Linux操作系统分析-linux启动代码分析
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Linux Operating System Analysis 17
它们最终都找到i386/boot的Makefile
i386/boot的Makefile
看i386/boot的Makefile z代表压缩；b代表大内核 可见compressed下的vmlinux/bvmlinux为
Linux Operating System Analysis
5
Source Insight
可以用来辅助代码阅读 到/上可以下载到 它的试用版，试用期估计在30天左右
Linux Operating System Analysis
6
Linux-2.6.11
Linux Operating System Analysis 22
Linux的Boot Loader
典型的有：LILO和Grub LILO（Linux Loader）
可以被安装在OS分区的第一个扇区（启动扇区） 也可以代替MBR中的引导程序
事实上，LILO的代码尺寸大于一个扇区，因此被分成 两个部分
在进入bootsect.S的源代码讲解之前，我们先 看一下加载i386内核的内存布局图
Linux Operating System Analysis
26
硬件角度： I386实模式下的内存布局图
0xF0000
ROM-BIOS
VIDEO-BIOS VRAM
0xC0000
0xA0000
1-MB RAM
内核解压缩
Linux Operating System Analysis 11
在arch/i386/kernel目录下的.S文件
32位启动代码
在init目录下
这是体系结构无关部分，i386体系结构相关部分的启动， 其目的就是进入main.c中的start_kernel处执行
Linux Operating System Analysis
对于小内核：0x10000（即64K处），称为低装载 对于大内核：0x100000（即1M处），称为高装载
跳转到setup处运行
Linux Operating System Analysis 25
I386内核的启动
启动方式
软盘启动：从bootsect开始运行 硬盘启动：从setup开始运行
Linux Operating System Analysis
4
源代码来源
根据《Understanding the Linux Kernel》 （2nd Edition），我们采用Linux-2.4.18
有中文版
下载地址： ftp:///pub/linux/kernel/v2.6/linux2.4.18.tar.gz 加压缩后，建立Source Insight工程
可能装载操作系统指定的启动代码运行 可能直接装载操作系统内核来运行
Linux Operating System Analysis
24
LILO的OS启动过程
显示“Loading…” 操作系统前512（一个扇区大小，bootsect） 的内容被装载到RAM的0x90000 紧接着的内容（setup）被装在到0x90200 其他操作系统内核被装载到
最后进入kernel/main.C
Linux Operating System Analysis 19
I386机器的启动层次
BIOS (Basic I/O System) Boot loader
软盘启动、硬盘启动
Linux kernel
Linux Operating System Analysis
MBR或启动扇区部分 剩余部分
第一部分也被BIOS装载到RAM中0x7c00的位置 第一部分在运行时将自己完整的装载到RAM中
Linux Operating System Analysis 23
Linux的Boot Loader
通常LILO或GRUB会显示一个已安装操作系统 的列表 按照用户的选择（或者按照缺省项）装载目标 操作系统运行
跳转到setup
阅读linux目录下的README
关于Linux的介绍 该版本内核支持的体系结构 如何配置、编译、安装
Linux Operating System Analysis
7
Linux内核源代码中的主要子目录
Documentation 内核方面的相关文档。 arch 与体系结构相关的代码。对应于每个 支持的体系结构，有一个相应的目录 如i386、arm、alpha等。每个体系结 构子目录下包含几个主要的子目录：
内核管理代码。 内存管理代码。 进程间通讯代码。 网络部分代码。 与体系结构无关的内核库代码。 设备驱动代码。每类设备有相应的子 目录，如char、block、net等 fs 文件系统代码。每个支持文件系统有 相应的子目录，如ext2、proc等。 modules 可动态加载的模块。 Scripts 配置核心的脚本文件。 kernel mm ipc net lib drivers
Linux Operating System Analysis
27
0x00000
I386内核从实模式开始启早期的CPU而设置的 i386系统总是始于实模式 实模式下
地址总线：20位 内存范围：0~1MB 逻辑地址 = 段地址 + 段内偏移 段地址 = 段寄存器中的值*16 （或左移4位） 段寄存器长度：16bit
下面根据在bzImage/zImage中的顺序，我们 依次看启动相关的源代码和相关概念
arch/i386/boot/bootsect.S arch/i386/boot/setup.S arch/i386/boot/compressed/head.S arch/i386/kernel/head.S
12
阅读 documentation/i386/boot.txt
