Search     or:     and:
 LINUX 
 Language 
 Kernel 
 Package 
 Book 
 Test 
 OS 
 Forum 
 iakovlev.org 
 Kernels
 Boot 
 Memory 
 File system
 0.01
 1.0 
 2.0 
 2.4 
 2.6 
 3.x 
 4.x 
 Интервью 
 Kernel
 HOW-TO 1
 Ptrace
 Kernel-Rebuild-HOWTO
 Runlevel
 Linux daemons
 FAQ
NEWS
Последние статьи :
  Rust 07.11   
  Go 25.12   
  EXT4 10.11   
  FS benchmark 15.09   
  Сетунь 23.07   
  Trees 25.06   
  Apache 03.02   
  SQL 30.07   
  JFS 10.06   
  B-trees 01.06   
 
TOP 20
 Trees...511 
 Go Web ...334 
 Python...166 
 2.0-> Linux IP Networking...139 
 Steve Pate 3...138 
 Стивенс 9...129 
 Rubni-Corbet -> Глав...128 
 Stein-MacEachern-> Час...119 
 Secure Programming for Li...119 
 Daniel Bovet 2...113 
 Mike Perry...113 
 Rubni-Corbet -> Глав...111 
 Advanced Bash Scripting G...111 
 Stevens-> Глава 4...110 
 Stewens -> IPC 7...108 
 Ethreal 4...105 
 Rubni-Corbet -> Глав...103 
 Stewens -> IPC 9...102 
 Stevens-> Глава 25...102 
 Stevens-> Глава 23...100 
 
  01.12.2017 : 2356398 посещений 

iakovlev.org
 Перевод: (C) 
 Сергей Скороходов
 Рассматривается версия Linux 2.4.2
 

1. Что такое bootstrapping?

В классическом смысле термин bootstrap (буквально: тянуть за ушки на голенищах сапог; прим. переводчика) описывает поведение человека (обычно человек этот лежит т.к. сильно устал), поэтапно и с трудом приводящего себя в вертикальное положение, подтягиваясь за голенища собственных сапог. В мире операционных систем bootstrapping'ом называется процесс, в ходе которого часть операционной системы загружается на выполнение, что в свою очередь загружает и инициализирует следующую часть операционной системы. При этом инициализируются переменные во внутренних структурах ядра Linux и запускаются процессы (в дальнейшем обычно порождающие другие важные процессы). "Самозагрузка" компьютера -- долгая и сложная задача, ибо в момент включения компьютера все устройства находятся в непредсказуемом состоянии, а оперативная память неактивна и содержит случайные значения. Поэтому понятно, что процесс самозагрузки (bootstrapping) сильно зависит от архитектуры компьютера.

Внимание!

  1. Мы говорим об архитектуре IBM PC.
  2. Один мой сосед пинает свой системный блок для того, чтобы его запустить. Он называет это "bootslapping" [шмяканье сапогом], а не "bootstrapping". Но описанный ниже процесс происходит и в этом случае!

2. Что такое BIOS? Чем он занимается?

В момент включения питания компьютер практически бесполезен. Поскольку оперативная память содержит случайные данные, не инициализирована и отсутствует операционная система. В начале самозагрузки специальный электронный контур устанавливает логическое значение на выходе RESET процессора . Затем, некоторые регистры процессора, включающие регистр CS ( один из Сегментных Регистров, он указывает на сегмент памяти, содержащий инструкции программы) и EIP (когда CPU выявляет сгенерированное процессором исключение, другими словами, когда процессор возбуждает исключение, обнаружив что-либо аномальное при выполнении инструкции, а исключения бывают трех видов, а именно "fault", "trap" и "abort", в зависимости от значения регистра EIP, сохраненного в стеке режима ядра в том момент, когда блок управления CPU возбуждает исключение -- во как! Не у всякого получится!) устанавливаются в фиксированное значение [для тех, кто случайно забыл: EIP -- регистр процессора, указывающий на следующую 32-разрядную команду. прим. переводчика]. Затем выполняется код, находящийся по физическому адресу 0xfffffff0. Этот адрес аппаратно отображается в чип с постоянной памятью, которую обычно называют ROM. BIOS (Basic Input/Output System -- Базовая Система Ввода/Вывода) -- набор хранящихся в ROM программ. Этот набор включает несколько низкоуровневых процедур обработки прерываний, которые используются разными операционными системами для управления составляющими компьютер устройствами. DOS от Microsoft -- это одна из таких операционных систем.

