arno/linux-insides
1
0
Fork 0
mirror of https://github.com/0xAX/linux-insides.git synced 2024-11-18 22:18:10 +00:00
Code Issues Releases Wiki Activity
997d6071ee
linux-insides/Booting/linux-bootstrap-4.md

572 lines
45 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

Процесс загрузки ядра. Часть 4.
================================================================================
Переход в 64-битный режим
--------------------------------------------------------------------------------
Это четвёртая часть `Процесса загрузки ядра`, в которой вы увидите первые шаги в [защищённом режиме](http://en.wikipedia.org/wiki/Protected_mode), такие как проверка поддержки ЦПУ [long mode](http://en.wikipedia.org/wiki/Long_mode) и [SSE](http://en.wikipedia.org/wiki/Streaming_SIMD_Extensions), [подкачка страниц](http://en.wikipedia.org/wiki/Paging), инициализация таблиц страниц и в конце мы обсудим переход в [long mode](https://en.wikipedia.org/wiki/Long_mode).
**ЗАМЕЧАНИЕ: данная часть содержит много ассемблерного кода, так что если вы не знакомы с ним, вы можете прочитать соответствующую литературу**
В предыдущей [части](linux-bootstrap-3.md) мы остановились на переходе к 32-битной точке входа в [arch/x86/boot/pmjump.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/pmjump.S):
```assembly
jmpl *%eax
```
Вы помните, что регистр `eax` содержит адрес 32-битной точки входа. Мы можем прочитать об этом в [протоколе загрузки ядра Linux x86](https://www.kernel.org/doc/Documentation/x86/boot.txt):
```
When using bzImage, the protected-mode kernel was relocated to 0x100000
```
Давайте удостоверимся в том, что это правда, посмотрев на значения регистров в 32-битной точке входа:
```
eax 0x100000 1048576
ecx 0x0 0
edx 0x0 0
ebx 0x0 0
esp 0x1ff5c 0x1ff5c
ebp 0x0 0x0
esi 0x14470 83056
edi 0x0 0
eip 0x100000 0x100000
eflags 0x46 [ PF ZF ]
cs 0x10 16
ss 0x18 24
ds 0x18 24
es 0x18 24
fs 0x18 24
gs 0x18 24
```
Мы видим, что регистр `cs` содержит `0x10` (как вы помните из предыдущей части, это второй индекс в глобальной таблице дескрипторов), регистр `eip` содержит `0x100000`, и базовый адрес всех сегментов, в том числе сегмента кода, равен нулю. Таким образом, мы можем получить физический адрес - это будет `0:0x100000` или просто `0x100000`, как указано в протоколе загрузки. Давайте начнём с 32-битной точки входа.
32-битная точка входа
--------------------------------------------------------------------------------
Мы можем найти определение 32-битной точки входа в [arch/x86/boot/compressed/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/head_64.S):
```assembly
__HEAD
.code32
ENTRY(startup_32)
....
....
....
ENDPROC(startup_32)
```
Прежде всего, почему директория `compressed`? На самом деле, `bzimage` является сжатым `vmlinux + заголовок + код настройки ядра`. Мы видели код настройки ядра во всех предыдущих частях. Таким образом, главная цель `head_64.S` - подготовка перехода в lоng mode, переход в него и декомпрессия ядра. В этой части мы увидим все шаги, вплоть до декомпрессии ядра.
В директории `arch/x86/boot/compressed` содержится два файла:
* [head_32.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/head_32.S)
* [head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/head_64.S)
но мы будем рассматривать только `head_64.S`, потому что, как вы помните, эта книга только о `x86_64`; `head_32.S` в нашем случае не используется. Давайте посмотрим на [arch/x86/boot/compressed/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/Makefile). Здесь мы можем увидить следующую цель сборки:
```Makefile
vmlinux-objs-y := $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/head_$(BITS).o $(obj)/misc.o \
$(obj)/string.o $(obj)/cmdline.o \
$(obj)/piggy.o $(obj)/cpuflags.o
```
Обратите внимание на `$(obj)/head_$(BITS).o`. Это означает, что выбор файла (head_32.o или head_64.o) для линковки будет зависеть от значения `$(BITS)`. `$(BITS)` определён в [arch/x86/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/Makefile), основанном на .config файле:
```Makefile
ifeq ($(CONFIG_X86_32),y)
BITS := 32
...
