第1章：x86_64 BIOS Legacy 启动流程
从上电到内核引导的完整旅程
本章概述
BIOS (Basic Input/Output System) Legacy 启动是传统 PC 的标准启动方式。本章详细讲解从按下电源键到内核开始执行的完整过程。
启动流程概览
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│ BIOS Legacy 启动流程 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌──────────────┐ ┌───────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│ │ BIOS POST │ → │ MBR 引导 │ → │ 引导程序 │ │
│ │ (固件) │ │ (512字节) │ │ (GRUB/LILO) │ │
│ └──────────────┘ └───────────────┘ └─────────────────┘ │
│ │ │ │ │
│ └───────────────────┴───────────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────────────┐ │
│ │ 内核引导头部 │ │
│ │ (header.S) │ │
│ └──────────────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────────────┐ │
│ │ 实模式初始化 │ │
│ │ (main.c) │ │
│ └──────────────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────────────┐ │
│ │ 保护模式切换 │ │
│ │ (pm.c) │ │
│ └──────────────────────┘ │
│ ↓ │
│ ┌──────────────────────┐ │
│ │ 压缩内核入口 │ │
│ │ (head_64.S) │ │
│ └──────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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1.1 BIOS POST 阶段
1.1.1 上电自检 (Power-On Self-Test)
当按下电源键后，CPU 的重置向量指向 BIOS ROM 的入口点。
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| /* 典型的 BIOS 入口 (简化) */
RESET_VECTOR:
jmp BIOS_INIT
BIOS_INIT:
; 初始化 CPU 寄存器
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
; 检测内存大小
call detect_memory
; 测试内存
call test_memory
; 初始化硬件设备
call init_hardware
; 构建中断向量表
call setup_IVT
; 读取启动设备配置
call read_boot_config
; 加载主引导记录
call load_MBR
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1.1.2 实模式内存布局
BIOS 在 16 位实模式下运行，只能寻址 1MB 内存空间：
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| 地址范围 大小 用途
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0x00000000 - 0x000003FF 1 KB 中断向量表 (IVT)
- 256 个中断向量
- 每个 4 字节 (段:偏移)
0x00000400 - 0x000004FF 256 B BIOS 数据区 (BDA)
- 0x400: 端口地址
- 0x413: 可用内存 (KB)
- 0x417: 键盘状态标志
0x00000500 - 0x00007BFF ~30 KB 常规内存可用区域
0x00007C00 - 0x00007DFF 512 B MBR 加载位置
- BIOS 将第一个扇区加载到这里
0x00007E00 - 0x0007FFFF ~480 KB BIOS/操作系统数据区
- boot_params 将被复制到 0x90000
0x00080000 - 0x0009FFFF 128 KB 扩展 BIOS 数据区 (EBDA)
0x000A0000 - 0x000BFFFF 128 KB 视频内存 (VGA)
- 0xA0000: 图形模式
- 0xB8000: 文本模式
0x000C0000 - 0x000C7FFF 32 KB 视频 BIOS
- 0xC0000: VGA BIOS 入口
0x000C8000 - 0x000EFFFF 160 KB 各种适配器 ROM
0x000F0000 - 0x000FFFFF 64 KB 系统 BIOS
- 0xF0000: BIOS 代码
- 0xFFFF0: 重置向量
0x00100000 - >1 MB 扩展内存 (XMS)
- 需要保护模式才能访问
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1.1.3 BIOS 中断调用 (BIOS Interrupt Calls)
BIOS 提供软件中断接口，实模式代码可以通过 INT 指令调用：
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#define BIOS_VIDEO_SERVICES 0x10
#define BIOS_DISK_SERVICES 0x13
#define BIOS_SYSTEM_SERVICES 0x15
#define BIOS_KEYBOARD_SERVICES 0x16
#define BIOS_TIME_SERVICES 0x1A
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内核中的使用示例 (arch/x86/boot/main.c):
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static void keyboard_init(void)