Теперь возникает такой вопрос: пользуется ли Linux BIOS для инициализации подсоединенных к компьютеру устройств? Или для этой цели служит что-либо иное? И если да, то что? Ну, ответ не так прост, потому его надо тщательно разобрать. Начиная с модели 80386 микропроцессоры Intel выполняют трансляцию адресов (Логический Адрес --> Линейный Адрес --> Физический Адрес) двумя способами, называемыми "Реальным режимом" и "Защищенным режимом". Реальный режим существует главным образом для совместимости со старыми моделями. Все процедуры BIOS выполняются в Реальном режиме. Но ядро Linux выполняется в Защищенном режиме, а НЕ в Реальном режиме. Таким образом, Linux после инициализации НЕ использует BIOS, а предоставляет собственный драйвер для каждого устройства в компьютере.

Далее возникает следующий вопрос: если Linux работает в защищенном режиме, то почему BIOS не может использовать тот же режим? BIOS использует для своей работы реальный режим потому, что BIOS для своей работы пользуется адресами реального режима, а адреса реального режима -- единственно доступные в момент включения компьютера. Адрес реального режима состоит из сегмента seg и смещения off, соответствующий ему физический адрес равен seg*(2*8)+off. (Дополнительно заметьте: поскольку Дескриптор Сегмента имеет длину 8 байтов, его относительный адрес в GDT или LDT [глобальной или локальной таблице дескрипторов] получается умножением наиболее значимых 13 битов селектора сегмента на 8 -- все понятно?).

И что, это означает, что Linux не использует BIOS в ходе процесса самозагрузки [bootstrapping]? М-м, ответом будет Нет: Linux вынужден воспользоваться BIOS на том этапе самозагрузки, когда нужно извлечь образ Ядра с диска или с еще какого-либо внешнего устройства.

Подытоживая, давайте рассмотрим главные действия, выполняемые BIOS в ходе начальной загрузки. Действия эти таковы:

  1. Выполняется всеобъемлющий тест аппаратуры. Это нужно для того, чтобы определить, какие устройства наличествуют и то, какие из обнаруженных устройств работают нормально, а какие -- нет. Обычно этот этап называется POST [Power-On Self-Test или самопроверка при включении питания]. В этот момент выводится заставка с версией и серия сообщений (помните моего друга, который заводит свой комп ногой? POST на его машине не выдает сообщений об ошибке!!).
  2. Затем, BIOS инициализирует аппаратуру. Это очень важный этап, потому что он гарантирует то, что все аппаратные устройства работают без конфликтов за линии прерывания и порты ввода/вывода. Когда эта процедура завершается, BIOS выводит таблицу установленных на шине PCI устройств.
  3. Затем приходит очередь "операционной системы". В зависимости от своих настроек, на этом этапе BIOS'у может потребоваться получить доступ к загрузочному сектору дискеты, жесткого диска или какого-либо из установленных в системе CD-ROM'ов.
  4. Как только найдено пригодное устройство, BIOS копирует содержимое его первого сектора в память по физическому адресу 0x00007c00, а затем совершает переход на этот адрес и выполняет только что загруженный код. Вот и все. Это и есть операции, которые назначено выполнить BIOS'у. Как только они завершаются, за дело берется начальный загрузчик [Boot Loader]. А мы переходим к следующему разделу.

