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Linux內(nèi)核分析方法談(上)

 一路飄 2010-04-02
Linux內(nèi)核分析方法談(上)
2001-08-13 19:09:00· 喻鋒榮· chinabyte

  Linux的最大的好處之一就是它的源碼公開(kāi),。同時(shí),公開(kāi)的核心源碼也吸引著無(wú)數(shù)的電腦愛(ài)好者和程序員,;他們把解讀和分析Linux的核心源碼作為自己的最大興趣,,把修改Linux源碼和改造Linux系統(tǒng)作為自己對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)追求的最大目標(biāo)。
  Linux內(nèi)核源碼是很具吸引力的,,特別是當(dāng)你弄懂了一個(gè)分析了好久都沒(méi)搞懂的問(wèn)題,;或者是被你修改過(guò)了的內(nèi)核,,順利通過(guò)編譯,一切運(yùn)行正常的時(shí)候,。那種成就感真是油然而生,!而且,對(duì)內(nèi)核的分析,,除了出自對(duì)技術(shù)的狂熱追求之外,,這種令人生畏的勞動(dòng)所帶來(lái)的回報(bào)也是非常令人著迷的,這也正是它擁有眾多追隨者的主要原因:
  • 首先,,你可以從中學(xué)到很多的計(jì)算機(jī)的底層知識(shí),,如后面將講到的系統(tǒng)的引導(dǎo)和硬件提供的中斷機(jī)制等;其它,,象虛擬存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制,,多任務(wù)機(jī)制,系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制等等,,這些都是非都源碼不能體會(huì)的,。
  • 同時(shí),你還將從操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)中,,體會(huì)整體設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)中的份量和作用,,以及一些宏觀設(shè)計(jì)的方法和技巧:Linux的內(nèi)核為上層應(yīng)用提供一個(gè)與具體硬件不相關(guān)的平臺(tái);同時(shí)在內(nèi)核內(nèi)部,,它又把代碼分為與體系結(jié)構(gòu)和硬件相關(guān)的部分,,和可移植的部分;再例如,,Linux雖然不是微內(nèi)核的,,但他把大部分的設(shè)備驅(qū)動(dòng)處理成相對(duì)獨(dú)立的內(nèi)核模塊,這樣減小了內(nèi)核運(yùn)行的開(kāi)銷(xiāo),,增強(qiáng)了內(nèi)核代碼的模塊獨(dú)立性,。
  • 而且你還能從對(duì)內(nèi)核源碼的分析中,體會(huì)到它在解決某個(gè)具體細(xì)節(jié)問(wèn)題時(shí),,方法的巧妙:如后面將分析到了的Linux通過(guò)Botoom_half機(jī)制來(lái)加快系統(tǒng)對(duì)中斷的處理,。

  • 最重要的是:在源碼的分析過(guò)程中,你將會(huì)被一點(diǎn)一點(diǎn)地,、潛移默化地專(zhuān)業(yè)化,。一個(gè)專(zhuān)業(yè)的程序員,,總是把代碼的清晰性,,兼容性,可移植性放在很重要的位置。他們總是通過(guò)定義大量的宏,,來(lái)增強(qiáng)代碼的清晰度和可讀性,,而又不增加編譯后的代碼長(zhǎng)度和代碼的運(yùn)行效率;他們總是在編碼的同時(shí),,就考慮到了以后的代碼維護(hù)和升級(jí),。 甚至,只要分析百分之一的代碼后,,你就會(huì)深刻地體會(huì)到,,什么樣的代碼才是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的程序員寫(xiě)的,什么樣的代碼是一個(gè)業(yè)余愛(ài)好者寫(xiě)的,。而這一點(diǎn)是任何沒(méi)有真正分析過(guò)標(biāo)準(zhǔn)代碼的人都無(wú)法體會(huì)到的,。
  然而,由于內(nèi)核代碼的冗長(zhǎng),,和內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的龐雜,,所以分析內(nèi)核也是一個(gè)很艱難,,很需要毅力的事,;在缺乏指導(dǎo)和交流的情況下,,尤其如此。只有方法正確,,才能事半功倍,。正是基于這種考慮,作者希望通過(guò)此文能給大家一些借鑒和啟迪,。