...
else
BITS := 64
...
...
endif
```
Перезагрузка сегментов, если это необходимо
--------------------------------------------------------------------------------
Как было отмечено выше, мы начинаем с ассемблерного файла [arch/x86/boot/compressed/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/head_64.S). Во-первых, мы видим определение специального атрибута секции перед определением `startup_32`:
```assembly
__HEAD
.code32
ENTRY(startup_32)
```
`__HEAD` является макросом, определённым в [include/linux/init.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/init.h) и представляет собой следующую секцию:
```C
#define __HEAD .section ".head.text","ax"
```
с именем `.head.text` и флагами `ax`. В нашем случае эти флаги означают, что секция является [исполняемой](https://en.wikipedia.org/wiki/Executable) или, другими словами, содержит код. Мы можем найти определение этой секции в скрипте компоновщика [arch/x86/boot/compressed/vmlinux.lds.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/vmlinux.lds.S):
```
SECTIONS
{
. = 0;
.head.text : {
_head = . ;
HEAD_TEXT
_ehead = . ;
}
```
Если вы не знакомы с синтаксисом скриптового языка компоновщика `GNU LD`, вы можете найти более подробную информацию в [документации](https://sourceware.org/binutils/docs/ld/Scripts.html#Scripts). Вкратце, символ `.` является специальной переменной компоновщика - счётчиком местоположения. Значение, присвоенное ему - это смещение по отношению к смещению сегмента. В нашем случае мы устанавливаем счётчик местоположения в ноль. Это означает, что наш код слинкован для запуска в памяти со смещения `0`. Кроме того, мы можем найти эту информацию в комментарии:
```
Be careful parts of head_64.S assume startup_32 is at address 0.
```
Хорошо, теперь мы знаем, где мы находимся, и сейчас самое время заглянуть внутрь функции `startup_32`.
В начале `startup_32` мы видим инструкцию `cld`, которая очищает бит `DF` в [регистре флагов](https://en.wikipedia.org/wiki/FLAGS_register). Когда флаг направления очищен, все строковые операции, такие как [stos](http://x86.renejeschke.de/html/file_module_x86_id_306.html), [scas](http://x86.renejeschke.de/html/file_module_x86_id_287.html) и др. будут инкрементировать индексные регистры `esi` или `edi`. Нам нужно очистить флаг направления, потому что позже мы будем использовать строковые операции для очистки пространства для таблиц страниц и т.д.
После того, как бит `DF` очищен, следующим шагом является проверка флага `KEEP_SEGMENTS` из поля `loadflags` заголовка настройки ядра. Если вы помните, мы уже видели `loadflags` в самой первой [части](linux-bootstrap-1.md) книги. Там мы проверяли флаг `CAN_USE_HEAP` чтобы узнать, можем ли мы использовать кучу. Теперь нам нужно проверить флаг `KEEP_SEGMENTS`. Данный флаг описан в [протоколе загрузки](https://www.kernel.org/doc/Documentation/x86/boot.txt):
```
Бит 6 (запись): KEEP_SEGMENTS
Протокол: 2.07+
- Если 0, перезагрузить регистры сегмента в 32-битной точке входа.
- Если 1, не перезагружать регистры сегмента в 32-битной точке входа.
Предполагается, что %cs %ds %ss %es установлены в плоские сегменты
с базовым адресом 0 (или эквивалент для их среды).
```
Таким образом, если бит `KEEP_SEGMENTS` в `loadflags` не установлен, то сегментные регистры `ds`, `ss` и `es` должны быть сброшены в плоский сегмент с базовым адресом `0`. Что мы и делаем:
```C
testb $(1 << 6), BP_loadflags(%esi)
jnz 1f
cli
movl $(__BOOT_DS), %eax
movl %eax, %ds
movl %eax, %es
movl %eax, %ss
```
Вы помните, что `__BOOT_DS` равен `0x18` (индекс сегмента данных в [глобальной таблице дескрипторов](https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Descriptor_Table)). Если `KEEP_SEGMENTS` установлен, мы переходим на ближайшую метку `1f`, иначе обновляем сегментные регистры значением `__BOOT_DS`. Сделать это довольно легко, но есть один интересный момент. Если вы читали предыдущую [часть](linux-bootstrap-3.md), то помните, что мы уже обновили сегментные регистры сразу после перехода в [защищённый режим](https://en.wikipedia.org/wiki/Protected_mode) в [arch/x86/boot/pmjump.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/pmjump.S). Так почему же нам снова нужно обновить значения в сегментных регистрах? Ответ прост. Ядро Linux также имеет 32-битный протокол загрузки и если загрузчик использует его для загрузки ядра, то весь код до `startup_32` будет пропущен. В этом случае `startup_32` будет первой точкой входа в ядро, и нет никаких гарантий, что сегментные регистры будут находиться в ожидаемом состоянии.
