GiraffeOS设计与实现（3）-引导CPU1

(由于之前的blog已经关闭了，所以将此文章迁移至这里，并非转载）

已经写到第三章了，这次讲的是如何引导CPU1启动。在将之前，可能先介绍一下如何在Windows下开发驱动。因为用户态的程序是Ring3的，而我们需要的级别是Ring0级别的代码。否则是无法操作APIC的。

CPU说明

在硬件上，CPU没主次之分（除启动和初始化外），物理上采用同一种CPU，所有的CPU通过一条总线共享同一个内存以及所有的外设设备，为了减少冲突，多处理器结构中各个CPU都有各自的高速缓存。

多处理器结构中的CPU都是平等的，这点在系统启动的时候来说其实存在一个特例。因为在这个阶段，系统中只有一个CPU。这个CPU叫做“引导处理器”（BP），其余的处于暂停状态，叫做“应用处理器”（AP）。

在上一节中，我们已经让Windows让出来一个CPU，这个CPU就可以理解是一个暂停状态的AP。我们通过已经引导启动的BP或者AP来启动这个AP。

基础知识

目前我们用的是IA架构的处理器，于是第一步当然是需要查阅资料等。这里说到资料，我认为有必要人手一本Intel编程手册，厚了点，没问题，当字典吧。午睡的时候可以当枕头。

这里需要使用的资料是Intel的《MultiProcessor Specification》v1.4（May 1997）。说真的我已经忘记了名字到底应该怎么写了。这里先暂时提供一个链接供大家下载。来自Intel官方的，我就喜欢看官方给出来的，不喜欢从乱七八糟的地方下东西。

MultiProcessor Specification

这份文档中详细的讲了如何引导AP等。不多说了，直接看B-3部分，这部分就是讲AP引导的。

简单的来说，需要掌握如下几点知识：

1. Windows驱动开发（可能有人问，手册里面没写啊，一会儿解答）
2. APIC（高级可编程中断控制器）
3. 大体会C，会汇编，懂电脑。

没错，只需要如上几点知识即可。可能有人问，手册里面没写需要Windows驱动开发的知识啊，其实是这样的，开头已经说了，我们想操作APIC（一会儿再说APIC的事），必须得是Ring0级别，还有就是我们到后期是需要直接操作物理内存（确切的说是线性内存），所以必要的学会一点简单的即可。另外一点，APIC的知识我应该去哪里学，这个我之前翻译过osdev.org的文章。《对于APIC的一些资料》旁边的这个是链接，可以大体了解下。最后一点是基本的C和基本的汇编等。

Windows驱动开发这部分我就不怎么说了，就是能让我们在内核态运行我们的启动引导代码就行。

CPU引导与启动

其实这里介绍的应该不是CPU启动方法，充其量能说的是，如何来引导AP启动（AP就是Application processor，这个是相对与启动CPU说的，一个多核电脑在启动的时候，先启动一个cpu，然后再通过这个CPU来启动其他的CPU）。

根据MultiProcessor Specification，我们了解到如果要启动AP，则需要通过一个BP（或其他AP）向目标AP发送INIT-SIPI-SIP序列。可能有人问什么是INIT-SIPI-SIPI序列，其实这个本质是IPI，英文忘了怎么写了，中文意思是CPU间中断。就是一个CPU向另外一个CPU发送消息。就像聊天一样。可以私聊，也可以群聊。

发送IPI消息的方式就涉及到了APIC了，因为IPI是通过APIC发送的。具体的操作可以参考Intel开发手册。里面在APIC那部分介绍了。我这里就简单的说一下就好了，IPI消息的类型分为好多种，其中有两种相对较为特殊的，一种是INIT IPI，另外一种是Start IPI。也就是我们说的INIT和SIPI。发送IPI的方法由两次写内存操作来完成，第一次是写APIC的一个地址在内存的映射用于配置消息，另外一次写内存用于将消息发送出去。

下面这部分是GiraffeOS中的一个代码片段，实现的是发送INIT IPI。终于贴代码了，第一次贴。

acpi_ICR2_temp=0x01000000; //select cpu 1
acpi_ICR1_temp=0x00004500; //send init ipi
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x310)=acpi_ICR2_temp;
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x300)=acpi_ICR1_temp;