{
struct biosregs ireg, oreg;
initregs(&ireg);
ireg.ah = 0x02;
intcall(0x16, &ireg, &oreg);
boot_params.kbd_status = oreg.al;
ireg.ax = 0x0305;
intcall(0x16, &ireg, NULL);
}
static void intcall(int intno, struct biosregs *ireg,
struct biosregs *oreg)
{
struct biosregs tmp;
asm volatile("pushfl; pushw %%fs; "
"movw %%ds, %%ax; movw %%ax, %%fs; "
"pushw %%es; "
"intcall_wrapper: int %2; "
"pushw %%es; popw %%ds; "
"popw %%es; popw %%fs; popfl"
: "=a"(tmp.eax), "=b"(tmp.ebx),
"=c"(tmp.ecx), "=d"(tmp.edx)
: "i"(intno), "a"(ireg->eax),
"b"(ireg->ebx), "c"(ireg->ecx),
"d"(ireg->edx)
: "memory", "cc");
if (oreg)
*oreg = tmp;
}
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1.1.4 E820 内存映射
E820 是 BIOS 提供的内存映射查询接口，比传统的 INT 15h/AH=88h 更强大。
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#define E820_TYPE_RAM 1
#define E820_TYPE_RESERVED 2
#define E820_TYPE_ACPI 3
#define E820_TYPE_NVS 4
#define E820_TYPE_UNUSABLE 5
#define E820_TYPE_PMEM 7
struct e820_entry {
u64 addr;
u64 size;
u32 type;
} __attribute__((packed));
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内核查询 E820 的代码 (arch/x86/boot/memory.c):
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| static int detect_memory_e820(void)
{
int count = 0;
struct biosregs ireg, oreg;
struct e820_entry *desc = boot_params.e820_table;
u32 buf_size;
initregs(&ireg);
ireg.ax = 0xe820;
ireg.cx = sizeof(buf);
ireg.edx = SMAP;
ireg.di = (size_t)&buf;
do {
intcall(0x15, &ireg, &oreg);
if (oreg.eflags & X86_EFLAGS_CF)
break;
if (oreg.eax != SMAP) {
count = 0;
break;
}
*desc++ = buf;
count++;
ireg.bx = oreg.bx;
} while (ireg.bx && count < E820_MAX_ENTRIES);
boot_params.e820_entries = count;
return count;
}
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1.2 MBR 引导阶段
1.2.1 主引导记录 (Master Boot Record)
MBR 是磁盘的第一个扇区 (512 字节)，BIOS 将其加载到内存 0x7C00 处。
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| MBR 结构 (512 字节):
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│ 偏移 大小 内容 │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│ 0x000 446 B 引导代码 (Boot Code) │
│ │ │
│ └─ GRUB Stage 1 或其他引导程序 │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│ 0x1BE 64 B 分区表 (Partition Table) │
│ │ │
│ ├─ 4 个主分区表项 │
│ │ 每项 16 字节: │
│ │ - 0x00: 活动标志 (0x80=活动) │
│ │ - 0x01-0x03: 起始 CHS │
│ │ - 0x04: 分区类型 │
│ │ - 0x05-0x07: 结束 CHS │
│ │ - 0x08-0x0B: 起始 LBA │
│ │ - 0x0C-0x0F: 扇区数 │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│ 0x1FE 2 B 签名 (0x55 0xAA) │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
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1.2.2 分区类型代码
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#define MBR_PARTITION_TYPE_EMPTY 0x00
#define MBR_PARTITION_TYPE_FAT12 0x01
#define MBR_PARTITION_TYPE_FAT16_LBA 0x0E
#define MBR_PARTITION_TYPE_EXTENDED 0x05
#define MBR_PARTITION_TYPE_EXTENDED_LBA 0x0F
#define MBR_PARTITION_TYPE_NTFS 0x07
#define MBR_PARTITION_TYPE_LINUX 0x83