После того, как мы проверили флаг `KEEP_SEGMENTS` и установили правильное значение в сегментные регистры, следующим шагом будет вычисление разницы между адресом, по которому мы загружены, и адресом, который был указан во время компиляции. Вы помните, что `setup.ld.S` содержит следующее определение в начале секции: `.head.text`: `. = 0`. Это значит, что код в этой секции скомпилирован для запуска по адресу `0`. Мы можем видеть это в выводе `objdump`:
```
arch/x86/boot/compressed/vmlinux: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .head.text:
0000000000000000 <startup_32>:
0: fc cld
1: f6 86 11 02 00 00 40 testb $0x40,0x211(%rsi)
```
Утилита `objdump` говорит нам о том, что адрес `startup_32` равен `0`. Но на самом деле это не так. Наша текущая цель состоит в том, чтобы узнать настоящее местоположение. Довольно просто сделать это в [long mode](https://en.wikipedia.org/wiki/Long_mode), поскольку он поддерживает относительную адресацию с помощью указателя `rip`, но в настоящее время мы находимся в [защищённом режиме](https://en.wikipedia.org/wiki/Protected_mode). Для того чтобы узнать адрес `startup_32`, мы будем использовать общепринятый шаблон. Нам необходимо определить метку, перейти на эту метку и вытолкнуть вершину стека в регистр:
```assembly
call label
label: pop %reg
```
После этого регистр будет содержать адрес метки. Давайте посмотрим на аналогичный код поиска адреса `startup_32` в ядре Linux:
```assembly
leal (BP_scratch+4)(%esi), %esp
call 1f
1: popl %ebp
subl $1b, %ebp
```
Как вы помните из предыдущей части, регистр `esi` содержит адрес структуры [boot_params](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/include/uapi/asm/bootparam.h#L113), которая была заполнена до перехода в защищённый режим. Структура `boot_params` содержит специальное поле `scratch` со смещением `0x1e4`. Это 4 байтное поле будет временным стеком для инструкции `call`. Мы получаем адрес поля `scratch` + 4 байта и помещаем его в регистр `esp`. Мы добавили `4` байта к базовому адресу поля `BP_scratch`, поскольку поле является временным стеком, а стек на архитектуре `x86_64` растёт сверху вниз. Таким образом, наш указатель стека будет указывать на вершину стека. Далее мы видим наш шаблон, который я описал ранее. Мы переходим на метку `1f` и помещаем её адрес в регистр `ebp`, потому что после выполнения инструкции `call` на вершине стека находится адрес возврата. Теперь у нас есть адрес метки `1f` и мы легко сможем получить адрес `startup_32`. Нам просто нужно вычесть адрес метки из адреса, который мы получили из стека:
```
startup_32 (0x0) +-----------------------+
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
1f (смещение 0x0 + 1f) +-----------------------+ %ebp - реальный физический адрес
| |
| |
+-----------------------+
```
`startup_32` слинкован для запуска по адресу `0x0` и это значит, что `1f` имеет адрес `0x0 + смещение 1f`, примерно `0x21` байт. Регистр `ebp` содержит реальный физический адрес метки `1f`. Таким образом, если вычесть `1f` из `ebp`, мы получим реальный физический адрес `startup_32`. В [протоколе загрузки ядра Linux](https://www.kernel.org/doc/Documentation/x86/boot.txt) описано, что базовый адрес ядра в защищённом режиме равен `0x100000`. Мы можем проверить это с помощью [gdb](https://en.wikipedia.org/wiki/GNU_Debugger). Давайте запустим отладчик и поставим точку останова на адресе `1f`, который равен `0x100021`. Если это верно, то мы увидим `0x100021` в регистре `ebp`:
```
$ gdb
(gdb)$ target remote :1234
Remote debugging using :1234
0x0000fff0 in ?? ()
(gdb)$ br *0x100022
Breakpoint 1 at 0x100022
(gdb)$ c
Continuing.