具体的寄存器设置还是看Intel开发手册吧。有空我将这部分再给贴过来。暂时手上没书，改天，改天。

而Start IPI的发送就是按照下面这部分代码。

acpi_ICR2_temp=0x01000000; //select cpu 1
acpi_ICR1_temp=0x00004680; //send start ipi and start from 0x00080000
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x310)=acpi_ICR2_temp;
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x300)=acpi_ICR1_temp;

现在回来看INIT-SIPI-SIPI序列。根据MultiProcessor Specification中的“Example B-1. Universal Start-up Algorithm”，我把伪代码截取到下面。

BSP sends AP an INIT IPI
BSP DELAYs (10mSec)
If (APIC_VERSION is not an 82489DX) {
BSP sends AP a STARTUP IPI
BSP DELAYs (200μSEC)
BSP sends AP a STARTUP IPI
BSP DELAYs (200μSEC)
}
BSP verifies synchronization with executing AP

根据上述代码，大体完成的代码段应该如下：

memset(&PhysicalAddress,0,sizeof(PHYSICAL_ADDRESS));
PhysicalAddress.LowPart = (unsigned long)0x00080000;
p_mem= (unsigned char *)MmMapIoSpace(PhysicalAddress, sizeof(ap_boot_code), MmNonCached);
memcpy(p_mem,&ap_boot_code,sizeof(ap_boot_code));
MmUnmapIoSpace(p_mem, sizeof(ap_boot_code));

CMOS_WRITE(0x0f,0x0a); //System Shutdown Code

acpi_ICR2_temp=0x01000000; //select cpu 1
acpi_ICR1_temp=0x00004500; //send init ipi
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x310)=acpi_ICR2_temp;
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x300)=acpi_ICR1_temp;

KeQuerySystemTime(&startTime);
while(1){
KeQuerySystemTime(&currentTime);
if((currentTime.QuadPart-startTime.QuadPart) >= 10*10000) break;
}

acpi_ICR2_temp=0x01000000; //select cpu 1
acpi_ICR1_temp=0x00004680; //send start ipi and start from 0x00080000
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x310)=acpi_ICR2_temp;
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x300)=acpi_ICR1_temp;

KeQuerySystemTime(&startTime);
while(1){
KeQuerySystemTime(&currentTime);
if((currentTime.QuadPart-startTime.QuadPart) >= 2) break;
}

acpi_ICR2_temp=0x01000000; //select cpu 1
acpi_ICR1_temp=0x00004680; //send start ipi and start from 0x00080000
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x310)=acpi_ICR2_temp;
*(unsigned long *)((unsigned char *)pAPIC + 0x300)=acpi_ICR1_temp;

KeQuerySystemTime(&startTime);
while(1){
KeQuerySystemTime(&currentTime);
if((currentTime.QuadPart-startTime.QuadPart) >= 10*10000) break;
}

大家可能发现，在发送INIT-SIPI-SIPI序列前，做了一些其他工作。没错，是有一些其他工作，这些工作分为如下三点功能：

1. 将AP启动的引导机器码拷贝到指定物理内存
2. 将AP真正要执行的程序的机器码拷贝到指定物理内存
3. 设置COMS的System Shutdown Code，设置为启动AP而不是从启计算机

第一点的理解，可以理解为，通过INIT-SIPI-SIPI将AP启动后，告诉AP去执行什么代码，否则就跑飞了。

第二点是由AP的引导代码自举执行真正要执行的程序。

第三点是为了防止发送INIT后直接重启电脑了。这点大家可以自己去GOOGLE一下。我这里就不说了。因为很好查的。

还是对于第一点，为什么要将机器码拷贝到0x00080000上呢，其实这里是我找到的一块Windows不用的低1M范围内的内存。因为AP在启动初期，是实模式的情况下，只能寻址到1M范围内内存，通过在SIPI中指定需要发送的段偏移（0x80，具体的看Intel开发手册，我改天给摘抄过来），让AP在启动后直接去执行起始于0x00080000的机器码。

对于这里的机器码应该如何生成，在下一节里面说明。下一节可能需要的知识是汇编。Intel语法的。

题外话

现在，如果0x00080000部分的机器码如果写的对，那个被Windows空闲出来的CPU应该已经启动了。其实Windows和Linux在多核操作系统上的启动CPU的方式就是如上的方式，知识SIPI的发送方式是广播的方式发送，而不是向我们用点对点的发送。因为Windows和Linux毕竟是要使用所有的CPU（默认情况下），而我们只是要启动一个，其实我们也可以启动其他的，具体的情况具体操作。

未完，待续……