[置顶] Linux启动过程详解
启动linux kernel过程:
PC/AT机内存使用区域图:
|-----------------------------------------------------| 0xffffffff(=4GB)
| jmp ROM_BIOS_LOCACTION
|-----------------------------------------------------| 0xfffffff0(=4GB-16B)
| ROM BIOS |
|-----------------------------------------------------| 0xfffeffff(=4GB - 64KB)
|
|-----------------------------------------------------| 16MB
|
|-----------------------------------------------------| 0x100000(=1MB)
| ROM BIOS Map |
|-----------------------------------------------------| 0xf0000
| Other BIOS Map |
|-----------------------------------------------------| 0xe0000
| Other Card ROM BIOS |
|-----------------------------------------------------| 0xc7fff
| VGA ROM BIOS |
|-----------------------------------------------------| 0xc0000(=768KB)
| Video buffer |
|-----------------------------------------------------| 0xa0000(=640KB)(=640 * 1024B)
|
|-----------------------------------------------------| 0x00500
| BIOS Data |
|-----------------------------------------------------| 0x00400
| Interrupt Vector |
|-----------------------------------------------------| 0x00000
Note!!!
1) 为保持计算机在软件上的兼容，PC/AT在1MB以下物理内存使用分配上依然与8086兼容,因为
8086只有20根地址线，只能寻址1MB,只是原来系统ROM中BIOS一直处于CPU所能寻址的内存最
高端位置处，而BIOS原来所在位置(指BIOS在8086机器所能寻址的位置)被用作现在机器BIOS的
Shadow区域，即：把BIOS复制到此位置处.
2) 除了0xA0000~0xFFFFF(total=384KB): 用于I/O设备
0xfffe0000~0xffffffff(total=128KB): 用于BIOS
其余部分都可以作为系统内存
1.当计算机系统上电或者按下复位按钮时:
CPU: cs = 0xF000,ip=0xFFF0, 故，段基地址=0xFFFF0000,段长度=64KB,CPU代码指针指向
0xFFFFFFF0,即：4GB空间最后一个64KB的最后一个16字节处，这里存放一条跳转指令，主机将
该跳转指令安排为BIOS的初始化程序的入口地址.
Note!!!(author: bogdan)
Bochs在BIOS程序的第一条指令处中断
[0xfffffff0]f000:fff0 (unk. ctxt): jmp far f000:e05b ; ea5be000f0
查看CS寄存器的值
cs:s=0xf000, dl=0x0000ffff, dh=0xff0093ff, valid=1
查看ip的值:
rip: 0x00000000:0000fff0
intel处理器，实模式下地址的计算为"段地址*16+偏移地址"即是f000*10+fff0=ffff0 即物理地址为[0x000ffff0];那么为什么会是[0xfffffff0]呢？
解释：
这时因为intel 286后，实模式下地址的计算根本就不是"段地址*16+偏移地址"
而是采用跟保护模式一样的地址计算方式，即采用描述符。也就是说，实模式下
段寄存器的缓冲区也是有用的，段寄存器的缓冲区是“不可见的”,它有8个字节。
cs:s=0xf000, dl=0x0000ffff, dh=0xff0093ff, valid=1，其中dl,dh就是它的缓冲寄存器。
段寄存器缓冲区的值就是描述符的值，我们知道，当寄存器的值不变时（valid=1，描述符有效，
这时，段寄存器的值无关紧要，是什么值应该都可以）是从段寄存器的缓冲区中取基地址的，
从dl=0x0000ffff, dh=0xff0093ff（描述符）, 可以看出，段界限=0ffff,基地址=ffff0000,
G=1(段界限粒度为字节,段大小限制为64k),d=0,avl=0,P=1(段已在内存中)，DPL=0（ring0,特权级为0）,
s=1(存储段描述符)，type=3（这里为什么不是大于等于8，我就不清楚了）所以物理地址是ffff0000+0000fff0=fffffff0,
即第一条指令的地址为[0xfffffff0]。接下来，实模式下，当段寄存器的地址发生变化的时候，就会把段寄存器的值左移4位，
放入段寄存器的缓冲器中的基地址部分，这应该是实模式转移指令做的事情。这样，在实模式下看起来，地址的计算方式就是"段地址*16+偏移地址"。
intel 为什么要这样做呢？完全是为了向上兼容处理器惹的祸!我们知道实模式下的地址都是物理地址，我们的内存根本就不能达到[0xfffffff0]，
那么这个地址在哪里呢？其实，cpu启动的时候，这个地址应该是采取某种机制把它映射到rom中的（bios）,在rom中执行到适当的时候，
会rombois拷贝到内存的1m后64k，并采用某种机制切换到内存中执行，以加快启动的速度。
基于这样的地址计算方式，其实在实模式下，完全可以访问到大于1M的空间，
这样做：合适地初始化各个描述符，做好必要的工作，暂时切换到保护模式，注意要开启A20地址线，然后再切换回实模式，
不要关闭a20,这样地址应该就不会回滚了。注意，进入保护模式不要开启分页，或者开启分页后保证线性地址是和物理地址一样的，
为了防止找不到你的指令，回保护模式的时候也不要改变段寄存器的值，因为改变段寄存器的值就改变段寄存器的缓冲寄存器的值了，
这样就访问不到大于1M的内存了，当然，访问不存在的地址可能会出现问题。
2.BIOS初始化过程包含两部分工作: 系统加电自检和系统自举(OS的装入和引导)
1)检测电脑系统中的内存，显卡等关键设备是否能够正常工作.