Breakpoint 1, 0x00100022 in ?? ()
(gdb)$ i r
eax 0x18 0x18
ecx 0x0 0x0
edx 0x0 0x0
ebx 0x0 0x0
esp 0x144a8 0x144a8
ebp 0x100021 0x100021
esi 0x142c0 0x142c0
edi 0x0 0x0
eip 0x100022 0x100022
eflags 0x46 [ PF ZF ]
cs 0x10 0x10
ss 0x18 0x18
ds 0x18 0x18
es 0x18 0x18
fs 0x18 0x18
gs 0x18 0x18
```
Если мы выполним следующую инструкцию, `subl $1b, %ebp`, мы увидим следующее:
```
nexti
...
ebp 0x100000 0x100000
...
```
Да, всё верно. Адрес `startup_32` равен `0x100000`. После того, как мы узнали адрес метки `startup_32`, мы можем начать подготовку к переходу в [long mode](https://en.wikipedia.org/wiki/Long_mode). Наша следующая цель - настроить стек и убедится в том, что ЦПУ поддерживает long mode и [SSE](http://en.wikipedia.org/wiki/Streaming_SIMD_Extensions).
Настройка стека и проверка ЦПУ
--------------------------------------------------------------------------------
Мы не могли настроить стек, пока не знали адрес метки `startup_32`. Мы можем представить себе стек как массив, и регистр указателя стека `esp` должен указывать на конец этого массива. Конечно, мы можем определить массив в нашем коде, но мы должны знать его фактический адрес, чтобы правильно настроить указатель стека. Давайте посмотрим на код:
```assembly
movl $boot_stack_end, %eax
addl %ebp, %eax
movl %eax, %esp
```
Метка `boot_stack_end` определена в [arch/x86/boot/compressed/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/head_64.S) и расположена в секции [.bss](https://en.wikipedia.org/wiki/.bss):
```assembly
.bss
.balign 4
boot_heap:
.fill BOOT_HEAP_SIZE, 1, 0
boot_stack:
.fill BOOT_STACK_SIZE, 1, 0
boot_stack_end:
```
Прежде всего, мы помещаем адрес `boot_stack_end` в регистр `eax`, т.е регистр `eax` содержит адрес `0x0 + boot_stack_end`. Чтобы получить реальный адрес `boot_stack_end`, нам нужно добавить реальный адрес `startup_32`. Как вы помните, мы нашли этот адрес выше и поместили его в регистр `ebp`. В итоге регистр `eax` будет содержать реальный адрес `boot_stack_end` и нам просто нужно поместить его в указатель стека.
После того, как мы создали стек, следующим шагом является проверка ЦПУ. Так как мы собираемся перейти в `long mode`, нам необходимо проверить, поддерживает ли ЦПУ `long mode` и `SSE`. Мы будем делать это с помощью вызова функции `verify_cpu`:
```assembly
call verify_cpu
testl %eax, %eax
jnz no_longmode
```
Она определена в [arch/x86/kernel/verify_cpu.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/kernel/verify_cpu.S) и содержит пару вызовов инструкции [CPUID](https://en.wikipedia.org/wiki/CPUID). Данная инструкция
используется для получения информации о процессоре. В нашем случае она проверяет поддержку `long mode` и `SSE` и с помощью регистра `eax` возвращает `0` в случае успеха или `1` в случае неудачи.
Если значение `eax` не равно нулю, то мы переходим на метку `no_longmode`, которая останавливает ЦПУ вызовом инструкции `hlt` до тех пор, пока не произойдёт аппаратное прерывание:
```assembly
no_longmode:
1:
hlt
jmp 1b
```
Если значение `eax` равно нулю, то всё в порядке и мы можем продолжить.