#define MBR_PARTITION_TYPE_LINUX_EXTENDED 0x85
#define MBR_PARTITION_TYPE_LINUX_LVM 0x8E
#define MBR_PARTITION_TYPE_LINUX_SWAP 0x82
#define MBR_PARTITION_TYPE_GPT_PROTECTIVE 0xEE
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1.2.3 从 MBR 到引导程序
典型的引导过程：
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| ; MBR 代码 (简化)
[ORG 0x7C00]
start:
cli ; 禁用中断
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
; 保存启动驱动器号 (DL 寄存器)
mov [boot_drive], dl
; 加载分区表中的活动分区
call load_active_partition
; 跳转到加载的代码
jmp 0x0000:0x7E00
boot_drive: db 0
times 510-($-$$) db 0 ; 填充
dw 0xAA55 ; 签名
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1.3 引导程序 (GRUB) 阶段
1.3.1 GRUB 启动阶段
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│ GRUB 启动流程 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ Stage 1: MBR 中的 446 字节 │
│ - 加载 Stage 1.5 或 Stage 2 │
│ │
│ Stage 1.5: 文件系统驱动 (可选) │
│ - 存储 /boot 分区的引导区 │
│ - 包含文件系统驱动 │
│ │
│ Stage 2: 完整引导程序 │
│ - 显示菜单 │
│ - 加载内核配置 │
│ - 加载内核镜像到内存 │
│ │
│ 加载内核后: │
│ - 设置 boot_params 结构 │
│ - 跳转到内核入口点 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
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1.3.2 GRUB 配置文件
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menuentry "Linux 6.12.38" {
insmod gzio
insmod part_gpt
insmod ext2
set root='hd0,gpt2'
echo 'Loading Linux kernel ...'
linux /vmlinuz-6.12 \
root=/dev/sda3 \
ro \
console=ttyS0,115200n8 \
quiet
echo 'Loading initial ramdisk ...'
initrd /initrd.img-6.12
}
menuentry "Linux 6.12.38 (Recovery Mode)" {
set root='hd0,gpt2'
linux /vmlinuz-6.12 \
root=/dev/sda3 \
ro \
single
initrd /initrd.img-6.12
}
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1.3.3 GRUB 传递给内核的信息
GRUB 根据启动协议填充 boot_params 结构：
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struct setup_header {
u8 setup_sects;
u16 root_flags;
u32 syssize;
u16 ram_size;
u16 video_mode;
u16 root_dev;
u16 boot_flag;
u16 jump;
u32 header;
u16 version;
u32 type_of_loader;
u32 loadflags;
u32 setup_move_size;
u32 code32_start;
u32 cmd_line_ptr;
u32 initrd_addr_max;
u32 kernel_alignment;
u8 relocatable_kernel;
u8 min_alignment;
u32 cmdline_size;
};
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arch/x86/boot/header.S 是内核映像的第一部分，被 BIOS/引导程序加载。
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| /* arch/x86/boot/header.S */
.code16
.section ".bstext", "ax"
/* ============================================================================
* 第一部分: MSDOS/PE 头部 (用于 EFI Stub)
* ============================================================================ */
#ifdef CONFIG_EFI_STUB
.word MZ_MAGIC /* "MZ" DOS 签名 */
.org 0x18
.long PE_MAGIC /* 指向 PE 头的偏移 */
/* PE 头从这里开始 */
pe_header:
.long PE_MAGIC /* PE\0\0 */
coff_header:
#ifdef CONFIG_X86_64
.word IMAGE_FILE_MACHINE_AMD64 /* AMD64 */
#else
.word IMAGE_FILE_MACHINE_I386 /* i386 */
#endif
.word section_count /* 节数量 */
.long 0 /* 时间戳 */
.long 1 /* 符号表指针 */
.word section_table - optional_header /* 可选头大小 */