对于i386平台，由于一些历史的原因，因此 Linux的启动比较复杂 这个文档包含如下内容
1、Linux/i386的启动协议（4个） 2、内存布局图 3、实模式下的内核头结构 4、内核的命令行（command line）
Linux Operating System Analysis
kernel mm lib
与体系结构相关的核心代码 与体系结构相关的内存管理代码 与体系结构相关的库代码
include init
内核头文件。对每种支持的体系结构 有相应的子目录。 内核初始化代码。
Linux Operating System Analysis 8
Linux操作系统分析
上次课内容回顾
Linux简介 Linux内核分析的一些基础知识
操作系统基本概念 堆栈 用户态/内核态 虚拟内存
Linux Operating System Analysis
2
基于i386体系结构的 Linux启动代码分析
主要内容
源代码简介 启动代码简介 Linux内核代码组成分析 Linux的启动层次 Linux的启动分析
20
BIOS
加电，RESET引脚
初始化寄存器；CS:IP = 0xfffffff0, in ROM
ROMBIOS
BIOS启动内容
POST（上电自检） 初始化硬件设备 搜索一个操作系统来启动 根据配置，操作系统可以在软盘/硬盘/CD_ROM上 把对应设备的第一个扇区的内容（boot loader或部分）拷贝 到RAM(0x7c00)处 跳转到0x7c00处执行
13
5、启动配置示例 6、装载Linux的剩余部分 7、特殊的命令行参数 8、运行内核 9、高级启动回调函数
关于其中的一些内容，我们将在合适的时候说 明
Linux Operating System Analysis 14
阅读顶层目录下的Makefile
找到缺省目标
链接
Linux Operating System Analysis
Linux Operating System Analysis 28
加载I386内核的内存布局图
zImage/Image的内核加载器所使用的经 典的内存布局（1M=0x100000）
低装载情况
Linux Operating System Analysis
29
软盘启动，bootsect.S
0x7c000x90000 0x7c00, BIOS 0x90000, lilo 堆栈，0x3ff4(0x4000-12), 向下增长 磁盘参数表，12Bytes，0x3ff4~0x4000 显示“Loading” Setup0x90200 系统 小内核，0x10000（64KB处），低装载 大内核，0x100000（1MB处），高装载 setup
15
找到vmlinux 找到vmlinux所依赖的各个文件或者目标 可以看到vmlinux包含如下内容
i386/kernel/head.S + init/main.c + init/version.o + CORE_FILES + DRIVERS + NETWORKS + LIBS
Linux Operating System Analysis
10
I386的启动代码文件
在arch/i386/boot目录下
I386的体系结构相关部分的启动代码 都采用汇编码写的
启动扇区中的启动代码， 其目标码必然是512字节
I386初始化
在arch/i386/boot/compressed目录下
Linux Operating System Analysis 9
考虑Arch为i386
在arch/i386下存在如下目录
I386的启动源代码文件目录 I386的核心源代码文件目录 I386的库源代码文件目录 I386的数学仿真源代码文件目录 I386的内存管理源代码文件目录 I386的配置文件 I386的体系相关部分的Makefile I386的Linux内核的链接描述文件
Linux Operating System Analysis 30
硬盘启动，两阶段引导
装载LILO（LInuxLOader）
第一个扇区 … Bootsect.S0x90000 Setup.S0x90200 系统
装载LINUX
0x10000 0x100000
Linux Operating System Analysis 31
Linux Operating System Analysis 21
Boot loader（引导装载程序）
BIOS调用Boot loader来把操作系统的内核映像装载 到RAM中 考虑IBM PC的启动
软盘启动：BIOS拷贝第一个扇区的内容（bootsect）到 RAM（0x7c00）中 硬盘启动： 硬盘的第一个扇区：主引导记录MBR, Master Boot Record， MBR存储该硬盘的分区表+一小段引导程序 这个引导程序用来装载OS所在分区的第一个扇区（boot loader）的内容到RAM中 这个引导程序也可以被替换
compressed/head.S + 压缩后的顶层目录下的 vmlinux zImage为bootsect + setup + compressed/vmlinux bzImage为 bbootsect + bsetup + compressed/bvmlinux
Linux Operating System Analysis 18
Linux Operating System Analysis 16
若make install
在i386的Makefile中有install规则
若make boot/bzImage/zImage等等，则要找 到对应的目标然后进行