Расчёт адреса релокации
--------------------------------------------------------------------------------
Следующим шагом является вычисление адреса релокации для декомпрессии в случае необходимости. Мы уже знаем, что базовый адрес 32-битной точки входа в ядро Linux - `0x100000`, но это не 32-битная точка входа. Базовый адрес ядра по умолчанию определяется значением параметра конфигурации ядра `CONFIG_PHYSICAL_START`. Его значение по умолчанию `0x1000000` или `16 Мб`. Основная проблема заключается в том, что если происходит краш ядра, разработчик должен иметь `rescue ядро` ("спасательное" ядро) для [kdump](https://www.kernel.org/doc/Documentation/kdump/kdump.txt), которое сконфигурировано для загрузки из другого
адреса. Для решения этой проблемы, ядро Linux предоставляет специальный параметр конфигурации - `CONFIG_RELOCATABLE`. Как вы можете прочесть в документации ядра:
```
This builds a kernel image that retains relocation information
so it can be loaded someplace besides the default 1MB.
Note: If CONFIG_RELOCATABLE=y, then the kernel runs from the address
it has been loaded at and the compile time physical address
(CONFIG_PHYSICAL_START) is used as the minimum location.
```
Проще говоря, это означает, что ядро с той же конфигурацией может загружаться с разных адресов. С технической точки зрения это делается путём компиляции декомпрессора как [адресно-независимого кода](https://en.wikipedia.org/wiki/Position-independent_code). Если мы посмотрим на [arch/x86/boot/compressed/Makefile](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/Makefile), то мы увидим, что декомпрессор действительно скомпилирован с флагом `-fPIC`:
```Makefile
KBUILD_CFLAGS += -fno-strict-aliasing -fPIC
```
Когда мы используем адресно-независимый код, адрес получается путём добавления адресного поля команды и значения счётчика команд программы. Код, использующий подобную адресацию, возможно загрузить с любого адреса. Вот почему мы должны были получить реальный физический адрес `startup_32`. Давайте вернёмся к коду ядра Linux. Наша текущая цель состоит в том, чтобы вычислить адрес, на который мы можем переместить ядро для декомпрессии. Расчёт этого адреса зависит от параметра конфигурации ядра `CONFIG_RELOCATABLE`. Давайте посмотрим на код:
```assembly
#ifdef CONFIG_RELOCATABLE
movl %ebp, %ebx
movl BP_kernel_alignment(%esi), %eax
decl %eax
addl %eax, %ebx
notl %eax
andl %eax, %ebx
cmpl $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebx
jge 1f
#endif
movl $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebx
1:
addl $z_extract_offset, %ebx
```
Следует помнить, что регистр `ebp` содержит физический адрес метки `startup_32`. Если параметр `CONFIG_RELOCATABLE` включён во время конфигурации ядра, то мы помещаем этот адрес в регистр `ebx`, выравниваем его до величины, кратной `2 Мб` и сравниваем его со значением `LOAD_PHYSICAL_ADDR`. `LOAD_PHYSICAL_ADDR` является макросом, определённым в [arch/x86/include/asm/boot.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/include/asm/boot.h) и выглядит следующим образом:
```C
#define LOAD_PHYSICAL_ADDR ((CONFIG_PHYSICAL_START \
+ (CONFIG_PHYSICAL_ALIGN - 1)) \
& ~(CONFIG_PHYSICAL_ALIGN - 1))
```
Как мы можем видеть, он просто расширяет адрес до значения выравнивания `CONFIG_PHYSICAL_ALIGN` и представляет собой физический адрес, по которому будет загружено ядро. После сравнения `LOAD_PHYSICAL_ADDR` и значения регистра `ebx`, мы добавляем смещение от `startup_32`, по которому будет происходить декомпрессия образа ядра. Если во время компиляции параметр `CONFIG_RELOCATABLE` не включён, мы просто помещаем адрес по умолчанию и добавляем к нему `z_extract_offset`.
После всех расчётов у нас в распоряжении `ebp`, содержащий адрес, по которому будет происходить загрузка, и `ebx`, содержащий адрес, по которому ядро будет перемещено после декомпрессии.