3. Начальный Загрузчик [Boot Loader]. А это что? Что он делает-то?

BIOS вызывает (обратите внимание: НЕ ВЫПОЛНЯЕТ, а вызывает) специальную программу, чья главная (а скорее единственная) задача -- загрузить в оперативную память образ ядра операционной системы. Эта программа называется Загрузчик [Boot Loader]. Прежде, чем мы двинемся дальше, давайте мельком взглянем на разные способы загрузки системы:

  • Загрузка Linux с загрузочной дискеты
  • Загрузка Linux с жесткого диска

1. Загрузка Linux с загрузочной дискеты: Когда загрузка происходит с гибкого диска, в память считываются инструкции, хранящиеся в его первом секторе. Этот код далее копируют в память остальные секторы, содержащие образ ядра.

2. Загрузка Linux с Жесткого Диска: В этом случае процедура загрузки иная. Первый сектор жесткого диска, называемый Главной Загрузочной Записью [Master Boot Record, MBR] содержит таблицу разделов и небольшую программу. Эта программа загружает первый сектор того раздела, который содержит назначенную к старту операционную систему. Linux, будучи в высшей степени гибким и изощренным образчиком программного обеспечения, заменяет программу в MBR на более хитроумную, называемую LILO (LInux boot Loader). LILO позволяет пользователю выбрать загружаемую операционную систему.

А теперь приглядимся к этим двум способам загрузки OS внимательнее.

4. Загрузка Linux с дискеты

Ядро Linux влезает на одну дискету на 1,44 Mb. (На самом деле есть вариант установки Red Hat Linux, известный как "голый", которому нужно приблизительно 2 Mb оперативной памяти и приблизительно 1,44 Mb на диске для того, чтобы запустить Red Hat Linux. В конце концов, в этом суть Linux, не так ли?) Но единственный путь хранить Ядро Linux на дискете -- сжать образ ядра. Важно понимать, что сжатие происходит в момент компиляции, в то время как распаковка производится загрузчиком в момент загрузки.

В случае загрузки с дискеты загрузчик устроен очень просто. Он написан на ассемблере и находится в файле /usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/boot/bootsect.S. При компиляции ядра и построении нового образа выполнимый код, созданный из этого ассемблерного файла, помещается в начало файла с образом ядра. Это облегчает изготовления загрузочной дискеты с Linux Kernel Image.

Копирование образа ядра на дискету начиная с первого сектора создает загрузочный диск. Когда BIOS загружает первый сектор дискеты, он на самом деле копирует код загрузчика. Загрузчик, вызывается BIOS безусловным переходом [jump] по физическому адресу 0x00007c00 и выполняет следующее:

  1. Перемещает себя с адреса 0x00007c00 в область памяти 0x00090000.
  2. Устанавливает стек реального режима по адресу 0x00003ff4.
  3. Устанавливает таблицу параметров диска. Эта таблица используется BIOS'ом для управления драйвером гибкого диска.
  4. С помощью процедуры BIOS выводит сообщение "Loading".
  5. Далее. Вызывает процедуру BIOS для загрузки кода setup() из образа ядра на дискете. Этот код загружается в память по адресу 0x00090200.
  6. Вызывает завершающую процедуру BIOS, которая загружает с дискеты оставшуюся часть ядра. Загрузка производится либо по адресу 0x00010000 (так называемая загрузка "в нижние адреса" [low address] для ядер малого размера, собираемых командой "make zImage"), либо по адресу 0x00100000 (называется загрузкой "в верхние адреса" [high address] для "больших" ядер, собираемых командой "make bzImage").
  7. И, наконец, выполняет безусловный переход на код функции setup().

5. Загрузка Linux с жесткого диска

Чаще всего ядро Linux загружается с жесткого диска. Для этого требуется двухшаговый загрузчик. В системах на базе Intel наиболее обычен загрузчик LILO. Для других архитектур существуют свои загрузчики. LILO может быть установлено либо в MBR, либо в загрузочный сектор активного раздела жесткого диска (обратите внимание, что в процессе установки Red Hat Linux имеется этап, на котором пользователь должен выбрать, куда будет записано LILO: в MBR или в загрузочный сектор).