.word IMAGE_FILE_EXECUTABLE_IMAGE | IMAGE_FILE_DEBUG_STRIPPED
optional_header:
#ifdef CONFIG_X86_64
.word PE_OPT_MAGIC_PE32PLUS /* PE32+ 格式 */
#else
.word PE_OPT_MAGIC_PE32 /* PE32 格式 */
#endif
.byte 0x02 /* 主版本号 */
.byte 0x14 /* 次版本号 */
.long ZO__data /* 代码大小 */
.long ZO__end - ZO__data /* 已初始化数据大小 */
.long 0 /* 未初始化数据大小 */
.long setup_size + ZO_efi_pe_entry /* 入口点地址 */
.long setup_size /* 代码基址 */
extra_header_fields:
#ifdef CONFIG_X86_64
.quad 0 /* ImageBase */
#else
.long 0
#endif
.long salign /* SectionAlignment */
.long falign /* FileAlignment */
.word 0, 0 /* OS 版本 */
.word LINUX_EFISTUB_MAJOR_VERSION
.word LINUX_EFISTUB_MINOR_VERSION
.word 0, 0 /* Subsystem 版本 */
.long 0 /* Win32VersionValue */
.long setup_size + ZO__end /* SizeOfImage */
.long salign /* SizeOfHeaders */
.long 0 /* CheckSum */
.word IMAGE_SUBSYSTEM_EFI_APPLICATION
.word IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_NX_COMPAT
#ifdef CONFIG_X86_64
.quad 0, 0, 0, 0 /* 栈/堆保留 */
#else
.long 0, 0, 0, 0
#endif
.long 0 /* LoaderFlags */
.long (section_table - .) / 8 /* NumberOfRvaAndSizes */
/* 数据目录 */
.quad 0 /* ExportTable */
.quad 0 /* ImportTable */
.quad 0 /* ResourceTable */
.quad 0 /* ExceptionTable */
.quad 0 /* CertificationTable */
.quad 0 /* BaseRelocationTable */
/* 节表 */
section_table:
.ascii ".setup"
.byte 0, 0
.long pecompat_fstart - salign
.long salign
.long pecompat_fstart - salign
.long salign
.long 0, 0, 0
.long IMAGE_SCN_CNT_INITIALIZED_DATA | IMAGE_SCN_MEM_READ | IMAGE_SCN_MEM_DISCARDABLE
.ascii ".text"
.byte 0, 0, 0
.long ZO__end - ZO__data
.long salign
.long ZO__edata - ZO__data
.long salign
.long 0, 0, 0
.long IMAGE_SCN_CNT_CODE | IMAGE_SCN_MEM_READ | IMAGE_SCN_MEM_EXECUTE
#endif /* CONFIG_EFI_STUB */
/* ============================================================================
* 第二部分: 引导协议头部
* ============================================================================ */
.globl hdr
hdr:
setup_sects:
.byte 0 /* 默认为 4 */
root_flags:
.byte ROOT_RDONLY
syssize:
.long 0
ram_size:
.word 0
vid_mode:
.word SVGA_MODE
root_dev:
.word 0
boot_flag:
.word 0xAA55 /* 必须是这个值 */
/* 跳转到 setup 代码 */
.globl _start
_start:
#ifdef CONFIG_EFI_STUB
/*
* 对于 EFI Stub, 我们需要执行 setup 代码
* EFI 入口点在 efi_pe_entry
*/
jmp start_of_setup
#else
/* 非 EFI 情况: 直接跳转到 start_of_setup */
jmp start_of_setup
#endif
/* ============================================================================
* 第三部分: setup 头部扩展 (版本 2.10+)
* ============================================================================ */
.ascii "HdrS"
.word 0x021F /* 启动协议版本 2.15 */
.globl realmode_swtch
realmode_swtch: .word 0
start_sys_seg:
.word 0
kernel_version:
.word 0
.globl type_of_loader
type_of_loader:
.byte 0 /* 0xFF = GRUB */
.globl loadflags
loadflags:
.byte LOADED_HIGH | CAN_USE_HEAP | QUIET_FLAG
setup_move_size:
.long 0x8000
code32_start:
.long 0x100000 /* 32/64 位入口点 */
ramdisk_image:
.long 0
ramdisk_size:
.long 0