Подготовка перед входом в long mode
--------------------------------------------------------------------------------
Теперь, когда у нас есть базовый адрес, на который мы будем перемещать сжатое ядро, нам необходимо сделать последний шаг, прежде чем мы сможем перейти в 64-битный режим. Во-первых, нам необходимо обновить [глобальную таблицу дескрипторов](https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Descriptor_Table):
```assembly
leal gdt(%ebp), %eax
movl %eax, gdt+2(%ebp)
lgdt gdt(%ebp)
```
Здесь мы помещаем базовый адрес из регистра `ebp` со смещением `gdt` в регистр `eax`. Далее мы помещаем этот адрес в регистр `ebp` со смещением `gdt+2` и загружаем `глобальную таблицу дескрипторов` с помощью инструкции `lgdt`. Чтобы понять магию смещений `gdt`, нам необходимо посмотреть на определение `глобальной таблицы дескрипторов`. Мы можем найти его в этом же [файле](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/head_64.S) исходного кода:
```assembly
.data
gdt:
.word gdt_end - gdt
.long gdt
.word 0
.quad 0x0000000000000000 /* Нулевой дескриптор */
.quad 0x00af9a000000ffff /* __KERNEL_CS */
.quad 0x00cf92000000ffff /* __KERNEL_DS */
.quad 0x0080890000000000 /* Дескриптор TS */
.quad 0x0000000000000000 /* Продолжение TS */
gdt_end:
```
Мы видим, что она расположена в секции `.data` и содержит пять дескрипторов: нулевой дескриптор, сегмент кода ядра, сегмент данных ядра и два дескриптора задач. Мы уже загрузили `глобальную таблицу дескрипторов` в предыдущей [части](https://github.com/0xAX/linux-insides/blob/master/Booting/linux-bootstrap-3.md), и теперь мы делаем почти то же самое здесь, но теперь дескрипторы с `CS.L = 1` и `CS.D = 0` для выполнения в 64-битном режиме. Как мы видим, определение `gdt` начинается с двух байт: `gdt_end - gdt`, который представляет последний байт `gdt` или лимит таблицы. Следующие 4 байта содержат базовый адрес `gdt`. Вы должны помнить, что `глобальная таблица дескрипторов` хранится в 48-битном `GDTR`, который состоит из двух частей:
* размер (16-бита) глобальной таблицы дескрипторов;
* адрес (32-бита) глобальной таблицы дескрипторов.
Таким образом, мы помещаем адрес `gdt` в регистр `eax`, а затем помещаем его в `.long gdt` или `gdt+2` в нашем ассемблерном коде. Теперь мы имеем сформированную структуру для регистра `GDTR` и можем загрузить `глобальную таблицу дескрипторов` с помощью инструкции `lgtd`.
После того, как `глобальная таблица дескрипторов` загружена, нам необходимо включить режим [PAE](http://en.wikipedia.org/wiki/Physical_Address_Extension), поместив значение регистра `cr4` в `eax`, установить в нём пятый бит и загрузить его снова в `cr4`:
```assembly
movl %cr4, %eax
orl $X86_CR4_PAE, %eax
movl %eax, %cr4
```
Мы почти закончили все подготовки перед входом в 64-битный режим. Последний шаг заключается в создании таблицы страниц, но прежде чем сделать это, необходимо рассказать о long mode
Long mode
--------------------------------------------------------------------------------
[Long mode](https://en.wikipedia.org/wiki/Long_mode) - нативный режим для процессоров [x86_64](https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64). Прежде всего посмотрим на некоторые различия между `x86_64` и `x86`.
`64-битный` режим предоставляет следующие особенности:
* 8 новых регистров общего назначения с `r8` по `r15` + все регистры общего назначения теперь 64-битные;
* 64-битный указатель инструкции - `RIP`;
* Новый режим работы - Long mode;
* 64-битные адреса и операнды;
* Относительная адресация RIP (мы увидим пример этого в следующих частях).
Long mode является расширением унаследованного защищённого режима. Он состоит из двух подрежимов:
* 64-битный режим;
* режим совместимости.
Для переключения в `64-битный` режим необходимо сделать следующее:
* Включить [PAE](https://en.wikipedia.org/wiki/Physical_Address_Extension);
* Создать таблицу страниц и загрузить адрес таблицы страниц верхнего уровня в регистр `cr3`;
* Включить `EFER.LME`;
* Включить подкачку страниц.
Мы уже включили `PAE` путём установки бита `PAE` в регистре управления `cr4`. Наша следующая цель - построить структуру для [подкачки](https://en.wikipedia.org/wiki/Paging). Мы увидим это в следующем параграфе.