LILO разбито на две части, иначе оно было бы слишком велико для того, чтобы поместится в MBR. Собственно MBR или загрузочный сектор раздела включают маленький загрузчик, который BIOS помещает в оперативную память по адресу 0x00007c00. Эта маленькая программа перемещает себя по адресу 0x0009a000, а затем устанавливает стек реального режима и, наконец, загружает вторую часть LILO. (Обратите внимание: стек реального режима занимает адреса памяти 0x0009b000-0x0009a200).

Вторая часть LILO читает с диска сведения обо всех доступных операционных системах и выводит приглашение, позволяющая пользователю выбрать одну из имеющихся ОС. После того, как то или иное ядро выбрано (в моей системе имеется возможность выбрать любое из 8 различных custom ядер!), загрузчик копирует в оперативную память либо загрузочный сектор соответствующего раздела (и передает ему управление), либо непосредственно копию образа выбранного ядра.

Поскольку образ ядра должен быть загружен, автономный загрузчик Linux по сути выполняет те же действия, что и загрузчик, встроенный в образ ядра. Загрузчик, вызываемый из BIOS безусловным переходом на адрес 0x00007c00, выполняет следующие действия:

  1. Перемещает себя с адреса 0x00007c00 на адрес 0x00090000.
  2. Устанавливает стек реального режима по адресу 0x00003ff4.
  3. Настраивает таблицу параметров диска. Она нужна BIOS'у для управления драйвером жесткого диска.
  4. С помощью вызова процедуры BIOS выводит сообщение: "Loading Linux".
  5. Затем вызывает процедуру BIOS, которая загружает процедуру setup() из образа ядра. Она помещается в память по адресу 0x00090200.
  6. Вызывает завершающую процедуру BIOS, которая загружает с дискеты оставшуюся часть ядра. Загрузка производится либо по адресу 0x00010000 (так называемая загрузка "в нижние адреса" [low address] для ядер малого размера, собираемых командой "make zImage"), либо по адресу 0x00100000 (называется загрузкой "в верхние адреса" [high address] для "больших" ядер, собираемых командой "make bzImage").
  7. И, наконец, выполняет безусловный переход на код setup().

6. Функция setup( ). А эта зачем?

Ну, вот и пришло время внимательнее поглядеть на некоторые незаменимые для процесса "самозагрузки" [bootstrapping] функции, необходимо написанные на языке ассемблера. Здесь мы рассмотрим функцию setup().

Исходный текст setup() можно найти в файле /usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/boot/setup.S. Компоновщик помещает машинный код функции непосредственно после встроенного загрузчика ядра, а именно по смещению 0x200 в файле образа ядра. Этот факт позволяет загрузчику легко найти этот код и скопировать его в оперативную память по физическому адресу 0x00090200.

Возникает вопрос: а что собственно делает функция setup()? Как подсказывает ее имя, она что-то устанавливает. Но что? И как?

Как все мы знаем, для того, чтобы ядро могло нормально работать, необходимо обнаружить и в нужном порядке инициализировать все имеющиеся в компьютере аппаратные устройства. Функция setup() как раз и занимается тем, что инициализирует аппаратные средства, создавая таким образом среду для работы ядра.

Стоп, стоп, стоп. Разве несколько минут назад мы не видели, что этим вроде бы должен заниматься BIOS? Ну да, верно. 100%. И хотя BIOS уже проинициализировал большую часть аппаратуры, ядро Linux на это не полагается и инициализирует все устройство по-своему. Кто-нибудь спросит: "Ну, а почему это Linux так поступает?". Ответ на этот вопрос с одной стороны очень прост, а с другой стороны это крайне трудно объяснить. Ядро Linux спроектировано именно так для улучшения переносимости и увеличения надежности. Эта одно из многих свойств, которые делают ядро Linux лучшим из всех имеющихся ядер Unix и Unix-подобных операционных систем и уникальным в столь многих отношениях. Полное понимание того, как эта функция реализована в ядре Linux, находится за пределами этой статьи и требует весьма детального рассмотрения существенных моментов Архитектуры Ядра Linux.