2)查找显卡的BIOS，然后调用显卡BIOS的初始化代码，用它完成显卡的初始化工作.
3)查找其他设备的BIOS程序，找到之后同样要调用这些BIOS的内部初始化代码来初始化设备。
4)显示BIOS自己的启动代码.
5)检测CPU的类型和工作频率，并将检测结果显示在屏幕上。
6)开始检测系统中安装的一些标准硬件设备(硬盘, CD-ROM等)
7)标准设备检测完成后开始检测一些即插即用设备
Note!!!
上述步骤是在打开电源开关或按Reset按钮进行冷启动时所要完成的各种初始化工作，如果
按Ctrl+Alt+Del键进行热启动时直接从第三步开始，同时会跳过第五步
8)BIOS在执行了一系列硬件检测和初始化工作之后，就会把与原来PC机兼容的64KB BIOS代码和
数据复制到低端1MB末端64KB处，然后跳转到这个地方并且让CPU进入真正的实模式模式工作.
9)加电自检完成后，按照指定的启动顺序从软盘，硬盘和光驱中寻找启动设备。
Note!!
若硬盘是启动设备:即硬盘的第一个扇区(0磁头，0磁道，1扇区)，硬盘最开始的512B,其最后两个字节是0x55AA
这是引导扇区的标志，512个字节不能多一个字节也不能少一个字节.
10)找到启动设备后，将启动设备上的512个字节的OS引导程序加载到内存0x7c00处，并跳转到这个地方继续
执行引导操作.
3.到此开始执行Linux的引导程序boot
Path: boot/bootsect.s.
Func: 其被BIOS读入到内存物理地址0x7c00(31KB)处，当它被执行时就会吧自己移动到内存
物理地址0x90000(576KB)处，并把启动设备后2KB(= 4 sector)字节代码(boot/setup.s)读入到内存0x90200出，而
kernel的其他部分(system模块)则被读入到内存地址0x10000(64KB)开始处
PC/AT机内存使用区域图:
|-----------------------------------------------------| 0xffffffff(=4GB)
| jmp ROM_BIOS_LOCACTION
|-----------------------------------------------------| 0xfffffff0(=4GB-16B)
| ROM BIOS |
|-----------------------------------------------------| 0xfffeffff(=4GB - 64KB)
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|-----------------------------------------------------| 16MB
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|-----------------------------------------------------| 0x100000(=1MB)
| ROM BIOS Map |
|-----------------------------------------------------| 0xf0000
| Other BIOS Map |
|-----------------------------------------------------| 0xe0000
| Other Card ROM BIOS |
|-----------------------------------------------------| 0xc7fff
| VGA ROM BIOS |
|-----------------------------------------------------| 0xc0000(=768KB)
| Video buffer |
|-----------------------------------------------------| 0xa0000(=640KB)(=640 * 1024B)
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|-----------------------------------------------------| 0x00500
| BIOS Data |
|-----------------------------------------------------| 0x00400
| Interrupt Vector |
|-----------------------------------------------------| 0x00000
Note!!!
1) 为保持计算机在软件上的兼容，PC/AT在1MB以下物理内存使用分配上依然与8086兼容,因为
8086只有20根地址线，只能寻址1MB,只是原来系统ROM中BIOS一直处于CPU所能寻址的内存最
高端位置处，而BIOS原来所在位置(指BIOS在8086机器所能寻址的位置)被用作现在机器BIOS的
Shadow区域，即：把BIOS复制到此位置处.
2) 除了0xA0000~0xFFFFF(total=384KB): 用于I/O设备
0xfffe0000~0xffffffff(total=128KB): 用于BIOS
其余部分都可以作为系统内存
1.当计算机系统上电或者按下复位按钮时:
CPU: cs = 0xF000,ip=0xFFF0, 故，段基地址=0xFFFF0000,段长度=64KB,CPU代码指针指向
0xFFFFFFF0,即：4GB空间最后一个64KB的最后一个16字节处，这里存放一条跳转指令，主机将
该跳转指令安排为BIOS的初始化程序的入口地址.