make boot在顶层的Makefile中可以找到boot规则 bzImage/zImage可以在i386的Makefile中找到相应 规则 其他的zXXX/bzXXX也都依赖于boot下的 zImage/bzImage
它们最终都找到i386/boot的Makefile
i386/boot的Makefile
看i386/boot的Makefile z代表压缩；b代表大内核 可见compressed下的vmlinux/bvmlinux为
Linux Operating System Analysis
5
Source Insight
可以用来辅助代码阅读 到/上可以下载到 它的试用版，试用期估计在30天左右
Linux Operating System Analysis
6
Linux-2.6.11
Linux Operating System Analysis 22
Linux的Boot Loader
典型的有：LILO和Grub LILO（Linux Loader）
可以被安装在OS分区的第一个扇区（启动扇区） 也可以代替MBR中的引导程序
事实上，LILO的代码尺寸大于一个扇区，因此被分成 两个部分
在进入bootsect.S的源代码讲解之前，我们先 看一下加载i386内核的内存布局图
Linux Operating System Analysis
26
硬件角度： I386实模式下的内存布局图
0xF0000
ROM-BIOS
VIDEO-BIOS VRAM
0xC0000
0xA0000
1-MB RAM
内核解压缩
Linux Operating System Analysis 11
在arch/i386/kernel目录下的.S文件
32位启动代码
在init目录下
这是体系结构无关部分，i386体系结构相关部分的启动， 其目的就是进入main.c中的start_kernel处执行
Linux Operating System Analysis
对于小内核：0x10000（即64K处），称为低装载 对于大内核：0x100000（即1M处），称为高装载
跳转到setup处运行
Linux Operating System Analysis 25
I386内核的启动
启动方式
软盘启动：从bootsect开始运行 硬盘启动：从setup开始运行
Linux Operating System Analysis
4
源代码来源
根据《Understanding the Linux Kernel》 （2nd Edition），我们采用Linux-2.4.18
有中文版
下载地址： ftp:///pub/linux/kernel/v2.6/linux2.4.18.tar.gz 加压缩后，建立Source Insight工程
可能装载操作系统指定的启动代码运行 可能直接装载操作系统内核来运行
Linux Operating System Analysis
24
LILO的OS启动过程
显示“Loading…” 操作系统前512（一个扇区大小，bootsect） 的内容被装载到RAM的0x90000 紧接着的内容（setup）被装在到0x90200 其他操作系统内核被装载到
最后进入kernel/main.C
Linux Operating System Analysis 19
I386机器的启动层次
BIOS (Basic I/O System) Boot loader
软盘启动、硬盘启动
Linux kernel
Linux Operating System Analysis
MBR或启动扇区部分 剩余部分
第一部分也被BIOS装载到RAM中0x7c00的位置 第一部分在运行时将自己完整的装载到RAM中
Linux Operating System Analysis 23
Linux的Boot Loader
通常LILO或GRUB会显示一个已安装操作系统 的列表 按照用户的选择（或者按照缺省项）装载目标 操作系统运行
跳转到setup
阅读linux目录下的README
关于Linux的介绍 该版本内核支持的体系结构 如何配置、编译、安装
Linux Operating System Analysis
7
Linux内核源代码中的主要子目录
Documentation 内核方面的相关文档。 arch 与体系结构相关的代码。对应于每个 支持的体系结构，有一个相应的目录 如i386、arm、alpha等。每个体系结 构子目录下包含几个主要的子目录：
内核管理代码。 内存管理代码。 进程间通讯代码。 网络部分代码。 与体系结构无关的内核库代码。 设备驱动代码。每类设备有相应的子 目录，如char、block、net等 fs 文件系统代码。每个支持文件系统有 相应的子目录，如ext2、proc等。 modules 可动态加载的模块。 Scripts 配置核心的脚本文件。 kernel mm ipc net lib drivers
Linux Operating System Analysis
27
0x00000
I386内核从实模式开始启早期的CPU而设置的 i386系统总是始于实模式 实模式下
地址总线：20位 内存范围：0~1MB 逻辑地址 = 段地址 + 段内偏移 段地址 = 段寄存器中的值*16 （或左移4位） 段寄存器长度：16bit
下面根据在bzImage/zImage中的顺序，我们 依次看启动相关的源代码和相关概念
arch/i386/boot/bootsect.S arch/i386/boot/setup.S arch/i386/boot/compressed/head.S arch/i386/kernel/head.S
12
阅读 documentation/i386/boot.txt
对于i386平台，由于一些历史的原因，因此 Linux的启动比较复杂 这个文档包含如下内容