Код setup() выполняет следующие задачи:

  1. Во-первых, определяется общий объем имеющейся в системе оперативной памяти. Для этого вызывается процедура детектирования памяти BIOS.
  2. Устанавливается задержка и частота автоповтора клавиатуры.
  3. Определяется видеоадаптер.
  4. Проводится переинициализация контроллера жесткого диска и определяется параметры дисковых накопителей.
  5. Проверяет наличие шины IBM Micro Channel (MCA).
  6. Проверяет наличие указательного устройства PS/2 (bus mouse).
  7. Проверка наличия поддержки управления питанием Advanced Power Management (APM) в BIOS.
  8. Далее проверяется расположения загруженного в оперативную память образа ядра. Если ядро было загружено "по нижнему адресу" (при использовании zImage загрузка проводится по физическому адресу 0x00010000) ядро перемещается в "верхние адреса" (по физическому адресу 0x00100000). Если ядро загружено из "bzImage", то оно НИКУДА не перемещается.
  9. Устанавливается таблица дескрипторов прерываний (IDT) и глобальная таблица дескрипторов (GDT).
  10. Если имеется блок операций с плавающей точкой (математический сопроцессор или fpu), он перезагружается на этом шаге.
  11. На этом шаге перепрограммируется программируемый контроллер прерываний (PIC).
  12. ЦП переключается из реального режима в защищенный режим с помощью установки бита PE в статусном регистре cr0.
  13. Совершается безусловный переход [jump] на код ассемблерной функции stratup_32().

С этого момента изложение становиться "круче" т.к. с этого момента процесс самозагрузки делается несколько сложнее. Я надеюсь, что вы отложите все дела и всерьез вникнете в то, что последует.

7. 1-я функция startup_32( ). А зачем эта?

Итак, сразу перейдем к источнику путаницы. Существуют две функции, называемые startup_32(). И хотя обе написаны на ассемблере и необходимы для "bootstrapping'а", это совершенно разные функции. Код той, о которой идет речь сейчас, находится в файле /usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/boot/compressed/head.S. В зависимости от того, в "высокие" или "низкие" адреса оперативной памяти загружен образ ядра после выполнения setup(), тело этой функции оказывается перемещенным либо на физический адрес 0x00100000, либо на физический адрес 0x00001000.

В ходе выполнения эта функция делает следующее:

  1. Инициализация сегментных регистров и временного стека.
  2. Заполнение нулями области неинициализированных данных ядра. Эта область может быть идентифицирована по символам _edata и _end.
  3. Затем вызывается функция decompress_kernel(). Она используется для распаковки образа ядра Linux. В результате этого вызова на экране появляется надпись "Uncompressing Linux ...". После того, как образ ядра распакован без ошибок, на экран выводится сообщение "OK, booting the kernel.". Здесь важен вопрос: "Хорошо, мы поняли, что образ ядра распаковывается. Но куда загружается этот распакованный образ?". Ответ таков: Если образ ядра был первоначально загружен в "низкие" адреса, распакованный образ ядра помещается по физическому адресу 0x00100000. В противном случае, если сжатый образ ядра был загружен "высоко", распакованное ядро сохраняется во временном буфере сразу за сжатым образом. По окончании распаковки ядро помещается в свою окончательную позицию по физическому адресу 0x00100000.
  4. И, наконец, управление передается на физический адрес 0x00100000.

Теперь, когда завершилась четвертая из упомянутых выше операций, за работу берется другая функция sturtup_32(). Другими словами, эстафета самозагрузки передается во вторую функцию.