bootsect_kludge:
.word 0
heap_end_ptr:
.word _end
.globl ext_loader_ver
ext_loader_ver:
.byte 0
.globl ext_loader_type
ext_loader_type:
.byte 0
cmd_line_ptr:
.long 0 /* 命令行指针 */
initrd_addr_max:
.long 0x7fffffff
kernel_alignment:
.long CONFIG_PHYSICAL_ALIGN
relocatable_kernel:
.byte 1
min_alignment:
.byte 0
xloadflags:
.word 0
cmdline_size:
.long COMMAND_LINE_SIZE
hardware_subarch:
.long 0
hardware_subarch_data:
.quad 0
payload_offset:
.long 0
payload_length:
.long 0
setup_data:
.quad 0
pref_address:
.quad CONFIG_PHYSICAL_START
init_size:
.long 0
handover_offset:
.long 0
/* ============================================================================
* 第四部分: 实模式代码和数据
* ============================================================================ */
.code16
.globl start_of_setup
start_of_setup:
/* 保存 DS:SI (boot_params 指针) */
pushw %ds
pushw %si
/* 设置栈 */
movw $stack_start, %sp
movw %ss, %ax
movw %ax, %ds
/* 调用 main.c 中的 main() 函数 */
call main
/* main 不应该返回, 如果返回则等待 */
call keyboard_wait
jmp .Lhlt
.Lhlt:
hlt
jmp .Lhlt
/* 栈定义 */
.bss
.balign 16
stack_start:
.fill 512, 1, 0 /* 512 字节栈 */
stack_end:
|
1.4.2 启动协议版本
Linux 内核启动协议版本演进：
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|
#define BOOT_PROTO_V1 0x0102
#define BOOT_PROTO_V2 0x0200
#define BOOT_PROTO_V2_10 0x0201
#define BOOT_PROTO_V2_12 0x020C
#define BOOT_PROTO_V2_15 0x020F
|
1.4.3 引导程序类型标识
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|
#define LOADER_TYPE_NONE 0
#define LOADER_TYPE_LOADBIN 1
#define LOADER_TYPE_BOOTSECT_LOADER 2
#define LOADER_TYPE_SYSLINUX 3
#define LOADER_TYPE_ETHBOOT 4
#define LOADER_TYPE_KERNEL 5
#define LOADER_TYPE_GRUB 6
#define LOADER_TYPE_UBOOT 7
#define LOADER_TYPE_TILO 8
#define LOADER_TYPE_ZIPL 9
#define LOADER_TYPE_KEXEC 10
#define EXT_LOADER_TYPE_NONE 0
#define EXT_LOADER_TYPE_QEMU 1
#define EXT_LOADER_TYPE_EDK2 2
#define EXT_LOADER_TYPE_FIRMWARE 3
|
1.5 实模式初始化 (main.c)
1.5.1 main() 函数流程
arch/x86/boot/main.c 的 main() 函数是实模式下的 C 入口点：
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| void main(void)
{
copy_boot_params();
init_heap();
keyboard_init();
query_ist();
query_vbe();
query_mca();
set_video();
detect_memory();
go_to_protected_mode();
}
|
1.5.2 copy_boot_params()
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| static void copy_boot_params(void)
{
struct old_cmdline {
u16 cl_magic;
u16 cl_offset;
};
const struct old_cmdline * const oldcmd =
absolute_pointer(OLD_CL_ADDRESS);
BUILD_BUG_ON(sizeof(boot_params) != 4096);
memcpy(&boot_params.hdr, &hdr, sizeof(hdr));
if (!boot_params.hdr.cmd_line_ptr &&
oldcmd->cl_magic == OLD_CL_MAGIC) {
u16 cmdline_seg;
if (oldcmd->cl_offset < boot_params.hdr.setup_move_size)
cmdline_seg = ds();
else
cmdline_seg = 0x9000;
boot_params.hdr.cmd_line_ptr =
(cmdline_seg << 4) + oldcmd->cl_offset;
}
}
|
1.5.3 init_heap()
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|
void init_heap(void)
{
char *stack_end;
stack_end = (char *)&stack_start;
