Linux【极客时间】 - 从BIOS到bootloader - 《linux》

总结
cpu
从实模式切换到保护模式

总结

1、硬件阶段

实模式只有 1MB 内存寻址空间(X86)
- 加电, 重置 CS 为 0xFFFF , IP 为 0x0000, 对应 BIOS 程序
- 0xF0000-0xFFFFF 映射到 BIOS【Basic Input Output System】，程序(存储在ROM中), JMP** 命令会跳到 ROM 中做初始化工作的代码【计算机开始执行第一条指令】**

2、 BIOS

BIOS 做以下三件事:
- 检查硬件
- 提供基本输入(中断)输出(显存映射)服务【】
-加载bootloader

3、bootloader

bootloader十分依赖具体硬件，因不同的cpu等硬件配置各不相同。常见的如 Grub2 ，就是一种bootloader。

Grub2【bootloader】首先加载安装 boot.img -> 然后是 core.img

core.img 包含以下，并依次加载：**

diskboot.img
lzma_decompress.img
kernel.img
其他模块

lzma_decompress.img 决定从实模式切换到保护模式

4、从实模式切换到保护模式

cpu

CPU 和内存是如何配合工作的。

CPU 其实也不是单纯的一块，它包括三个部分，运算单元、数据单元和控制单元。
1、运算单元只管算，例如做加法、做位移等等。但是，它不知道应该算哪些数据，运算结果应该放在哪里。
2、 数据单元。数据单元包括 CPU 内部的缓存和寄存器组，空间很小，但是速度飞快，可以暂时存放数据和运算结果。
3、控制单元。控制单元是一个统一的指挥中心，它可以获得下一条指令，然后执行这条指令。这个指令会指导运算单元取出数据单元中的某几个数据，计算出个结果，然后放在数据单元的某个地方。

数据单元

为了暂存数据，8086 处理器内部有 8 个 16 位的通用寄存器，也就是刚才说的 CPU 内部的数据单元，分别是 AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。这些寄存器主要用于在计算过程中暂存数据。

这些寄存器比较灵活，其中 AX、BX、CX、DX 可以分成两个 8 位的寄存器来使用，分别是 AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，其中 H 就是 High（高位），L 就是 Low（低位）的意思。

控制单元。

IP 寄存器就是指令指针寄存器（Instruction Pointer Register)，指向代码段中下一条指令的位置。CPU 会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到 CPU 的指令队列中，然后交给运算单元去执行。

每个进程都分代码段和数据段，为了指向不同进程的地址空间，有四个 16 位的段寄存器，分别是 CS、DS、SS、ES。

其中，CS 就是代码段寄存器（Code Segment Register），通过它可以找到代码在内存中的位置；DS 是数据段的寄存器，通过它可以找到数据在内存中的位置，SS 是栈寄存器（Stack Register）。

地址加法器

8086是一个16位系统，寄存器是16位的，但是他的地址总线却有20位，那么16位的寄存器如何表示20位的地址？

段地址+偏移地址，这种形式就自然而然的出现了，CS这个寄存器就是保存着代码段的段地址，IP这个寄存器就是保存着代码的偏移地址，这样，通过CS:IP所表示的地址就能寻找到执行代码的地方。

那么两个16位寄存器怎么表示20位的地址？段地址*16【即段地址左移4位】+偏移地址，这就是段地址+偏移地址的真实含义，为什么要乘以16？这就是把段地址左移4位，加上原来的16位偏移地址，就可以得到一个20位的地址。

在 x86 系统中，将 1M（即 2^20）空间最上面的 0xF0000 到 0xFFFFF 这 64K 映射给 ROM，也就是说，到这部分地址访问的时候，会访问 ROM。

当电脑刚加电的时候，会做一些重置的工作，将 CS 设置为 0xFFFF【在电气上，也就是将16位代码段寄存器都置位高电平】，将 IP 设置为 0x0000，所以第一条指令就会指向【**cs会左移4位得到**0xFFFF0】 0xFFFF0，【即：CS 左移四位变成了0xFFFF0 + IP】，正是在 ROM 的范围内。在这里，有一个** JMP 命令会跳到 ROM 中做初始化工作的代码【计算机开始执行第一条指令**】，于是，BIOS 开始进行初始化的工作。

关于 Gate A20 的理解是：8086 地址线20根 -> 可用内存 0 ~ FFFFF,寄存器却是16位，寻址模式为 segment(16位):offset(16位)，最大范围变成 0xFFFF0(左移了4位) + 0xFFFF = 0x10FFEF

实模式只有 1MB 内存寻址空间(X86)
- 加电, 重置 CS 为 0xFFFF , IP 为 0x0000, 对应 BIOS 程序
- 0xF0000-0xFFFFF 映射到 BIOS【Basic Input Output System】程序(存储在ROM中), BIOS 做以下三件事:
- 检查硬件
- 提供基本输入(中断)输出(显存映射)服务
-加载bootloader

在 BIOS 的界面上。你会看到一个启动盘的选项。启动盘有什么特点呢？它一般在第一个扇区，占 512 字节，而且以 0xAA55【**0xAA55**二进制表示：1010 1010 0101 0101】结束。这是一个约定，当满足这个条件的时候，就说明这是一个启动盘，在 512 字节以内会启动相关的、 -> 通常是 Grub2，全称 Grand Unified Bootloader Version 2。

