位的，况且开机时CPU只运行在实模式下，高12位全被置1那么线性地址0xffff0对应的物理地址就是0xfffffff0，定位到这个ROM。ROM中所存放的程序集在80x86体系中通常叫做基本输入/输出系统（Basic Input/Output System, BIOS），因为它包括几个中断驱动的低级过程。比如，执行INT 10H，就是显示服务，10H是中断类型号，在运行以下流程：

(SP)←(SP) - 2                ；SP - 2

((SP+1),(SP))←(PSW)  ；标志位寄存器内容进栈

IF←0, TF←0          ；清除中断和陷阱标志

(SP)←(SP) - 2                ；SP - 2

((SP+1),(SP))←(CS)    ；CS入栈

(SP)←(SP) – 2        ；SP - 2

((SP+1),(SP))←(IP)      ；IP入栈

(IP)←(TYPE*4)        ；取中断服务程序偏移地址，这里的TYPE是10H

(CS)←(TYPE*4 + 2)     ；取中断服务程序段地址，这里的TYPE是10H

……                ；开始执行位于ROM的BIOS中断服务程序

(SP)←(SP) + 2          ；SP + 2

(IP)←((SP-1),(SP))    ；IP出栈

(SP)←(SP) + 2          ；SP + 2

(CS)←((SP-1),(SP))    ；CS出栈

IF←1, TF←1         ；设置中断和陷阱标志

(SP)←(SP) + 2          ；SP + 2

(PSW)←((SP-1),(SP))  ；标志位寄存器内容出栈

 

不管Linux、MS-DOS还是Windows，在启动时，都要通过这些过程对计算机硬件设备初始化。Linux一旦进入了保护模式，就不再使用BIOS，而是为计算机上的每个硬件设备提供各自的设备驱动程序。