1、Linux/i386的启动协议（4个） 2、内存布局图 3、实模式下的内核头结构 4、内核的命令行（command line）
Linux Operating System Analysis
kernel mm lib
与体系结构相关的核心代码 与体系结构相关的内存管理代码 与体系结构相关的库代码
include init
内核头文件。对每种支持的体系结构 有相应的子目录。 内核初始化代码。
Linux Operating System Analysis 8
Linux操作系统分析
上次课内容回顾
Linux简介 Linux内核分析的一些基础知识
操作系统基本概念 堆栈 用户态/内核态 虚拟内存
Linux Operating System Analysis
2
基于i386体系结构的 Linux启动代码分析
主要内容
源代码简介 启动代码简介 Linux内核代码组成分析 Linux的启动层次 Linux的启动分析
20
BIOS
加电，RESET引脚
初始化寄存器；CS:IP = 0xfffffff0, in ROM
ROMBIOS
BIOS启动内容
POST（上电自检） 初始化硬件设备 搜索一个操作系统来启动 根据配置，操作系统可以在软盘/硬盘/CD_ROM上 把对应设备的第一个扇区的内容（boot loader或部分）拷贝 到RAM(0x7c00)处 跳转到0x7c00处执行
13
5、启动配置示例 6、装载Linux的剩余部分 7、特殊的命令行参数 8、运行内核 9、高级启动回调函数
关于其中的一些内容，我们将在合适的时候说 明
Linux Operating System Analysis 14
阅读顶层目录下的Makefile
找到缺省目标
链接
Linux Operating System Analysis
Linux Operating System Analysis 28
加载I386内核的内存布局图
zImage/Image的内核加载器所使用的经 典的内存布局（1M=0x100000）
低装载情况
Linux Operating System Analysis
29
软盘启动，bootsect.S
0x7c000x90000 0x7c00, BIOS 0x90000, lilo 堆栈，0x3ff4(0x4000-12), 向下增长 磁盘参数表，12Bytes，0x3ff4~0x4000 显示“Loading” Setup0x90200 系统 小内核，0x10000（64KB处），低装载 大内核，0x100000（1MB处），高装载 setup
15
找到vmlinux 找到vmlinux所依赖的各个文件或者目标 可以看到vmlinux包含如下内容
i386/kernel/head.S + init/main.c + init/version.o + CORE_FILES + DRIVERS + NETWORKS + LIBS
Linux Operating System Analysis
10
I386的启动代码文件
在arch/i386/boot目录下
I386的体系结构相关部分的启动代码 都采用汇编码写的
启动扇区中的启动代码， 其目标码必然是512字节
I386初始化
在arch/i386/boot/compressed目录下
Linux Operating System Analysis 9
考虑Arch为i386
在arch/i386下存在如下目录
I386的启动源代码文件目录 I386的核心源代码文件目录 I386的库源代码文件目录 I386的数学仿真源代码文件目录 I386的内存管理源代码文件目录 I386的配置文件 I386的体系相关部分的Makefile I386的Linux内核的链接描述文件
Linux Operating System Analysis 30
硬盘启动，两阶段引导
装载LILO（LInuxLOader）
第一个扇区 … Bootsect.S0x90000 Setup.S0x90200 系统
装载LINUX
0x10000 0x100000
Linux Operating System Analysis 31
Linux Operating System Analysis 21
Boot loader（引导装载程序）
BIOS调用Boot loader来把操作系统的内核映像装载 到RAM中 考虑IBM PC的启动
软盘启动：BIOS拷贝第一个扇区的内容（bootsect）到 RAM（0x7c00）中 硬盘启动： 硬盘的第一个扇区：主引导记录MBR, Master Boot Record， MBR存储该硬盘的分区表+一小段引导程序 这个引导程序用来装载OS所在分区的第一个扇区（boot loader）的内容到RAM中 这个引导程序也可以被替换
compressed/head.S + 压缩后的顶层目录下的 vmlinux zImage为bootsect + setup + compressed/vmlinux bzImage为 bbootsect + bsetup + compressed/bvmlinux
Linux Operating System Analysis 18
Linux Operating System Analysis 16
若make install
在i386的Makefile中有install规则
若make boot/bzImage/zImage等等，则要找 到对应的目标然后进行
make boot在顶层的Makefile中可以找到boot规则 bzImage/zImage可以在i386的Makefile中找到相应 规则 其他的zXXX/bzXXX也都依赖于boot下的 zImage/bzImage