heap_end = (char *)((size_t)heap_end - 0x200);
if (heap_end > stack_end)
heap_end = stack_end;
HEAP = _end;
}
|
1.5.4 内存检测
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| static void detect_memory(void)
{
if (detect_memory_e820() > 0)
return;
if (detect_memory_e801() > 0)
return;
detect_memory_88();
boot_params.alt_mem_k = 0;
boot_params.mem_size = 0;
}
|
1.5.5 视频初始化
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| static void set_video(void)
{
if (video_mode == 0xFFFF) {
probe_cards(0);
} else if (video_mode == 0x0) {
do_restore();
} else {
set_mode(video_mode);
}
store_video_mode();
}
|
1.6 保护模式切换 (pm.c)
1.6.1 go_to_protected_mode()
arch/x86/boot/pm.c 负责从实模式切换到保护模式：
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| void go_to_protected_mode(void)
{
realmode_switch_hook();
if (enable_a20()) {
puts("A20 gate not responding, unable to boot...\n");
die();
}
reset_coprocessor();
mask_all_interrupts();
setup_idt();
setup_gdt();
protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,
(u32)&boot_params + (ds() << 4));
}
|
1.6.2 A20 地址线启用
A20 Gate 控制第 21 条地址线 (A20)，允许访问超过 1MB 的内存：
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| static int enable_a20(void)
{
if (a20_bios())
return 0;
if (a20_kbc())
return 0;
if (a20_fast())
return 0;
return -1;
}
static int enable_a20_fast(void)
{
u8 port_a;
port_a = inb(0x92);
port_a |= 0x02;
port_a &= ~0x01;
outb(port_a, 0x92);
return a20_test();
}
|
1.6.3 GDT 设置
全局描述符表 (GDT) 定义了内存段：
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| static void setup_gdt(void)
{
static const u64 boot_gdt[] __attribute__((aligned(16))) = {
[GDT_ENTRY_BOOT_CS] = GDT_ENTRY(DESC_CODE32, 0, 0xfffff),
[GDT_ENTRY_BOOT_DS] = GDT_ENTRY(DESC_DATA32, 0, 0xfffff),
[GDT_ENTRY_BOOT_TSS] = GDT_ENTRY(DESC_TSS32, 4096, 103),
};
static struct gdt_ptr gdt;
gdt.len = sizeof(boot_gdt) - 1;
gdt.ptr = (u32)&boot_gdt + (ds() << 4);
asm volatile("lgdtl %0" : : "m" (gdt));
}
|
1.6.4 protected_mode_jump()
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| /* arch/x86/boot/pm.S */
.code16
.globl protected_mode_jump
protected_mode_jump:
/* 参数:
* eax = 32位入口点
* edx = boot_params 指针
*/
/* 设置数据段 */
movw $__BOOT_DS, %ecx
movw %cx, %ds
movw %cx, %es
movw %cx, %fs
movw %cx, %gs
movw %cx, %ss
/* 设置页目录基址寄存器 (为 64 位准备) */
xorl %edx, %edx
movl %edx, %cr3
/* 启用保护模式 (CR0.PE = 1) */
movl %cr0, %edx
orl $X86_CR0_PE, %edx
movl %edx, %cr0
/* 远跳转到 32 位代码 */
.byte 0x66, 0xea /* jmp far ptr */
.long 0 /* 偏移 (由调用者设置) */
.word __BOOT_CS /* 段选择子 */
|
1.7 本章小结
启动流程回顾
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| BIOS POST
↓
检测硬件, 构建 IVT
↓
加载 MBR 到 0x7C00
↓
GRUB Stage 1 执行
↓
GRUB Stage 2 加载内核
↓
header.S 被执行
↓
main.c 实模式初始化
↓
pm.c 保护模式切换
↓
跳转到 head_64.S
|
关键数据结构
- boot_params - 4KB 的启动参数结构
- e820_entry - 内存映射条目
- setup_header - 启动协议头部
- GDT - 全局描述符表
关键内存位置
| 地址 |
用途 |
| 0x7C00 |
MBR 加载位置 |
| 0x90000 |
boot_params 目标位置 |
| 0x100000 |
32/64 位内核入口点 |