  由于本人所進(jìn)行的分析都是基于2.2.5版本的內(nèi)核,;所以,如果沒(méi)有特別說(shuō)明,,以下分析都是基于i386單處理器的2.2.5版本的Linux內(nèi)核,。所有源文件均是相對(duì)于目錄/usr/src/linux的。

方法之一:從何入手

  要分析Linux內(nèi)核源碼,,首先必須找到各個(gè)模塊的位置,,也即要弄懂源碼的文件組織形式。雖然對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的高手而言,,這個(gè)不是很難,;但對(duì)于很多初級(jí)的Linux愛(ài)好者,和那些對(duì)源碼分析很有興趣但接觸不多的人來(lái)說(shuō),,這還是很有必要的,。

  1、Linux核心源程序通常都安裝在/usr/src/linux下,,而且它有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的編號(hào)約定:任何偶數(shù)的核心(的二個(gè)數(shù)為偶數(shù),,例如2.0.30)都是一個(gè)穩(wěn)定地發(fā)行的核心,,而任何奇數(shù)的核心(例如2.1.42)都是一個(gè)開(kāi)發(fā)中的核心,。

  2,、核心源程序的文件按樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織,在源程序樹(shù)的最上層,,即目錄/usr/src/linux下有這樣一些目錄和文件:

◆ COPYING: GPL版權(quán)申明,。對(duì)具有GPL版權(quán)的源代碼改動(dòng)而形成的程序,或使用GPL工具產(chǎn)生的程序,,具有使用GPL發(fā)表的義務(wù),,如公開(kāi)源代碼;

◆ CREDITS: 光榮榜,。對(duì)Linux做出過(guò)很大貢獻(xiàn)的一些人的信息,;

◆ MAINTAINERS: 維護(hù)人員列表,對(duì)當(dāng)前版本的內(nèi)核各部分都有誰(shuí)負(fù)責(zé),;

◆ Makefile: 第一個(gè)Makefile文件,。用來(lái)組織內(nèi)核的各模塊,記錄了個(gè)模塊間的相互這間的聯(lián)系和依托關(guān)系,,編譯時(shí)使用,;仔細(xì)閱讀各子目錄下的Makefile文件對(duì)弄清各個(gè)文件這間的聯(lián)系和依托關(guān)系很有幫助;

◆ ReadMe: 核心及其編譯配置方法簡(jiǎn)單介紹,;

◆ Rules.make: 各種Makefilemake所使用的一些共同規(guī)則,;

◆ REPORTING-BUGS:有關(guān)報(bào)告Bug 的一些內(nèi)容;

● Arch/ :arch子目錄包括了所有和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的核心代碼,。它的每一個(gè)子目錄都代表一種支持的體系結(jié)構(gòu),,例如i386就是關(guān)于intel cpu及與之相兼容體系結(jié)構(gòu)的子目錄。PC機(jī)一般都基于此目錄,;

● Include/: include子目錄包括編譯核心所需要的大部分頭文件,。與平臺(tái)無(wú)關(guān)的頭文件在 include/linux子目錄下,與 intel cpu相關(guān)的頭文件在include/asm-i386子目錄下,而include/scsi目錄則是有關(guān)scsi設(shè)備的頭文件目錄,;

● Init/: 這個(gè)目錄包含核心的初始化代碼(注:不是系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼),,包含兩個(gè)文件main.c和Version.c,這是研究核心如何工作的好的起點(diǎn)之一,。

● Mm/:這個(gè)目錄包括所有獨(dú)立于 cpu 體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理代碼,,如頁(yè)式存儲(chǔ)管理內(nèi)存的分配和釋放等;而和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)存管理代碼則位于arch/*/mm/,,例如arch/i386/mm/Fault.c,;

● Kernel/:主要的核心代碼,此目錄下的文件實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)linux系統(tǒng)的內(nèi)核函數(shù),,其中最重要的文件當(dāng)屬sched.c,;同樣,,和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼在arch/*/kernel中;