8. 2-я функция startup_32( ). Что происходит здесь?

Распакованное ядро Linux начинается с другой функции sturtup_32(). Ее код хранится в файле /usr/src/linux-2.4.2/arch/i386/kernel/head.S.

Естественен вопрос: "Стойте, две разные функции с одинаковым именем... Разве это не источник геморроя?". Отвечаю: нет, никоем образом. Поскольку обе функции получают управление в результате безусловного перехода на их физический адрес и с этого момента выполняются в своем отдельном, собственном окружении. Ну, вообще никаких проблем!

Теперь посмотрим на возможности второй sturtup_32(). Что она делает? В ходе своей работы эта функция, по сути, устанавливает окружение времени выполнения для первого процесса Linux (с номером 0). Выполняются следующие операции:

  1. Окончательная установка значений сегментных регистров.
  2. Создание и настройка стека режима ядра для процесса 0.
  3. Затем вызывается и выполняется функция setup_idt(), которая заполняет таблицу дескрипторов прерываний (IDT, Interrupt Descriptor Table) нулевыми дескрипторами обработчиков прерываний.
  4. Полученные из BIOS параметры системы помещаются в первую страницу [first page frame].
  5. Определяется "Модель" процессора.
  6. Загружает адреса GDT и IDT в регистры gdtr и idtr.
  7. И, наконец, совершает безусловный переход на код функции start_kernel().

9. Функция start_kernel( ). Чем занимается она?

start_kernel() завершает "инициализацию" ядра Linux. В ходе ее выполнения инициализируются все жизненно необходимые компоненты ядра. Что, в сущности, есть последний этап процесса "bootstrapping'а".

В процессе выполнения этой функции происходит следующее:

  1. Функция paging_init() инициализирует таблицу страниц.
  2. Затем функция mem_init() инициализирует дескрипторы страниц.
  3. Функции trap_init() и init_IRQ() в ходе своего выполнения проводят завершающую инициализацию IDT.
  4. Выполняются функции kmem_cache_init() и kmem_cache_sizes_init (), инициализирующие систему распределения памяти Slab Allocator.
  5. Системные дата и время устанавливаются в ходе выполнения функции time_init().
  6. Создается поток выполнения [thread] ядра для процесса 1 посредством вызова функции kernel_thread(). Этот процесс в свою очередь создает другие "ядерные" потоки выполнения и запускает программу /sbin/init.

Сообщение "Linux version 2.4.2 ... " появляется на экране сразу после начала выполнения start_kernel(). Появляются и другие сообщения. В конце на консоли возникает знакомое приглашение login. Его появление говорит пользователю, что ядро Linux загружено, работает и рвется в бой... И правит миром!






Linux i386 Boot Code HOWTO

Feiyun Wang

2004-01-23

Revision History
Revision 1.02004-02-19Revised by: FW
Initial release, reviewed by LDP
Revision 0.3.32004-01-23Revised by: fyw
Add decompress_kernel() details; Fix bugs reported in TLDP final review.
Revision 0.32003-12-07Revised by: fyw
Add contents on SMP, GRUB and LILO; Fix and enhance.
Revision 0.22003-08-17Revised by: fyw
Adapt to Linux 2.4.20.
Revision 0.12003-04-20Revised by: fyw
Change to DocBook XML format.

Этот документ описывает загрузочный код Linux i386.


1. Introduction

Рассматривается версия Linux 2.4.20.

Оригинал статьи можно найти на Yahoo! GeoCities.


1.1. Copyright and License

This document, Linux i386 Boot Code HOWTO, is copyrighted (c) 2003, 2004 by Feiyun Wang. Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, with no Front-Cover Texts, and with no Back-Cover Texts. A copy of the license is available at http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html.

Linux is a registered trademark of Linus Torvalds.


