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Linux0.11引导启动程序：简略过程

news 来源：原创 2025/6/1 1:01:18

引言

目标：是重写boot文件夹下面的引导文件，加入一些个人信息。
语法：由于使用两个语法风格的汇编需要两个汇编器，有些麻烦，直接全都用GNU的 as(gas)进行编译。使用AT&T 语法的汇编语言程序。
接下来先拜读同济大学赵炯博士的《Linux内核0.11完全注释（修正版V3.0）》（以后简称《注释》）的第6章，做一些笔记。

boot 目录文件：包含 bootsect.s、setup.s、head.s 三个汇编文件。
bootsect.s 与 setup.s：实模式 16 位代码，Linux0.11使用Intel语法，用as86和ld86编译。

原因是
- 早期 GNU as 不支持实模式 16 位代码
- 直到 1994 年以后发布的 GNU as 汇编器才开始支持编译 16 位代码的.code16 伪指令。
head.s：保护模式 32 位代码，用GNU的as（AT&T 语法）编译。
内核 2.4.X 起，bootsect.s 和 setup.s 才完全用 as 编译。

总体功能

先总体说明一下 Linux 操作系统启动部分的主要执行流程。

启动初始ROM BIOS：PC 开机，80x86 CPU 进入实模式，从地址 0xFFFF0（ROM - BIOS）执行代码。BIOS 执行系统检测，在物理地址 0 初始化中断向量，将启动设备（软驱或硬盘）的第一个扇区（512 字节，磁盘引导扇区）bootsect.s读入内存 0x7C00 处并跳转执行。

启动初始化
PC 开机
▼
80x86 CPU 进入实模式
▼
从地址 0xFFFF0（ROM - BIOS）执行代码
▼
BIOS 执行系统检测:检测对象：对 CPU、内存、硬盘、显卡、键盘等主要硬件组件进行检查，确认其是否存在故障或能否正常连接。
▼
在物理地址 0 初始化中断向量：0x400字节1kb的中断向量表
▼
将启动设备（软驱或硬盘）的第一个扇区（512 字节，磁盘引导扇区）bootsect.s读入内存0x7C00(31KB)处
▼
跳转至内存 0x7C00 处执行

这里提到了扇区和对应的代码文件，先说明一下其对应关系：

Linux 0.11 内核在 1.44MB 磁盘上所占扇区的分布情况。1.44MB 磁盘共有 2880 个扇区，一个扇区512字节
引导程序代码bootsect占用第 1 个扇区
setup模块占用随后的 4 个扇区
Linux 0.11 内核 system 模块大约占随后的 240 个扇区。
还剩下 2630 多个扇区未被使用。这些剩余的未用空间可被利用来存放一个基本的根文件系统,从而可以创建出使用单张磁盘就能让系统运转起来的集成盘来。

bootsect.s：它将由上一步BIOS读入到内存绝对地址 0x7C00(31KB)处
- 当它被执行时就会把自己移动到内存绝对地址0x90000(576KB)处，本身是一个扇区大小512字节，所以尾部就是0x90200
- 把代码(boot/setup.s)，四个扇区大小2k，读入到bootsect的尾部，内存 0x90200 处
- 内核的其他部分(system 模块)则被读入到从内存地址 0x10000(64KB)开始处：为什么是 0x10000(64KB)？
  
  因为当时 system 模块的长度不会超过 0x80000 字节大小(即 512KB)，是为了不覆盖到bootsect和setup。

setup.s：是一个操作系统加载程序，下面解释这个文件做了什么事情
- 首先、前文说BIOS在物理地址0的地方有个1k的中断向量表，这里先利用ROM BIOS 中断读取机器系统数据，放到0x90000覆盖掉了 bootsect 程序
- 然后、将 system 模块从0x10000-0x8ffff(当时认为内核系统模块 system 的长度不会超过512KB)整块向下移动到内存绝对地址 0x00000 处。为什么一开始bootsect不直接放到物理地址0处呢？
  
  因为 setup 代码开始还需要利用 ROM BIOS 中的中断调用来获取机器的一些参数(例如显示卡模式、硬盘参数表等)。
  
  当 BIOS 初始化时会在物理内存开始处放置一个大小为0x400 字节(1KB)的中断向量表，因此需要在使用完 BIOS 的中断调用后才能将这个区域覆盖掉。
最后进入 32 位保护模式运行，并跳转到head.s运行。下面这些操作都是为了进入保护模式做准备
- 寄存器加载：加载中断描述符表寄存器（idtr）和全局描述符表寄存器（gdtr）。
  
  进入保护模式，寻址方式发生改变，需要段选择符、段描述符，这里进行最初的设置，后面在head.s里面会进行进一步设置。
- A20 地址线：开启 A20 地址线。
  80386 有 32 根地址线，可寻址 (2^{32} = 4 GB) 的内存空间。
  
  A20 地址线（地址总线的第 20 位，从 0 开始计数）与 80386 的关系如下：
  - 实模式兼容性：80386 的实模式为兼容 8086/8088 设计。若 A20 关闭，访问超过 (1MB)（0x100000）的地址时，会像 8086 一样 “回绕”（如 0x100000 映射到 0x000000），因为此时第 20 位地址无效（始终为 0），模拟旧处理器的地址模式。
  - 保护模式内存访问：在保护模式下，A20 开启是访问 (1MB) 以上全部内存的前提。若 A20 关闭，内存访问会被限制在 (0-1MB-1)、2MB-(3MB-1)) 等奇偶分段，无法连续寻址；A20 开启后，32 根地址线可完全发挥作用，实现 (4GB) 地址空间的连续访问。
  简而言之，A20 地址线控制着 80386 对 (1MB) 以上内存的访问方式，是实模式兼容旧架构与保护模式充分利用内存的关键控制项。
- 中断重设：重新设置中断控制芯片 8259A，将硬件中断号设为 0x20 - 0x2f。
- 设置 CPU 控制寄存器 CR0，进入保护模式。
- 当这个setup程序完成的时候，系统模块 system 被移动到物理地址 0x0000 开始处，BIOS的中断向量表被system覆盖了。上面一个bootsect程序也已经被机器的系统数据覆盖了
head.s：Head.s 代码的主要作用是初步初始化中断描述符表中的 256 项门描述符，检查 A20 地址线是否已经打开，测试系统是否含有数学协处理器。然后初始化内存页目录表，为内存的分页管理作好准备工作。最后跳转到 system 模块中的初始化程序 init/main.c 中继续执行。
- 其中值得关注的是：分页机制设置一级页表和二级页表时，是从物理地址0开始的也就是把自身程序给覆盖了。
那么最后，执行完head.s后，已经正式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。另外还为软盘驱动程序开辟了 1KB 字节的缓冲区。

接下来具体写一下这三个文件

Linux0.11引导启动程序：简略过程

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