第3章      引導啟動程序（boot）

本章主要描述 boot/目錄中的三個匯編代碼文件，見列表 3-1 所示。正如在前一章中提到的，這三個 文件雖然都是匯編程序，但卻使用了兩種語法格式。bootsect.s 和 setup.s 采用近似于 Intel 的匯編語言語法，需要使用 Intel  8086 匯編編譯器和連接器 as86 和 ld86，而 head.s 則使用 GNU 的匯編程序格式，并且運行在保護模式下，需要用 GNU 的 as 進行編譯。這是一種 AT&T 語法的匯編語言程序。

使用兩種編譯器的主要原因是由于對于 Intel  x86 處理器系列來講，GNU 的編譯器僅支持 i386 及以 后出的 CPU。不支持生成運行在實模式下的程序。

列表 3-1 linux/boot/目錄

閱讀這些代碼除了你需要知道一些一般 8086 匯編語言的知識以外，還要對采用 Intel  80X86 微處理器的 PC 機的體系結構以及 80386 32 位保護模式下的編程原理有些了解。所以在開始閱讀源代碼之前可以先大概瀏覽一下附錄中有關 PC 機硬件接口控制編程和 80386 32 位保護模式的編程方法，在閱讀代碼時再就事論事地針對具體問題參考附錄中的詳細說明。

這里先總的說明一下 Linux 操作系統啟動部分的主要執行流程。當 PC 的電源打開后，80x86 結構的 CPU 將自動進入實模式，并從地址 0xFFFF0 開始自動執行程序代碼，這個地址通常是 ROM-BIOS 中的 地址。PC 機的 BIOS 將執行某些系統的檢測，并在物理地址 0 處開始初始化中斷向量。此后，它將可啟動設備的第一個扇區（磁盤引導扇區，512 字節）讀入內存絕對地址 0x7C00 處，并跳轉到這個地方。啟動設備通常是軟驅或是硬盤。這里的敘述是非常簡單的，但這已經足夠理解內核初始化的工作過程了。

Linux 的最最前面部分是用 8086 匯編語言編寫的(boot/bootsect.s)，它將由 BIOS 讀入到內存絕對地址 0x7C00(31KB)處，當它被執行時就會把自己移到絕對地址 0x90000(576KB)處，并把啟動設備中后 2kB字節代碼(boot/setup.s)讀入到內存  0x90200  處，而內核的其它部分（system  模塊）則被讀入到從地址0x10000 開始處，因為當時 system 模塊的長度不會超過 0x80000 字節大小（即 512KB），所以它不會覆 蓋在 0x90000 處開始的 bootsect 和 setup 模塊。后面 setup 程序將會把 system 模塊移動到內存起始處，這樣 system 模塊中代碼的地址也即等于實際的物理地址，便于對內核代碼和數據的操作。圖 3-1 清晰地顯示出 Linux 系統啟動時這幾個程序或模塊在內存中的動態位置。其中，每一豎條框代表某一時刻內存中各程序的映像位置圖。在系統加載期間將顯示信息"Loading..."。然后控制權將傳遞給 boot/setup.s 中的代 碼，這是另一個實模式匯編語言程序。

圖 3-1  啟動引導時內核在內存中的位置和移動后的位置情況

啟動部分識別主機的某些特性以及 vga 卡的類型。如果需要，它會要求用戶為控制臺選擇顯示模式。 然后將整個系統從地址 0x10000 移至 0x0000 處，進入保護模式并跳轉至系統的余下部分（在 0x0000 處）。 此時所有 32 位運行方式的設置啟動被完成: IDT、GDT 以及 LDT 被加載，處理器和協處理器也已確認， 分頁工作也設置好了；最終調用 init/main.c 中的 main()程序。上述操作的源代碼是在 boot/head.S 中的， 這可能是整個內核中最有訣竅的代碼了。注意如果在前述任何一步中出了錯，計算機就會死鎖。在操作系統還沒有完全運轉之前是處理不了出錯的。

為什么不把系統模塊直接加載到物理地址 0x0000 開始處而要在 setup 程序中再進行移動呢？這是因 為在 setup 程序代碼開始部分還需要利用 ROM BIOS 中的中斷調用來獲取機器的一些參數（例如顯示卡 模式、硬盤參數表等）。當 BIOS 初始化時會在物理內存開始處放置一個大小為 0x400 字節(1Kb)的中斷向量表，因此需要在使用完 BIOS 的中斷調用后才能將這個區域覆蓋掉。

    bootsect.s 代碼是磁盤引導塊程序，駐留在磁盤的第一個扇區中（引導扇區，0 磁道（柱面），0 磁頭，第 1 個扇區）。在 PC 機加電 ROM BIOS 自檢后，引導扇區由 BIOS 加載到內存 0x7C00 處，然后將自己移動到內存 0x90000 處。該程序的主要作用是首先將 setup 模塊（由 setup.s 編譯成）從磁盤加載到內存， 緊接著 bootsect 的后面位置（0x90200）,然后利用 BIOS 中斷 0x13 取磁盤參數表中當前啟動引導盤的參數，接著在屏幕上顯示“Loading  system...”字符串。再者將 system 模塊從磁盤上加載到內存 0x10000 開始的地方。隨后確定根文件系統的設備號，若沒有指定，則根據所保存的引導盤的每磁道扇區數判別出盤的類型和種類（是 1.44M  A 盤嗎？）并保存其設備號于root_dev(引導塊的 0x508 地址處)，最后長跳轉到 setup 程序的開始處（0x90200）執行 setup 程序。

程序 3-1 linux/boot/bootsect.s