进入内核前的苦力活[linux源码趣读]
GPT摘要
计算机系统启动及内存管理流程主要包括以下几个关键步骤： 1. 初始启动阶段 - CPU从ROM的
0xFFFF0地址（BIOS入口）开始执行。 - BIOS加载硬盘第一个扇区的代码（bootsect）到内存的0x7C00地址，随后将其复制到0x90000。 - 跳转到go代码，设置cs、ds、ss、sp等寄存器，完成早期初始化。 - 将操作系统核心代码（setup.s和head.s）加载到内存，bootsect.s的使命结束。 2. setup.s阶段 - 通过int指令初始化硬件（如光标、内存、显卡、磁盘信息），并存储到原先bootsect.s所在的位置。 - 将system代码复制到内存的0x0地址，准备后续切换至保护模式。 3. 实模式与保护模式 - 实模式：早期8086处理器的基本工作模式，直接访问物理内存，无内存保护或分页机制。 - 保护模式（cr0.PE=1）：现代处理器模式，支持分页、虚拟内存和内存保护。特权级（CPL）通过CS段选择子确定，分为Ring 0（内核态）至Ring 3（用户态）。 4. 保护模式初始化（setup.s完成） - 设置IDT（初始化键盘、时钟等中断）和GDT（定义代码段、数据段描述符）。 - 将cr0.PE置1，切换到保护模式后，地址转换通过段选择子从GDT获取段基址。 - 跳转到cs\:ip 0\:0（system代码入口）。 - 重新设置IDT和GDT，指向新内存空间。 5. 分页机制启用 - 设置cr0.PG=1开启分页，MMU通过二级页表（页目录表PDE和页表PTE）将线性地址转为物理地址。 - Linux 0.11设计支持最大16MB内存，通过1个页目录表和4个页表管理。 - 分页机制实现内存隔离和按需分配，而分段机制（保护模式必需）主要用于权限控制和逻辑地址转换。 6. 关键寄存器作用 - CR3：指向页目录表，进程切换时更新。 - 分段机制：CS/EIP（代码执行）、DS（数据访问…
总体
加载代码
- pc指针初始指向0xFFFF0（ROM） 代表BIOS的地址
- 加载硬盘第一扇区代码（bootsetct）到0x7c00
- 复制到0x90000
- 跳转到go代码，设置好cs ds ss sp
- 把全部os代码搬入内存（setup.s 2~5； head.s 240扇区），至此bootsect.s使命完成
- setup.s 使用
int指令初始化光标、内存、显卡、磁盘等信息放到bootsect.s的位置，并把system代码复制到0位置
进入保护模式
实模式：
- 处理器基本工作模式,主要用于兼容早期的8086处理器
- 直接访问物理内存,没有内存保护机制， 没有虚拟内存和分页机制
保护模式 cr0中PE=1
现代处理器
支持分页以及虚拟内存以及内存保护机制
保护模式 CS下最后两位 代表CPL 此外倒数第三位决定从GDT还是LDT ├── Ring 0 --> 内核态 ├── Ring 1 --> 设备驱动(较少使用) ├── Ring 2 --> 设备驱动(较少使用) └── Ring 3 --> 用户态1
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setup.s
1. 设置初始化IDT(键盘、时钟、串口、鼠标)，GDT（包含代码段、数据段描述符）并设置寄存器指向他们的地址
2. 将cr0中PE置为1，切换到保护模式（地址转换也响应变换）
- 原来实模式下地址转换的方法
- 保护模式下转换方法：需要转换一下段基址（**段寄存器（比如 ds、ss、cs）里存储的是段选择子，段选择子去全局描述符表中寻找段描述符，从中取出段基址**）
3. 跳转到cs：ip 0:0位置，**从现在开始进入system代码**
4. 重新设置idt、gdt，指向新的空间
### 开启分页
#### 地址转换
**cr0**中的PG设置为1
没有开启分页机制的时候，只需要经过这一步转换即可得到最终的物理地址了，但是在开启了分页机制后，又会**多一步转换**。
二级页表线性地址转物理地址（第一级叫**页目录表 PDE**，第二级叫**页表 PTE**），**MMU**负责转换
0000000011_0100000000_000000000000
> 当时 linux-0.11 认为，总共可以使用的内存不会超过 **16M**，也即最大地址空间为 **0xFFFFFF**。
>
> 而按照当前的页目录表和页表这种机制，1 个页目录表最多包含 1024 个页目录项（也就是 1024 个页表），1 个页表最多包含 1024 个页表项（也就是 1024 个页），1 页为 4KB（因为有 12 位偏移地址），因此，16M 的地址空间可以用 1 个页目录表 + 4 个页表搞定。
>
> 4（页表数）* 1024（页表项数） * 4KB（一页大小）= 16MB
> 在早期的x86保护模式中，分段机制用于控制内存访问，给不同段分配不同的权限级别。但在现代操作系统中，分段机制主要用于基础的内存地址分段，而特权控制和内存保护主要依赖分页机制。因此，Linux等操作系统通常将分段简化为“扁平模式”（flat model），即所有段的基地址设为0，段限长覆盖整个虚拟地址空间，这样就可以忽略分段的复杂性，专注于分页。