2. Linux Makefiles

Перед тем как перейти к коду,нужно поговорить о том,как линукс компилится и линкуется. Самое время разобраться с Linux makefiles. Если вам нужно посмотреть на исходники 2.4.20 прямо в броузере, смотрите Cross-Referencing Linux


2.1. linux/Makefile

В головном makefile есть несколько широко-известных таргетов :

  • xconfig, menuconfig, config, oldconfig: generate kernel configuration file linux/.config;

  • depend, dep: generate dependency files, like linux/.depend, linux/.hdepend and .depend in subdirectories;

  • vmlinux: generate resident kernel image linux/vmlinux, the most important target;

  • modules, modules_install: generate and install modules in /lib/modules/$(KERNELRELEASE);

  • tags: generate tag file linux/tags, for source browsing with vim.

Посмотрим на linux/Makefile:
include .depend
 include .config
 include arch/i386/Makefile
 
 vmlinux: generate linux/vmlinux
         /* entry point "stext" defined in arch/i386/kernel/head.S */
         $(LD) -T $(TOPDIR)/arch/i386/vmlinux.lds -e stext
         /* $(HEAD) */
         + from arch/i386/Makefile
                 arch/i386/kernel/head.o
                 arch/i386/kernel/init_task.o
         init/main.o
         init/version.o
         init/do_mounts.o
         --start-group
         /* $(CORE_FILES) */
         + from arch/i386/Makefile
                 arch/i386/kernel/kernel.o
                 arch/i386/mm/mm.o
         kernel/kernel.o
         mm/mm.o
         fs/fs.o
         ipc/ipc.o
         /* $(DRIVERS) */
         drivers/...
                 char/char.o
                 block/block.o
                 misc/misc.o
                 net/net.o
                 media/media.o
                 cdrom/driver.o
                 and other static linked drivers
                 + from arch/i386/Makefile
                         arch/i386/math-emu/math.o (ifdef CONFIG_MATH_EMULATION)
         /* $(NETWORKS) */
         net/network.o
         /* $(LIBS) */
         + from arch/i386/Makefile
                 arch/i386/lib/lib.a
         lib/lib.a
         --end-group
         -o vmlinux
         $(NM) vmlinux | grep ... | sort > System.map
 tags: generate linux/tags for vim
 modules: generate modules
 modules_install: install modules
 clean mrproper distclean: clean up build directory
 psdocs pdfdocs htmldocs mandocs: generate kernel documents
 
 include Rules.make
 
 rpm: generate an rpm
"--start-group" и "--end-group" - опции для ld для разрешения ссылочных проблем. Подробности можно посмотреть Using LD, the GNU linker: Command Line Options

Rules.make включает глобальные правила для многих Makefiles.


2.2. linux/arch/i386/vmlinux.lds

После компиляции за дело берется ld , пытаясь из обьектных файлов выдрать нужные символьные ссылки. linux/arch/i386/vmlinux.lds предназначен для linux/Makefile в качестве линковочного скрипта для линковки linux/vmlinux.

/* ld script to make i386 Linux kernel
  * Written by Martin Mares <mj@atrey.karlin.mff.cuni.cz>;
  */
 OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386", "elf32-i386")
 OUTPUT_ARCH(i386)
 /* "ENTRY" is overridden by command line option "-e stext" in linux/Makefile */
 ENTRY(_start)
 /* Output file (linux/vmlinux) layout.
  * Refer to Using LD, the GNU linker: Specifying Output Sections */
 SECTIONS
 {
 /* Output section .text starts at address 3G+1M.
  * Refer to Using LD, the GNU linker: The Location Counter */
   . = 0xC0000000 + 0x100000;
   _text = .;                    /* Text and read-only data */
   .text : {
         *(.text)
         *(.fixup)
         *(.gnu.warning)
         } = 0x9090
 /* Unallocated holes filled with 0x9090, i.e. opcode for "NOP NOP".
  * Refer to Using LD, the GNU linker: Optional Section Attributes */
 
