Linux-2.4.0内核加载、启动过程-编程技术-看雪安全社区

# 1. 背景
<div>&emsp;&emsp;想了解进入startup_32之前，CPU执行了哪些操作，但是找不到跳转到它的call或jmp指令：</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_85FHBGNTER549RA.png">

# 2. 主体过程
<div>&emsp;&emsp;为避免介绍内容过于杂乱，本文尽量紧密围绕最主体、最关键的过程，不深究过于细节、相对独立、不影响整体理解的环节和疑问。</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_ZQEFZKS2SQDB76S.png">

## 2.1. 加载内核
<div>&emsp;&emsp;硬件设计层面会保证，CPU刚加电时处于实模式、仅开启段式内存管理，并且CS寄存器=0xffff、IP寄存器=0，从而执行0xffff0处的BIOS程序（主板出厂时烧入代码，断电不挥发），将bootsect（内核加载程序，位于主引导扇区），加载到0x7c00内存地址处并执行，bootsect先将自己移动到0x90000处，然后进一步将setup和内核文件，分别加载到0x90200和0x10000处，并执行setup（内核启动程序）。</div>
&nbsp;
<pre>
&emsp;&emsp;分析这块时，我产生过这些疑问：
&emsp;&emsp;(1) bootsect不移动自己，直接在0x7c00区域执行时，就加载setup和内核，存在什么问题？
&emsp;&emsp;(2) BIOS为什么不直接将bootsect加载到0x90000处？
&emsp;&emsp;(3) 0xffff0距离0x100000只有16个字节，容不下几条指令，所以0xffff0指向的是不是一条跳转指令，如果是，为什么不让CS:IP在加电时，直接指向要跳转的地方？
&emsp;&emsp;    简单查了资料：(1)、（2）、(3)大致都是为了提高兼容性，让A的内部细节，对B透明。这样，a1、a2对执行条件的特殊要求，就可以由它们自己处理，不影响对外的约定。
&emsp;&emsp;(4) BIOS代码执行期间，是如何让CS:IP地址（比如0xffff0），指向BIOS，而又让BIOS指令访问的地址（比如0x7c00），指向内存的？
&emsp;&emsp;    deepseek的解释是：通过设置PCI配置寄存器，可以让读操作，访问BIOS，写操作访问内存。
&emsp;&emsp;    对于这个解释，我个人是这样理解的：举个例子，执行“movl 0xffff0, %eax”，从0xffff0地址读取内容（包括从CS:IP读取指令），会被PCI路由到BIOS，而执行”mov %eax, 0xffff0”，往0xffff0地址写入内容，会被PCI路由到内存。这样，BIOS就可以先在内存中，复制一个自己的影子，然后修改PCI配置，让地址完全路由到内存，后续使用BIOS，实际使用的都是BIOS影子。
</pre>

## 2.2. 启动内核
<div>&emsp;&emsp;setup程序最主要的目标，是开启CPU的保护模式，并跳转到内核的入口startup_32处执行。</div>
&nbsp;
<pre>
&emsp;&emsp;这里，又有两个疑问：
&emsp;&emsp;(1) 内核的加载和启动，为什么要开发bootsect、setup两个程序，而不是开发一个程序统一完成？
&emsp;&emsp;    BIOS只从MBR读取loader程序，而在同一个程序里实现加载和启动，大小会超过256字节，MBR装不下，就只装了bootsect程序，再由它间接加载并启动体积较大的setup程序。
&emsp;&emsp;(2) 整个过程中，怎么没见到grub？
&emsp;&emsp;    grub可以理解为更强大的bootsect+setup，实质上已经是一个小型操作系统，有自己的内核、驱动、应用程序，除了必要的加载和启动内核功能，还支持丰富的用户交互命令。
</pre>

## 2.3. 内核执行
<div>&emsp;&emsp;内核最初的入口是startup_32，它最主要的目标，是开启CPU的页式内存管理，并调用start_kernel()函数。</div>

## 2.4. CPU状态的变化
<div>&emsp;&emsp;以上实际上是一个边搭桥、边过桥的过程：一边加载，一边执行；一边准备，一边逐步开启CPU保护模式和页式内存管理。</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_4EF9C5XTVRB5U5J.png">

### 2.4.1. 实模式+仅开启段式内存管理
<div>&emsp;&emsp;bootsect+setup可正常执行（过桥）：</div>
<div>&emsp;&emsp;(1) BIOS为实模式提供了中断向量表，所以int指令可以正常执行；</div>
<div>&emsp;&emsp;(2) CPU按照”CS/SS << 4 + IP/SP”或”DS << 4 + 包含在指令中的偏移值”计算地址，仅依赖寄存器，不依赖内存上的管理数据，所以指令的执行和寻址也正常。</div>
&nbsp;
<div>&emsp;&emsp;setup切换保护模式（搭桥）：</div>
<div>&emsp;&emsp;setup事先构造全局段描述符表（gdt），并执行lgdt指令，设置GDTR寄存器=gdt，然后开启保护模式。</div>