Ранняя инициализация таблицы страниц
--------------------------------------------------------------------------------
Итак, мы уже знаем, что прежде чем мы сможем перейти в `64-битный` режим, необходимо создать таблицу страниц, так что давайте посмотри на создание ранних `4 гигабайтных` загрузочных таблиц страниц.
**ПРИМЕЧАНИЕ: я не буду описывать теорию виртуальной памяти. Если вам необходимо больше знать об этом, см. ссылки в конце этой части.**
Ядро Linux использует `4 уровневую` подкачку, и в целом мы создадим 6 таблиц страниц:
* Одну таблицу `PML4 (карта страниц 4 уровня, Page Map Level 4)` с одной записью;
* Одну таблицу `PDP (указатель директорий страниц, Page Directory Pointer)` с четырьмя записями;
* Четыре таблицы директорий страниц с `2048` записями.
Давайте посмотрим на реализацию. Прежде всего, мы очищаем буфер для таблиц страниц в памяти. Каждая таблица имеет размер в `4096` байт, поэтому нам необходимо очистить `24` Кб буфера:
```assembly
leal pgtable(%ebx), %edi
xorl %eax, %eax
movl $((4096*6)/4), %ecx
rep stosl
```
Мы помещаем адрес `pgtable + ebx` (вы помните, что `ebx` содержит адрес, по которому ядро будет перемещено после декомпрессии) в регистр `edi`, очищаем регистр `eax` и устанавливаем регистр `ecx` в `6144`. Инструкция `rep stosl` записывает значение `eax` в `edi`, увеличивает значение в регистре `edi` на `4` и уменьшает значение в регистре `ecx` на `1`. Эта операция будет повторятся до тех пор, пока значение регистра `ecx` больше нуля. Вот почему мы установили `ecx` в `6144`.
Структура `pgtable` определена в конце файла [arch/x86/boot/compressed/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/compressed/head_64.S):
```assembly
.section ".pgtable","a",@nobits
.balign 4096
pgtable:
.fill 6*4096, 1, 0
```
Как мы видим, она находится в секции `.pgtable` и имеет размер `24` Кб.
После того, как мы получили буфер для `pgtable`, мы можем начать с создания таблицы страниц верхнего уровня - `PML4` - следующим образом:
```assembly
leal pgtable + 0(%ebx), %edi
leal 0x1007 (%edi), %eax
movl %eax, 0(%edi)
```
Здесь мы снова помещаем относительный адрес `pgtable` в `ebx` или, другими словами, относительно адреса `startup_32` в регистр `edi`. Далее мы помещаем этот адрес со смещением `0x1007` в регистр `eax`. `0x1007` равен `4096` байтам, который является `PML4 + 7`. `7` здесь представляет флаги записи `PML4`. В нашем случае это флаги `PRESENT+RW+USER`. В конечном счёте мы просто записали адрес первого элемента `PDP` в `PML4`.
Следующий шаг - создание четырёх записей `директории страниц` в таблице `указателя директорий страниц` с теми же флагами `PRESENT+RW+USE`:
```assembly
leal pgtable + 0x1000(%ebx), %edi
leal 0x1007(%edi), %eax
movl $4, %ecx
1: movl %eax, 0x00(%edi)
addl $0x00001000, %eax
addl $8, %edi
decl %ecx
jnz 1b
```
Мы помещаем базовый адрес указателя директорий страниц, который равен `4096` или, другими словами, смещение `0x1000` от таблицы `pgtable` в `edi` и адрес первой записи указателя директорий страниц в регистр `eax`. `4`, помещённое в регистр `ecx`, будет счётчиком в следующем цикле, в котором мы записываем адрес первой записи таблицы указателя директорий страниц в регистр `edi`. После этого `edi` будет содержать адрес первой записи указателя директорий страниц с флагами `0x7`. Далее мы просто вычисляем адрес следующих записей указателя директорий страниц, где каждая запись имеет размер `8` байт, и записываем их адреса в `eax`. Последний шаг в создании структуры подкачки страниц - создание `2048` записей с `2 Мб` страницами:
```assembly
leal pgtable + 0x2000(%ebx), %edi
movl $0x00000183, %eax
movl $2048, %ecx
1: movl %eax, 0(%edi)
addl $0x00200000, %eax
addl $8, %edi
decl %ecx
jnz 1b
```
Здесь мы делаем почти тоже самое, как и в предыдущем примере; все записи с флагами `$0x00000183`: `PRESENT + WRITE + MBZ`. В итоге мы будем иметь `2048` `2 мегабайтных` страниц:
```python
>>> 2048 * 0x00200000
4294967296
```
`4 гигабайтная` таблица страниц. Мы закончили создание нашей ранней структуры таблицы страниц, которая отображает `4` Гб на память и теперь мы можем поместить адрес таблицы страниц верхнего уровня - `PML4` - в регистр управления `cr3`:
```assembly
leal pgtable(%ebx), %eax
movl %eax, %cr3
```
На этом всё. Все подготовки завершены и теперь мы можем перейти в long mode.