你可以通过 grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg 来配置系统启动的选项。你可以看到里面有类似这样的配置。

menuentry 'CentOS Linux (3.10.0-862.el7.x86_64) 7 (Core)' --class centos --class gnu-linux --class gnu --class os --unrestricted $menuentry_id_option 'gnulinux-3.10.0-862.el7.x86_64-advanced-b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee' {
    load_video
    set gfxpayload=keep
    insmod gzio
    insmod part_msdos
    insmod ext2
    set root='hd0,msdos1'
    if [ x$feature_platform_search_hint = xy ]; then
      search --no-floppy --fs-uuid --set=root --hint='hd0,msdos1'  b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee
    else
      search --no-floppy --fs-uuid --set=root b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee
    fi
    linux16 /boot/vmlinuz-3.10.0-862.el7.x86_64 root=UUID=b1aceb95-6b9e-464a-a589-bed66220ebee ro console=tty0 console=ttyS0,115200 crashkernel=auto net.ifnames=0 biosdevname=0 rhgb quiet 
    initrd16 /boot/initramfs-3.10.0-862.el7.x86_64.img
}

grub2 第一个要安装的就是 boot.img【见下图】。它由 boot.S 编译而成，一共 512 字节，正式安装到启动盘的第一个扇区。这个扇区通常称为MBR（Master Boot Record，主引导记录 / 扇区）。

BIOS 完成任务后，会将 boot.img 从硬盘加载到内存中的 0x7c00 来运行。

由于 512 个字节实在有限，boot.img 做不了太多的事情。它能做的最重要的一个事情就是加载 grub2 的另一个镜像 core.img。

core.img 就是管理处，它们知道的和能做的事情就多了一些。core.img 由 lzma_decompress.img、diskboot.img、kernel.img 和一系列的模块组成，功能比较丰富，能做很多事情。

boot.img 先加载的是 core.img 的第一个扇区。如果从硬盘启动的话，这个扇区里面是 diskboot.img，对应的代码是 diskboot.S。

boot.img 将控制权交给 diskboot.img 后，diskboot.img 的任务就是将 core.img 的其他部分加载进来，先是解压缩程序 lzma_decompress.img，再往下是 kernel.img，最后是各个模块 module 对应的映像。这里需要注意，它不是 Linux 的内核，而是 grub 的内核。

lzma_decompress.img 对应的代码是 startup_raw.S，本来 kernel.img 是压缩过的，现在执行的时候，需要解压缩。【需要打开 Gate A20】

关于 Gate A20 的理解是：8086 地址线20根 -> 可用内存 0 ~ FFFFF,寄存器却是16位，寻址模式为 segment(16位):offset(16位)，最大范围变成 0xFFFF0(左移了4位) + 0xFFFF = 0x10FFEF

在这之前，我们所有遇到过的程序都非常非常小，完全可以在实模式下运行，但是随着我们加载的东西越来越大，实模式这 1M 的地址空间实在放不下了，所以在真正的解压缩之前，lzma_decompress.img 做了一个重要的决定，就是调用 real_to_prot，切换到保护模式，这样就能在更大的寻址空间里面，加载更多的东西。下面就是开始切换到保护模式了

从实模式切换到保护模式

切换到保护模式要干很多工作，大部分工作都与内存的访问方式有关。

第一项是启用分段，就是在内存里面建立段描述符表，将寄存器里面的段寄存器变成段选择子【如cs，ds，ss等】指向某个段描述符，这样就能实现不同进程的切换了。
第二项是启动分页。能够管理的内存变大了，就需要将内存分成相等大小的块，这些我们放到内存那一节详细再讲。

保护模式需要做一项工作，那就是打开 Gate A20，也就是第 21 根地址线的控制线。在实模式 8086 下面，一共就 20 个地址线，可访问 1M 的地址空间。如果超过了这个限度怎么办呢？当然是绕回来了。在保护模式下，第 21 根要起作用了，于是我们就需要打开 Gate A20。

切换保护模式的函数 DATA32 call real_to_prot 会打开 Gate A20，也就是第 21 根地址线的控制线。

现在好了，有的是空间了。接下来我们要对压缩过的 kernel.img 进行解压缩，然后跳转到 kernel.img 开始运行。

kernel.img 对应的代码是 startup.S 以及一堆 c 文件，在 startup.S 中会调用 grub_main，这是 grub kernel 的主函数。

在这个函数里面，grub_load_config() 开始解析，我们上面写的那个 grub.conf 文件里的配置信息。

如果是正常启动，grub_main 最后会调用 grub_command_execute (“normal”, 0, 0)，最终会调用grub_normal_execute() 函数。在这个函数里面，grub_show_menu() 会显示出让你选择的那个操作系统的列表。当选择启动某个操作系统后，就要开始调用 grub_menu_execute_entry() ，开始解析并执行你选择的那一项。

例如里面的 linux16 命令，表示装载指定的内核文件，并传递内核启动参数。于是 grub_cmd_linux() 函数会被调用，它会首先读取 Linux 内核镜像头部的一些数据结构，放到内存中的数据结构来，进行检查。如果检查通过，则会读取整个 Linux 内核镜像到内存。

如果配置文件里面还有 initrd 命令，用于为即将启动的内核传递 init ramdisk 路径。于是 grub_cmd_initrd() 函数会被调用，将 initramfs 加载到内存中来。

当这些事情做完之后，grub_command_execute (“boot”, 0, 0) 才开始真正地启动内核。

从BIOS到bootloader

总结