● Drivers/: 放置系統(tǒng)所有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,;每種驅(qū)動(dòng)程序又各占用一個(gè)子目錄:如,,/block 下為塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,比如ide(ide.c),。如果你希望查看所有可能包含文件系統(tǒng)的設(shè)備是如何初始化的,,你可以看drivers/block/genhd.c中的device_setup()。它不僅初始化硬盤(pán),,也初始化網(wǎng)絡(luò),,因?yàn)榘惭bnfs文件系統(tǒng)的時(shí)候需要網(wǎng)絡(luò);

● Documentation/: 文檔目錄,沒(méi)有內(nèi)核代碼,,只是一套有用的文檔,,可惜都是English的,看看應(yīng)該有用的哦,;

● Fs/: 所有的文件系統(tǒng)代碼和各種類(lèi)型的文件操作代碼,,它的每一個(gè)子目錄支持一個(gè)文件系統(tǒng), 例如fat和ext2;

● Ipc/: 這個(gè)目錄包含核心的進(jìn)程間通訊的代碼,;

● Lib/: 放置核心的庫(kù)代碼,;

● Net/: 核心與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的代碼;

● Modules/: 模塊文件目錄,,是個(gè)空目錄,,用于存放編譯時(shí)產(chǎn)生的模塊目標(biāo)文件;

● Scripts/: 描述文件,,腳本,,用于對(duì)核心的配置;

  一般,,在每個(gè)子目錄下,,都有一個(gè) Makefile 和一個(gè)Readme 文件,仔細(xì)閱讀這兩個(gè)文件,,對(duì)內(nèi)核源碼的理解很有用,。

  對(duì)Linux內(nèi)核源碼的分析,有幾個(gè)很好的入口點(diǎn):一個(gè)就是系統(tǒng)的引導(dǎo)和初始化,,即從機(jī)器加電到系統(tǒng)核心的運(yùn)行,;另外一個(gè)就是系統(tǒng)調(diào)用,系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序或操作調(diào)用核心所提供的功能的接口,。對(duì)于那些對(duì)硬件比較熟悉的愛(ài)好者,,從系統(tǒng)的引導(dǎo)入手進(jìn)行分析,可能來(lái)的容易一些,;而從系統(tǒng)調(diào)用下口,,則可能更合適于那些在dos或Uinx,、Linux下有過(guò)C編程經(jīng)驗(yàn)的高手。這兩點(diǎn),,在后面還將介紹到,。
 
方法之二:以程序流程為線索,一線串珠

  從表面上看,,Linux的源碼就象一團(tuán)扎亂無(wú)章的亂麻,,其實(shí)它是一個(gè)組織得有條有理的蛛網(wǎng),。要把整個(gè)結(jié)構(gòu)分析清楚,,除了找出線頭,還得理順各個(gè)部分之間的關(guān)系,,有條不紊的一點(diǎn)一點(diǎn)的分析,。

  所謂以程序流程為線索、一線串珠,,就是指根據(jù)程序的執(zhí)行流程,,把程序執(zhí)行過(guò)程所涉及到的代碼分析清楚。這種方法最典型的應(yīng)用有兩個(gè):一是系統(tǒng)的初始化過(guò)程,;二是應(yīng)用程序的執(zhí)行流程:從程序的裝載,,到運(yùn)行,一直到程序的退出,。

  為了簡(jiǎn)便起見(jiàn),,遵從循序漸進(jìn)的原理,現(xiàn)就系統(tǒng)的初始化過(guò)程來(lái)具體的介紹這種方法,。系統(tǒng)的初始化流程包括:系統(tǒng)引導(dǎo),,實(shí)模式下的初始化,保護(hù)模式下的初始化共三個(gè)部分,。下面將一一介紹,。

 inux系統(tǒng)的常見(jiàn)引導(dǎo)方式有兩種:Lilo引導(dǎo)和Loadin引導(dǎo);同時(shí)linux內(nèi)核也自帶了一個(gè)bootsect-loader,。由于它只能實(shí)現(xiàn)linux的引導(dǎo),,不像前兩個(gè)那樣具有很大的靈活性(lilo可實(shí)現(xiàn)多重引導(dǎo)、loadin可在dos下引導(dǎo)linux),所以在普通應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)際上很少使用bootsect-loader,。當(dāng)然,,bootsect-loader也具有它自己的優(yōu)點(diǎn):短小沒(méi)有多余的代碼、附帶在內(nèi)核源碼中,、是內(nèi)核源碼的有機(jī)組成部分,,等等。

  bootsect-loader在內(nèi)和源碼中對(duì)應(yīng)的程序是 /Arch/i386/boot/bootsect.S ,。下面將主要是針對(duì)此文件進(jìn)行的分析,。
  1. 幾個(gè)相關(guān)文件:

    <1> /Arch/i386/boot/bootsect.S

    <2> /include/linux/config.h

    <3> /include/asm/boot.h

    <4> /include/linux/autoconf.h
  2. 引導(dǎo)過(guò)程分析:

    對(duì)于Intel x86 PC , 開(kāi)啟電源后, 機(jī)器就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行ROM BIOS的一系列系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)作,,包括檢查RAM,keyboard,,顯示器,,軟硬磁盤(pán)等等。執(zhí)行完bios的系統(tǒng)測(cè)試之后,,緊接著控制權(quán)會(huì)轉(zhuǎn)移給ROM中的啟動(dòng)程序(ROM bootstrap routine),;這個(gè)程序會(huì)將磁盤(pán)上的第0軌第0扇區(qū)(叫boot sector或MBR ,系統(tǒng)的引導(dǎo)程序就放在此處)讀入內(nèi)存中,,并放到自0x07C0:0x0000開(kāi)始的512個(gè)字節(jié)處,;然后處理機(jī)將跳到此處開(kāi)始執(zhí)行這一引導(dǎo)程序;也即裝入MBR中的引導(dǎo)程序后,, CS:IP = 0x07C0:0x0000 ,。加電后處理機(jī)運(yùn)行在與8086相兼容的實(shí)模式下。

    如果要用bootsect-loader進(jìn)行系統(tǒng)引導(dǎo),,則必須把bootsect.S編譯連接后對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼置于MBR,; 當(dāng)ROM BIOS 把bootsect.S編譯連接后對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼裝入內(nèi)存后,機(jī)器的控制權(quán)就完全轉(zhuǎn)交給bootsect,; 也就是說(shuō),,bootsect將是第一個(gè)被讀入內(nèi)存中并執(zhí)行的程序。

    Bootsect接管機(jī)器控制權(quán)后,,將依次進(jìn)行以下一些動(dòng)作:


    1.首先,,bootsect將它"自己"(自位置0x07C0:0x0000開(kāi)始的512個(gè)字節(jié))從被ROM BIOS載入的地址0x07C0:0x0000處搬到0x9000:0000處; 這一任務(wù)由bootsect.S的前十條指令完成;第十一條指令“jmpi go,INITSEG”則把機(jī)器跳轉(zhuǎn)到“新”的bootsect的“jmpi go,INITSEG”后的那條指令“go: mov di,#0x4000-12”,;之后,,繼續(xù)執(zhí)行bootsect的剩下的代碼;在bootsect.S中定義了幾個(gè)常量:

    BOOTSEG = 0x07C0 bios 載入 MBR的約定位置的段址,;

    INITSEG = 0x9000 bootsect.S的前十條指令將自己搬到此處(段址)

    SETUPSEG =0x9020 裝入Setup.S的段址

    SYSSEG =0x1000 系統(tǒng)區(qū)段址

    對(duì)于這些常量可參見(jiàn)/include/asm/boot.h中的定義,;這些常量在下面的分析中將會(huì)經(jīng)常用到;

    2.以0x9000:0x4000-12為棧底,,建立自己的棧區(qū),;其中0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個(gè)字節(jié)預(yù)留作磁盤(pán)參數(shù)表區(qū);