### 2.4.2. 保护模式+仅开启段式内存管理
<div>&emsp;&emsp;startup_32可正常执行（过桥）：</div>
<div>&emsp;&emsp;切换到保护模式后，CPU硬件层对段寄存器的使用逻辑，会发生改变，段基址不再从中直接获取，而是从它指向的段描述符，间接获取，这在setup执行时，已经准备好了。</div>
&nbsp;
<div>&emsp;&emsp;startup_32开启页式内存管理（搭桥）：</div>
<div>&emsp;&emsp;startup_32事先构造目录表swapper_pg_dir，并准备充足的目录表项、页表项，然后设置cr3寄存器=swapper_pg_dir，最后开启页式内存管理。</div>

### 2.4.3. 保护模式+开启页式内存管理
<div>&emsp;&emsp;start_kernel()可正常执行（过桥）：</div>
<div>&emsp;&emsp;开启页式内存管理后，CPU硬件层的寻址逻辑，又会发生改变，对于i386 CPU，指令中的地址，不光要经过段式映射，还要经过页式映射，才能得到最终的物理地址，页式映射依赖的目录表和页表（包括表项），这些都由startup_32准备好了。</div>
&nbsp;
<div>&emsp;&emsp;CPU的内核态和用户态切换：</div>
<div>&emsp;&emsp;保护模式下，CPU硬件层，开始区分ring0~ring3权限。由于内核先于用户程序执行，也就是先抢到ring0权限，它在跳转到用户程序执行之前，就有权将CPU权限改为ring3，而用户程序只能穿过门，回到内核代码的同时，才能将CPU权限重新提升到ring0，因此所有依赖ring0权限的操作，只能请求内核帮忙完成。这样，内核就利用CPU提供的硬件特性，将ring0权限掌握在自己手里，用户程序永远只能在ring3权限下执行。另外，从用户程序跳入内核代码执行，仍然是在推进这个进程的目标，并没有导致进程切换（和跳入.so动态库执行类似），只是执行进程的CPU状态改变了而已，这其实也是内核的本质。</div>

# 3. 代码分析
<pre>
&emsp;&emsp;linux-2.4.0/arch/i386
&emsp;&emsp; |- boot
&emsp;&emsp; |  |- <a href="elink@8b2K9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6W2L8r3W2^5K9i4u0Q4x3X3g2T1L8$3!0@1L8r3W2F1i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3L8r3W2F1N6i4S2Q4x3V1j5J5i4K6u0W2y4q4)9J5k6e0m8Q4x3V1k6K6L8%4g2J5j5$3g2Q4x3V1k6S2M7X3y4Z5i4K6u0r3K9e0x3^5y4W2)9J5c8X3u0G2L8%4c8Q4x3V1k6T1L8$3!0@1M7$3g2U0N6q4)9J5k6g2x3`.">bootsect.S</a>  // bootsect
&emsp;&emsp; |  |- <a href="elink@cddK9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6W2L8r3W2^5K9i4u0Q4x3X3g2T1L8$3!0@1L8r3W2F1i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3L8r3W2F1N6i4S2Q4x3V1j5J5i4K6u0W2y4q4)9J5k6e0m8Q4x3V1k6K6L8%4g2J5j5$3g2Q4x3V1k6S2M7X3y4Z5i4K6u0r3K9e0x3^5y4W2)9J5c8X3u0G2L8%4c8Q4x3V1k6K6k6i4c8#2M7q4)9J5k6g2x3`.">setup.S</a>     // setup
&emsp;&emsp; |  |- compressed
&emsp;&emsp; |      |- <a href="elink@bd1K9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6W2L8r3W2^5K9i4u0Q4x3X3g2T1L8$3!0@1L8r3W2F1i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3L8r3W2F1N6i4S2Q4x3V1j5J5i4K6u0W2y4q4)9J5k6e0m8Q4x3V1k6K6L8%4g2J5j5$3g2Q4x3V1k6S2M7X3y4Z5i4K6u0r3K9e0x3^5y4W2)9J5c8X3u0G2L8%4c8Q4x3V1k6U0L8$3#2H3M7X3g2K6M7$3g2V1i4K6u0r3K9r3g2S2k6q4)9J5k6g2x3`.">head.S</a>  // 提供解压缩功能，本文分析的是kernel/head.S
&emsp;&emsp; |- kernel         // vmlinux
&emsp;&emsp;     |- <a href="elink@143K9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6W2L8r3W2^5K9i4u0Q4x3X3g2T1L8$3!0@1L8r3W2F1i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3L8r3W2F1N6i4S2Q4x3V1j5J5i4K6u0W2y4q4)9J5k6e0m8Q4x3V1k6K6L8%4g2J5j5$3g2Q4x3V1k6S2M7X3y4Z5i4K6u0r3K9e0x3^5y4W2)9J5c8X3E0W2M7X3&6W2L8q4)9J5c8X3S2W2j5h3c8Q4x3X3g2e0">head.S</a>     // startup_32
&emsp;&emsp;     |- <a href="elink@faeK9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6W2L8r3W2^5K9i4u0Q4x3X3g2T1L8$3!0@1L8r3W2F1i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3L8r3W2F1N6i4S2Q4x3V1j5J5i4K6u0W2y4q4)9J5k6e0m8Q4x3V1k6K6L8%4g2J5j5$3g2Q4x3V1k6A6L8X3W2@1i4K6u0r3L8h3q4A6L8W2)9J5k6h3y4Q4x3U0y4x3y4e0t1H3">main.c</a>     // start_kernel()
</pre>