#### 全局结构
CR3寄存器是虚拟内存管理的核心部分，与操作系统的内存管理紧密相关。当操作系统需要切换当前的内存映射时（如进程切换时），它会更新CR3寄存器的值来指向新的页目录表。
#### 小结
Intel 体系结构的**内存管理**可以分成两大部分，也就是标题中的两板斧，**分段**和**分页**。
**分段机制**在之前几回已经讨论过多次了，其目的是为了为每个程序或任务提供单独的代码段（cs）、数据段（ds）、栈段（ss），使其不会相互干扰。(保护模式必须开启)
**分页机制**是本回讲的内容，开机后分页机制默认是关闭状态，需要我们手动开启，并且设置好页目录表（PDE）和页表（PTE）。其目的在于可以**按需使用**物理内存，同时也可以在**多任务时起到隔离**的作用，这个在后面将多任务时将会有所体会。
- **逻辑地址**：我们程序员写代码时给出的地址叫逻辑地址，其中包含段选择子和偏移地址两部分。
- **线性地址**：通过分段机制，将逻辑地址转换后的地址，叫做线性地址。而这个线性地址是有个范围的，这个范围就叫做线性地址空间，32 位模式下，线性地址空间就是 4G。
- **物理地址**：就是真正在内存中的地址，它也是有范围的，叫做物理地址空间。那这个范围的大小，就取决于你的内存有多大了。
最后进入main函数是利用ret指令，ret会将栈顶作为下一条指令的地址，所以只需要将main函数提前入栈即可
### 总结
前五节：载入代码
之后包含进入保护模式（分段）以及开启分页，初始化了IDT、GDT、页表，并且设置响应寄存器指向他们：idtr 寄存器指向了 idt，这个就是中断的设置；gdtr 寄存器指向了 gdt，这个就是全局描述符表的设置，可以简单理解为分段机制的设置；cr3 寄存器指向了页目录表的位置
> Intel 本身对于访问内存就分成三类：
>
> - **代码**
> - **数据**
> - **栈**
>
> 而 Intel 也提供了三个段寄存器来分别对应着三类内存：
>
> - **代码段寄存器（cs）**
> - **数据段寄存器（ds）**
> - **栈段寄存器（ss）**
>
> 具体来说：
>
> - **cs:eip** 表示了我们要执行哪里的代码。
> - **ds:xxx** 表示了我们要访问哪里的数据。
> - **ss:esp** 表示了我们的栈顶地址在哪里。
>
> 而第一部分的代码，也做了如下工作：
>
> - 将 **ds** 设置为了 0x10，表示指向了索引值为 2 的全局描述符，即数据段描述符。
> - 将 **cs** 通过一次长跳转指令设置为了 8，表示指向了索引值为 1 的全局描述符，即代码段描述符。
> - 将 **ss:esp** 这个栈顶地址设置为 user_stack 数组的末端。
>
> 你看，分段和分页，以及这几个寄存器的设置，其实本质上就是安排我们今后访问内存的方式，做了一个初步规划，**包括去哪找代码、去哪找数据、去哪找栈，以及如何通过分段和分页机制将逻辑地址转换为最终的物理地址**。
>
> 而所有上面说的这一切，和 Intel CPU 这个硬件打交道比较多，设置了一些最最最最基础的环境和内存布局，为之后进入 main 函数做了充分的准备，因为 c 语言虽然很底层了，但也有其不擅长的事情，就交给第一部分的汇编语言来做，所以我称第一部分为**进入内核前的苦力活**。
```c
void main(void) {
ROOT_DEV = ORIG_ROOT_DEV;
drive_info = DRIVE_INFO;
memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);
memory_end &= 0xfffff000;
if (memory_end > 16*1024*1024)
memory_end = 16*1024*1024;
if (memory_end > 12*1024*1024)
buffer_memory_end = 4*1024*1024;
else if (memory_end > 6*1024*1024)
buffer_memory_end = 2*1024*1024;
else
buffer_memory_end = 1*1024*1024;
main_memory_start = buffer_memory_end;
mem_init(main_memory_start,memory_end);
trap_init();
blk_dev_init();
chr_dev_init();
tty_init();
time_init();
sched_init();
buffer_init(buffer_memory_end);
hd_init();
floppy_init();
sti();
move_to_user_mode();
if (!fork()) {
init();
}
for(;;) pause();
}