Linux kernel 分析之六：内核启动-开启页面映射

在setup的帮助下，我们顺利地从16位实地址模式过渡到32位段式寻址的保护模式。又在arch/i386/boot/compressed/head.S的帮助下实现了内核的自解压，并且从arch/i386/kernel/head.S中的startup_32开始。现在在线性地址0x100000(1M)处开始就是我们的解压后的内核了。而startup_32()的地址恰好是0x100000。由于还没有开启页面映射，所以必须引用变量的线性地址（即变量的虚拟地址-PAGE_OFFSET），带来了很多不便。所以下一步的任务，就是建立页表，开启页面映射了。我们不妨从arch/i386/kernel/head.S入手。
由于在Linux中，每个进程拥有一个页表，那么，第一个页表也应该有一个对应的进程。通常情况下，Linux下通过fork()系统调用，复制原有进程，来产生新进程。然而第一个进程该如何产生呢？既然不能复制，那就只能像女娲造人一样，以全局变量的方式捏造一个出来。它就是init_thread_union。传说中的0号进程，名叫swapper。只要swapper进程运行起来，调用start_kernel()，剩下的事就好办了。不过，现在离运行swapper进程还差得很远。关键的一步，我们还没有为该进程设置页表。
为了保持可移植性，Linux采用了三级页表。不过x86处理器只使用两级页表。所以，我们需要一个页目录和很多个页表（最多达1024个页表），页目录和页表的大小均为4k。swapper的页目录的创建与该进程的创建思维类似，也是捏造一个页表，叫swapper_pg_dir.
417 ENTRY(swapper_pg_dir)418         .fill 1024,4,0
它的意思是从swapper_pg_dir开始，填充1024项，每项为4字节，值为0，正好是4K一个页面。
页目录有了，接下去看页表。一个问题产生了。该映射几个页表呢？尽管一个页目录最多能映射1024个页表，每个页表映射4M虚拟地址，所以总共可以映射4G虚拟地址空

间。但是，通常应用程序用不了这么多。最简单的想法是，够用就行。先映射用到的代码和数据。还有一个问题：如何映射呢？运行cat /proc/$pid/maps可以看到，用户态进程的地址映射是断断续续的，相当复杂。这是由于不同进程的用户空间相互独立。但是，由于所有进程共享内核态代码和数据，所以映射关系可以大大简化。既然内核态虚拟地址从3G开始，而内核代码和数据事实上是从物理地址0x100000开始，那么本着KISS原则，一切从简，加上3G就作为对应的虚拟地址好了。由此可见，对内核态代码和数据来说：虚拟地址=物理地址+PAGE_OFFSET(3G)
内核中有变量pg0，表示对应的页表。建立页表的过程如下：

091 page_pde_offset = (__PAGE_OFFSET >> 20);

092 
093         movl $(pg0 - __PAGE_OFFSET), %edi
094         movl $(swapper_pg_dir - __PAGE_OFFSET), %edx
095         movl $0x007, %eax                       /* 0x007 = PRESENT+RW+USER */
096 10:
097         leal 0x007(%edi),%ecx                   /* Create PDE entry */
098         movl %ecx,(%edx)                        /* Store identity PDE entry */
099         movl %ecx,page_pde_offset(%edx)         /* Store kernel PDE entry */

100         addl $4,%edx101         movl $1024, %ecx

102 11:
103         stosl
104         addl $0x1000,%eax105         loop 11b
106         /* End condition: we must map up to and including INIT_MAP_BEYOND_END */
107         /* bytes beyond the end of our own page tables; the +0x007 is the attribute bits */
108         leal (INIT_MAP_BEYOND_END+0x007)(%edi),%ebp109         cmpl %ebp,%eax110         jb 10b
111         movl %edi,(init_pg_tables_end - __PAGE_OFFSET)

用伪代码表示就是：typedef unsigned int PTE;PTE *pg=pg0;PTE pte=0x007;
for(i=0;;i++){//把线性地址i*4MB~(i+1)*4MB-1(用户空间地址)和3G+i*4MB~3G+(i+1)*4MB-1(内核空间地址)映射到物理地址i*4MB~(i+1)*4MB-1
swapper_pg_dir[i]=pg+0x007;
swapper_pg_dir[i+page_pde_offset]=pg+0x007;for(j=0;j<1024;j++){
pte+=0x1000;
pg[i*1024+j]=pte;

}
if(pte>=((char*)pg+i*1024+j)*4+0x007+INIT_MAP_BEYOND_END){
init_pg_tables_end=pg+i*0x1000+j;break;}}
大致意思是从0开始，把连续的线性地址映射到物理地址。这里的0x007是什么意思呢？由于每个页表项有32位，但其实只需保存物理地址的高20位就够了，所以剩下的低12位可以用来表示页的属性。0x007正好表示PRESENT+RW+USER（在内存中，可读写，用户页面，这样在用户态和内核态都可读写，从而实现平滑过渡）。
那么结束条件是什么呢？从代码中可知，当映射到当前所操作的页表项往下
INIT_MAP_BEYOND_END（128K）处映射结束。nm vmlinux|grep pg0得c0595000。据此可以计算总共映射了多少页（小学计算题:P）
所以映射了2个页表，映射地址从0x0~0x2000-1，大小为8M。最后，关键时刻到来了：

183 /*
184  /* Enable paging185  */
186         movl $swapper_pg_dir-__PAGE_OFFSET,%eax
187         movl %eax,%cr3          /* set the page table pointer.. */188         movl %cr0,%eax
189         orl $0x80000000,%eax
190         movl %eax,%cr0          /* ..and set paging (PG) bit */

开启页面映射后，可以直接引用内核中的所有变量了。不过离start_kernel还有点距离。要启动swapper进程，得首先设置内核堆栈。

然后设置中断向量表，看到久违的"call"了

215         call setup_idt
检查CPU类型
载入gdt(原来的gdt是临时的)和ldt

302         lgdt cpu_gdt_descr

303         lidt idt_descr
最后，调用start_kerne

l327         call start_kernel
到这一步，我们的目的地终于走到了。在摆脱了晦涩的汇编之后，接下去的代码,虽然与用户态程序相比，还有中断，同步等等的干扰，但相比较而言就好懂很多了。