Переход в 64-битный режим
--------------------------------------------------------------------------------
В первую очередь нам нужно установить флаг `EFER.LME` в [MSR](http://en.wikipedia.org/wiki/Model-specific_register), равный `0xC0000080`:
```assembly
movl $MSR_EFER, %ecx
rdmsr
btsl $_EFER_LME, %eax
wrmsr
```
Здесь мы помещаем флаг `MSR_EFER` (который определён в [arch/x86/include/uapi/asm/msr-index.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/include/uapi/asm/msr-index.h#L7)) в регистр `ecx` и вызываем инструкцию `rdmsr`, которая считывает регистр [MSR](http://en.wikipedia.org/wiki/Model-specific_register). После выполнения `rdmsr`, полученные данные будут находится в `edx:eax`, которые будут зависеть от значения `ecx`. Далее мы проверяем бит `EFER_LME` инструкцией `btsl` и с помощью инструкции `wrmsr` записываем данные из `eax` в регистр `MSR`.
На следующем шаге мы помещаем адрес сегмента кода ядра в стек (мы определили его в GDT) и помещаем адрес функции `startup_64` в `eax`.
```assembly
pushl $__KERNEL_CS
leal startup_64(%ebp), %eax
```
После этого мы помещаем адрес в стек и включаем поддержку подкачки страниц путём установки битов `PG` и `PE` в регистре `cr0`:
```assembly
movl $(X86_CR0_PG | X86_CR0_PE), %eax
movl %eax, %cr0
```
и выполняем инструкцию:
```assembly
lret
```
Вы должны помнить, что на предыдущем шаге мы посметили адрес функции `startup_64` в стек, и после инструкции `lret`, ЦПУ извлекает адрес и переходит по нему.
После всего этого, мы, наконец, в 64-битном режиме:
```assembly
.code64
.org 0x200
ENTRY(startup_64)
....
....
....
```
На этом всё!
Заключение
--------------------------------------------------------------------------------
Это конец четвёртой части о процессе загрузки ядра Linux. В следующей части мы увидим декомпрессию ядра и многое другое.
**Пожалуйста, имейте в виду, что английский - не мой родной язык, и я очень извиняюсь за возможные неудобства. Если вы найдёте какие-либо ошибки или неточности в переводе, пожалуйста, пришлите pull request в [linux-insides-ru](https://github.com/proninyaroslav/linux-insides-ru).**
Ссылки
--------------------------------------------------------------------------------
* [Защищённый режим](http://en.wikipedia.org/wiki/Protected_mode)
* [Документация для разработчиков ПО на архитектуре Intel® 64 и IA-32](http://www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-software-developer-manuals.html)
* [GNU компоновщик](http://www.eecs.umich.edu/courses/eecs373/readings/Linker.pdf)
* [SSE](http://en.wikipedia.org/wiki/Streaming_SIMD_Extensions)
* [Подкачка страниц (Википедия)](http://en.wikipedia.org/wiki/Paging)
* [Моделезависимый регистр](http://en.wikipedia.org/wiki/Model-specific_register)
* [Инструкция .fill](http://www.chemie.fu-berlin.de/chemnet/use/info/gas/gas_7.html)
* [Предыдущая часть](linux-bootstrap-3.md)
* [Подкачка страниц (OSDEV)](http://wiki.osdev.org/Paging)
* [Системы подкачки страниц](https://www.cs.rutgers.edu/~pxk/416/notes/09a-paging.html)
* [Пособие по подкачке страниц на x86](http://www.cirosantilli.com/x86-paging/)
Reference in New Issue View Git Blame Copy Permalink