Note!!!(author: bogdan)
Bochs在BIOS程序的第一条指令处中断
[0xfffffff0]f000:fff0 (unk. ctxt): jmp far f000:e05b ; ea5be000f0
查看CS寄存器的值
cs:s=0xf000, dl=0x0000ffff, dh=0xff0093ff, valid=1
查看ip的值:
rip: 0x00000000:0000fff0
intel处理器，实模式下地址的计算为"段地址*16+偏移地址"即是f000*10+fff0=ffff0 即物理地址为[0x000ffff0];那么为什么会是[0xfffffff0]呢？
解释：
这时因为intel 286后，实模式下地址的计算根本就不是"段地址*16+偏移地址"
而是采用跟保护模式一样的地址计算方式，即采用描述符。也就是说，实模式下
段寄存器的缓冲区也是有用的，段寄存器的缓冲区是“不可见的”,它有8个字节。
cs:s=0xf000, dl=0x0000ffff, dh=0xff0093ff, valid=1，其中dl,dh就是它的缓冲寄存器。
段寄存器缓冲区的值就是描述符的值，我们知道，当寄存器的值不变时（valid=1，描述符有效，
这时，段寄存器的值无关紧要，是什么值应该都可以）是从段寄存器的缓冲区中取基地址的，
从dl=0x0000ffff, dh=0xff0093ff（描述符）, 可以看出，段界限=0ffff,基地址=ffff0000,
G=1(段界限粒度为字节,段大小限制为64k),d=0,avl=0,P=1(段已在内存中)，DPL=0（ring0,特权级为0）,
s=1(存储段描述符)，type=3（这里为什么不是大于等于8，我就不清楚了）所以物理地址是ffff0000+0000fff0=fffffff0,
即第一条指令的地址为[0xfffffff0]。接下来，实模式下，当段寄存器的地址发生变化的时候，就会把段寄存器的值左移4位，
放入段寄存器的缓冲器中的基地址部分，这应该是实模式转移指令做的事情。这样，在实模式下看起来，地址的计算方式就是"段地址*16+偏移地址"。
intel 为什么要这样做呢？完全是为了向上兼容处理器惹的祸!我们知道实模式下的地址都是物理地址，我们的内存根本就不能达到[0xfffffff0]，
那么这个地址在哪里呢？其实，cpu启动的时候，这个地址应该是采取某种机制把它映射到rom中的（bios）,在rom中执行到适当的时候，
会rombois拷贝到内存的1m后64k，并采用某种机制切换到内存中执行，以加快启动的速度。
基于这样的地址计算方式，其实在实模式下，完全可以访问到大于1M的空间，
这样做：合适地初始化各个描述符，做好必要的工作，暂时切换到保护模式，注意要开启A20地址线，然后再切换回实模式，
不要关闭a20,这样地址应该就不会回滚了。注意，进入保护模式不要开启分页，或者开启分页后保证线性地址是和物理地址一样的，
为了防止找不到你的指令，回保护模式的时候也不要改变段寄存器的值，因为改变段寄存器的值就改变段寄存器的缓冲寄存器的值了，
这样就访问不到大于1M的内存了，当然，访问不存在的地址可能会出现问题。
2.BIOS初始化过程包含两部分工作: 系统加电自检和系统自举(OS的装入和引导)
1)检测电脑系统中的内存，显卡等关键设备是否能够正常工作.
2)查找显卡的BIOS，然后调用显卡BIOS的初始化代码，用它完成显卡的初始化工作.
3)查找其他设备的BIOS程序，找到之后同样要调用这些BIOS的内部初始化代码来初始化设备。
4)显示BIOS自己的启动代码.
5)检测CPU的类型和工作频率，并将检测结果显示在屏幕上。
6)开始检测系统中安装的一些标准硬件设备(硬盘, CD-ROM等)
7)标准设备检测完成后开始检测一些即插即用设备
Note!!!
上述步骤是在打开电源开关或按Reset按钮进行冷启动时所要完成的各种初始化工作，如果
按Ctrl+Alt+Del键进行热启动时直接从第三步开始，同时会跳过第五步
8)BIOS在执行了一系列硬件检测和初始化工作之后，就会把与原来PC机兼容的64KB BIOS代码和
数据复制到低端1MB末端64KB处，然后跳转到这个地方并且让CPU进入真正的实模式模式工作.
9)加电自检完成后，按照指定的启动顺序从软盘，硬盘和光驱中寻找启动设备。
Note!!
若硬盘是启动设备:即硬盘的第一个扇区(0磁头，0磁道，1扇区)，硬盘最开始的512B,其最后两个字节是0x55AA
这是引导扇区的标志，512个字节不能多一个字节也不能少一个字节.
10)找到启动设备后，将启动设备上的512个字节的OS引导程序加载到内存0x7c00处，并跳转到这个地方继续
执行引导操作.
3.到此开始执行Linux的引导程序boot
Path: boot/bootsect.s.
Func: 其被BIOS读入到内存物理地址0x7c00(31KB)处，当它被执行时就会吧自己移动到内存
物理地址0x90000(576KB)处，并把启动设备后2KB(= 4 sector)字节代码(boot/setup.s)读入到内存0x90200出，而
kernel的其他部分(system模块)则被读入到内存地址0x10000(64KB)开始处