    3.在0x9000:0x4000-12到0x9000:0x4000的一十二個(gè)預(yù)留字節(jié)中建立新的磁盤(pán)參數(shù)表,,之所以叫“新”的磁盤(pán)參數(shù)表,,是相對(duì)于bios建立的磁盤(pán)參數(shù)表而言的。由于設(shè)計(jì)者考慮到有些老的bios不能準(zhǔn)確地識(shí)別磁盤(pán)“每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)”,,從而導(dǎo)致bios建立的磁盤(pán)參數(shù)表妨礙磁盤(pán)的最高性能發(fā)揮,,所以,設(shè)計(jì)者就在bios建立的磁盤(pán)參數(shù)表的基礎(chǔ)上通過(guò)枚舉法測(cè)試,,試圖建立準(zhǔn)確的“新”的磁盤(pán)參數(shù)表(這是在后繼步驟中完成的),;并把參數(shù)表的位置由原來(lái)的0x0000:0x0078搬到0x9000:0x4000-12,;且修改老的磁盤(pán)參數(shù)表區(qū)使之指向新的磁盤(pán)參數(shù)表;

    4.接下來(lái)就到了load_setup子過(guò)程,;它調(diào)用0x13中斷的第2號(hào)服務(wù),;把第0道第2扇區(qū)開(kāi)始的連續(xù)的setup_sects (為常量4)個(gè)扇區(qū)讀到緊鄰bootsect的內(nèi)存區(qū);,,即0x9000:0x0200開(kāi)始的2048個(gè)字節(jié),;而這四個(gè)扇區(qū)的內(nèi)容即是/arch/i386/boot/setup.S編譯連接后對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼; 也就是說(shuō),,如果要用bootsect-loader進(jìn)行系統(tǒng)引導(dǎo),,不僅必須把bootsect.S編譯連接后對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼置于MBR,而且還得把setup.S編譯連接后對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼置于緊跟MBR后的連續(xù)的四個(gè)扇區(qū)中,;當(dāng)然,,由于setup.S對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行碼是由bootsect裝載的,所以,,在我們的這個(gè)項(xiàng)目中可以通過(guò)修改bootsect來(lái)根據(jù)需要隨意地放置setup.S對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行碼;

    5.load_setup子過(guò)程的唯一出口是probe_loop子過(guò)程,;該過(guò)程通過(guò)枚舉法測(cè)試磁盤(pán)“每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)”;

    6.接下來(lái)幾個(gè)子過(guò)程比較清晰易懂:打印我們熟悉的“Loading”,;讀入系統(tǒng)到0x1000:0x0000; 關(guān)掉軟驅(qū)馬達(dá);根據(jù)的5步測(cè)出的“每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)”確定磁盤(pán)類(lèi)型,;最后跳轉(zhuǎn)到0x9000:0x0200,即setup.S對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行碼的入口,,將機(jī)器控制權(quán)轉(zhuǎn)交setup.S;整個(gè)bootsect代碼運(yùn)行完畢;
  3. 引導(dǎo)過(guò)程執(zhí)行完后的內(nèi)存印象圖:


  出于簡(jiǎn)便考慮,,在此分析中,,我忽略了對(duì)大內(nèi)核的處理的分析,因?yàn)閷?duì)大內(nèi)核的處理,,只是此引導(dǎo)過(guò)程中的一個(gè)很小的部分,,并不影響對(duì)整體的把握。完成了系統(tǒng)的引導(dǎo)后,,系統(tǒng)將進(jìn)入到初始化處理階段,。系統(tǒng)的初始化分為實(shí)模式和保護(hù)模式兩部分。
II,、實(shí)模式下的初始化

  實(shí)模式下的初始化,主要是指從內(nèi)核引導(dǎo)成功后,,到進(jìn)入保護(hù)模式之前系統(tǒng)所做的一些處理。在內(nèi)核源碼中對(duì)應(yīng)的程序是 /Arch/i386/boot/setup.S,;以下部分主要是針對(duì)此文件進(jìn)行的分析,。這部分的分析主要是要弄懂它的處理流程和INITSEG(9000:0000)段參數(shù)表的建立,此參數(shù)表包含了很多硬件參數(shù),,這些都是以后進(jìn)行保護(hù)模式下初始化,,以及核心建立的基礎(chǔ),。

1. 幾個(gè)其它相關(guān)文件:

<1> /Arch/i386/boot/bootsect.S

<2> /include/linux/config.h

<3> /include/asm/boot.h

<4> /include/ asm/segment.h

<5> /include/linux/version.h

<6> /include/linux/compile.h

2. 實(shí)模式下的初始化過(guò)程分析:





INITSEG(9000:0000)段參數(shù)表:(參見(jiàn)Include/linux/tty.h)

參數(shù)名

偏移量(段址均為0x9000) 長(zhǎng)度Byte

參考文件

PARAM_CURSOR_POS 0x0000 2 Arch/i386/boot/video.S
extended mem Size 0x0002 2 Arch/i386/boot/setup.S

PARAM_VIDEO_PAGE

0x0004 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_VIDEO_MODE 0x0006 1 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_VIDEO_COLS 0x0007 1 Arch/i386/boot/video.S
沒(méi)用 0x0008 2 Include/linux/tty.h
PARAM_VIDEO_EGA_BX 0x000a 2 Arch/i386/boot/video.S
沒(méi)用 0x000c 2 Include/linux/tty.h
PARAM_VIDEO_LINES 0x000e 1 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_HAVE_VGA 0x000f 1 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_FONT_POINTS 0x0010 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_LFB_WIDTH 0x0012 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_LFB_HEIGHT 0x0014 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_LFB_DEPTH 0x0016 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_LFB_BASE 0x0018 4 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_LFB_SIZE 0x001c 4 Arch/i386/boot/video.S
暫未用① 0x0020 4 Include/linux/tty.h
PARAM_LFB_LINELENGTH 0x0024 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_LFB_COLORS 0x0026 6 Arch/i386/boot/video.S
暫未用② 0x002c 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_VESAPM_SEG 0x002e 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_VESAPM_OFF 0x0030 2 Arch/i386/boot/video.S
PARAM_LFB_PAGES 0x0032 2 Arch/i386/boot/video.S
保留 0x0034--0x003f   Include/linux/tty.h
APM BIOS Version③ 0x0040 2 Arch/i386/boot/setup.S
BIOS code segment 0x0042 2 Arch/i386/boot/setup.S
BIOS entry offset 0x0044 4 Arch/i386/boot/setup.S
BIOS 16 bit code seg 0x0048 2 Arch/i386/boot/setup.S
BIOS data segment 0x004a 2 Arch/i386/boot/setup.S
支持32位標(biāo)志④ 0x004c 2 Arch/i386/boot/setup.S
BIOS code seg length 0x004e 4 Arch/i386/boot/setup.S
BIOS data seg length 0x0052 2 Arch/i386/boot/setup.S
hd0 參數(shù) 0x0080 16 Arch/i386/boot/setup.S
hd0 參數(shù) 0x0090 16 Arch/i386/boot/setup.S
PS/2 device 標(biāo)志⑤ 0x01ff 1 Arch/i386/boot/setup.S


* 注: ① Include/linux/tty.h : CL_MAGIC and CL_OFFSET here

    1. Include/linux/tty.h :
unsigned char rsvd_size; /* 0x2c */ unsigned char rsvd_pos; /* 0x2d */

③ 0表示沒(méi)有APM BIOS

④ 0x0002置位表示支持32位模式

⑤ 0表示沒(méi)有,,0x0aa表示有鼠標(biāo)器
III,、保護(hù)模式下的初始化

  保護(hù)模式下的初始化,,是指處理機(jī)進(jìn)入保護(hù)模式后到運(yùn)行系統(tǒng)第一個(gè)內(nèi)核程序過(guò)程中系統(tǒng)所做的一些處理。保護(hù)模式下的初始化在內(nèi)核源碼中對(duì)應(yīng)的程序是 /Arch/i386/boot/compressed/head.S 和 /Arch/i386/KERNEL/head.S ,;以下部分主要是針對(duì)這兩個(gè)文件進(jìn)行的分析,。
  1. 幾個(gè)相關(guān)文件:

    <1.> /Arch/i386/boot/compressed/head.S

    <2.> /Arch/i386/KERNEL/head.S

    <3.> //Arch/i386/boot/compressed/MISC.c

    <4.> /Arch/i386/boot/setup.S

    <5.> /include/ asm/segment.h

    <6.> /arch/i386/kernel/traps.c

    <7.> /include/i386/desc.h

    <8.> /include/asm-i386/processor.h

  2. 保護(hù)模式下的初始化過(guò)程分析:

    一、/Arch/i386/KERNEL/head.S流程:



 
 

二,、/Arch/i386/boot/compressed/head.S流程:

  1. 從流程圖中可以看到,,保護(hù)模式下的初始化主要干了這樣幾件事:
      1. 解壓內(nèi)核到0x100000處,、
      2. 建立頁(yè)目錄和pg0頁(yè)表并啟動(dòng)分頁(yè)功能(即虛存管理功能),、
      3. 保存實(shí)模式下測(cè)到的硬件信息到empty_zero_page,、初始化命令緩存區(qū),、
      4. 檢測(cè)cpu類(lèi)型,、檢查協(xié)處理器,、
      5. 重新建立gdt全局描述符表,、和中斷描述附表idt,;
  2. 從頁(yè)目錄和pg0頁(yè)表可以看出,,0�,;4M物理內(nèi)存被用作系統(tǒng)區(qū),它被映射到系統(tǒng)段線性空間的0�;4M和3G�,;3G+4M,;即系統(tǒng)可以通過(guò)訪問(wèn)這兩個(gè)段來(lái)訪問(wèn)實(shí)際的0�;4M物理內(nèi)存,,也就是系統(tǒng)所在的區(qū)域;
  3. 本來(lái)在實(shí)模式下初始化時(shí)已經(jīng)建立了全局描述符表gdt,而此處重新建立全局描述符表gdt則主要是出于兩個(gè)原因:一個(gè)就是若內(nèi)核是大內(nèi)核bzimag,,則以前建立的gdt,,可能已經(jīng)在解壓時(shí)被覆蓋掉了所以,在這個(gè)源碼文件中均只采用相對(duì)轉(zhuǎn)移指令jxx nf或jxx nb,;二是以前建立的gdt是建立在實(shí)地址方式下的,,而現(xiàn)在則是在啟用保護(hù)虛擬地址方式之后建立的,也即現(xiàn)在的gdt是建立在邏輯地址(即線性地址)上的,;
  4. 每次建立新的gdt后和啟用保護(hù)虛擬地址方式后都必須重新裝載系統(tǒng)棧和重新初始化各段寄存器:cs,ds,es,fs,gs,;
  5. 從實(shí)模式下的初始化和保護(hù)模式下的初始化過(guò)程可以看出,linux系統(tǒng)由實(shí)模式進(jìn)入到保護(hù)模式的過(guò)程大致如下:



6.由于分頁(yè)機(jī)制只能在保護(hù)模式下啟動(dòng),,不能在實(shí)模式下啟動(dòng),,所以第一步是必要的;又因?yàn)樵?86保護(hù)模式下gdt和idt是建立在邏輯地址(線性地址)上的,,所以第三步也是必要的,;
7.經(jīng)過(guò)實(shí)模式和保護(hù)模式下的初始后,主要系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布如下:

初始后主要系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布表
位置 系統(tǒng)數(shù)據(jù) 大小
0x101000 頁(yè)目錄swapper_pg_dir 4K
0x102000 頁(yè)表pg0 4K
0x103000 empty_bad_page 4K
0x104000 empty_bad_page_table 4K
0x105000 empty_zero_page 4K
0x105000 系統(tǒng)硬件參數(shù) 2K
0x105800 命令緩沖區(qū) 2K
0x106000 全局描述附表gdt_table 4192B

  從上面對(duì)Linux系統(tǒng)的初始化過(guò)程的分析可以看出,,以程序執(zhí)行流程為線索、一線串珠,,就是按照程序的執(zhí)行先后順序,,弄懂程序執(zhí)行的各個(gè)階段所進(jìn)行的處理,及其各階段之間的相互聯(lián)系,。而流程圖應(yīng)該是這種分析方法最合適的表達(dá)工具,。

  事實(shí)上,,以程序執(zhí)行流程為線索,,是分析任何源代碼都首選的方法,。由于操作系統(tǒng)的特殊性,光用這種方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,。當(dāng)然用這種方法來(lái)分析系統(tǒng)的初始化過(guò)程或用戶進(jìn)程的執(zhí)行流程應(yīng)該說(shuō)是很有效的,。

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