## 3.1. bootsect.S（bootsect程序）
<div>&emsp;&emsp;有些操作并不用关注，主要的有三个：</div>
<div>&emsp;&emsp;(1) 将自己从0x7c00迁移到0x90000，并跳转到新区域，继续执行一下条指令；</div>
<div>&emsp;&emsp;(2) 将ds、ss段寄存器，设置为0x90000；</div>
<div>&emsp;&emsp;(3) 加载setup和内核文件（按小内核文件加载），并执行setup程序。</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_4TF5MADTUCHBMS7.png">

## 3.2. setup.S（setup程序）
<div>&emsp;&emsp;真正需要关注的也不多：</div>
<div>&emsp;&emsp;(1) 确保自己位于0x90200位置，如果不在，执行自迁移；</div>
<div>&emsp;&emsp;(2) 如果是大内核文件，将bootsect加载到0x10000的那部分，转移到0x100000；</div>
<div>&emsp;&emsp;(3) 设置中断向量表、全局段描述符表；</div>
<div>&emsp;&emsp;(4) 切换到保护模式；</div>
<div>&emsp;&emsp;(5) 跳转到startup_32执行。</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_A3SW8K86JRYXMKD.png">

<div>&emsp;&emsp;setup迁移到0x90000区域过程：</div>
<div>&emsp;&emsp;暂不清楚，为什么不用考虑从高往低迁移的情况。</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_VK4ZTDF38XQE782.png">

<div>&emsp;&emsp;向startup_32的跳转指令，写的比较有意思：</div>
<div>&emsp;&emsp;这是为了操作数，可以根据小内核/大内核的实际情况，进行动态设置，这同时也是代码中找不到startup_32被调用的一方面原因，另一方面是因为，这个时候还不能用0xC0010000或0xC0100000地址，访问到startup_32处的代码。</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_T4XJTJTDKZYQ4XG.png">

## 3.3. head.S（内核入口：startup_32）
<div>&emsp;&emsp;这个文件，不是我自己分析的，因为《Linux内核源代码情况分析》10.2节，已经介绍的很清楚了。个人觉得比较有意思的就是390和391两行，给人一种极限过弯的感觉。</div>
<img src="upload/attach/202604/815036_U68B3G6J6524TYM.png">

# 4. 打破神秘
<div>&emsp;&emsp;(1) loader程序，为什么使用汇编编写？</div>
<div>&emsp;&emsp;第一，用于控制程序的体积，比如bootsect；第二，有些操作，C语言没有对应的语法成分，比如：int中断指令、将”jmpi __KERNEL_CS:code32”拆成opcode和操作数等；第三，内核还有很多其它.S文件，或嵌入到.c文件中的汇编代码，主要用于提高执行性能。</div>
&nbsp;
<div>&emsp;&emsp;(2) 一堆没有生命的器材，组装一起，是怎么产生智能的？</div>
<div>&emsp;&emsp;个人认为，智能表面是一种感受，实质是一堆精密的物理反应。</div>
<div>&emsp;&emsp;扣动扳机，手枪完成一系列精密的动作，最终发射一枚子弹，这个过程远比跳水运动员，完成一次高分跳水，还要复杂，按道理已经很智能了，但是从感受上讲，它又跟按下电源，灯就亮了一样简单，并没有什么智能。</div>
<div>&emsp;&emsp;如果从穿孔纸带时代（甚至更早前手动插线连接电子管），开始去体会计算机，就并没有什么神秘了：手搓一个简单的工具，再用简单的工具，制造脱离手搓的工具，并进一步制造更多、更高级的工具。计算机，只是在交互方式上，做了更多的硬件设计，更贴近人类的习惯，所以显得智能。编程以及AI，也是通过物理的方式，让程序和数学公式，反过来参与进这些物理反应而已。</div>

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最后于 2026-4-4 16:00 被jmpcall编辑，原因：

#系统内核

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startup_32-jmp.png （10.17kb，9次下载）
setup-move_self.png （55.52kb，9次下载）
总体过程.png （38.24kb，9次下载）
setup.S-注释.png （2.27MB，9次下载）
head.S-注释.png （1.90MB，9次下载）
CPU状态变化.png （11.41kb，9次下载）
bootsect.S-注释.png （1.58MB，9次下载）

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