   _etext = .;                   /* End of text section */
 
   .rodata : { *(.rodata) *(.rodata.*) }
   .kstrtab : { *(.kstrtab) }
 
 /* Aligned to next 16-bytes boundary.
  * Refer to Using LD, the GNU linker: Arithmetic Functions */
   . = ALIGN(16);                /* Exception table */
   __start___ex_table = .;
   __ex_table : { *(__ex_table) }
   __stop___ex_table = .;
 
   __start___ksymtab = .;        /* Kernel symbol table */
   __ksymtab : { *(__ksymtab) }
   __stop___ksymtab = .;
 
   .data : {                     /* Data */
         *(.data)
         CONSTRUCTORS
         }
 /* For "CONSTRUCTORS", refer to
  * Using LD, the GNU linker: Option Commands */
 
   _edata = .;                   /* End of data section */
 
   . = ALIGN(8192);              /* init_task */
   .data.init_task : { *(.data.init_task) }
 
   . = ALIGN(4096);              /* Init code and data */
   __init_begin = .;
   .text.init : { *(.text.init) }
   .data.init : { *(.data.init) }
   . = ALIGN(16);
   __setup_start = .;
   .setup.init : { *(.setup.init) }
   __setup_end = .;
   __initcall_start = .;
   .initcall.init : { *(.initcall.init) }
   __initcall_end = .;
   . = ALIGN(4096);
   __init_end = .;
 
   . = ALIGN(4096);
   .data.page_aligned : { *(.data.idt) }
 
   . = ALIGN(32);
   .data.cacheline_aligned : { *(.data.cacheline_aligned) }
 
   __bss_start = .;              /* BSS */
   .bss : {
         *(.bss)
         }
   _end = . ;
 
 /* Output section /DISCARD/ will not be included in the final link output.
  * Refer to Using LD, the GNU linker: Section Definitions */
   /* Sections to be discarded */
   /DISCARD/ : {
         *(.text.exit)
         *(.data.exit)
         *(.exitcall.exit)
         }
 
 /* The following output sections are addressed at memory location 0.
  * Refer to Using LD, the GNU linker: Optional Section Attributes */
   /* Stabs debugging sections.  */
   .stab 0 : { *(.stab) }
   .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
   .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
   .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
   .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
   .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
   .comment 0 : { *(.comment) }
 }


2.3. linux/arch/i386/Makefile

linux/arch/i386/Makefile подгружается основным linux/Makefile для обеспечения специфики i386 .

Все последующие таргеты зависят от таргета vmlinux of linux/Makefile. Их можно найти в linux/arch/i386/boot/Makefile.

Table 1. Targets in linux/arch/i386/Makefile

TargetCommand
zImage [a] @$(MAKE) -C arch/i386/boot zImage [b]
bzImage@$(MAKE) -C arch/i386/boot bzImage
zlilo @$(MAKE) -C arch/i386/boot BOOTIMAGE=zImage zlilo
bzlilo @$(MAKE) -C arch/i386/boot BOOTIMAGE=bzImage zlilo
zdisk @$(MAKE) -C arch/i386/boot BOOTIMAGE=zImage zdisk
bzdisk @$(MAKE) -C arch/i386/boot BOOTIMAGE=bzImage zdisk
install @$(MAKE) -C arch/i386/boot BOOTIMAGE=bzImage install
Notes:
a. zImage alias: compressed;
b. "-C" is a MAKE command line option to change directory before reading makefiles;
Refer to GNU make: Summary of Options and GNU make: Recursive Use of make.

В нем переопределяются некоторые переменные,которые экспортируются linux/Makefile:
OBJCOPY=$(CROSS_COMPILE)objcopy -O binary -R .note -R .comment -S
Подробности смотрите GNU Binary Utilities: objcopy для objcopy.

Как ни странно , но $(LIBS) инклюдится в "$(TOPDIR)/arch/i386/lib/lib.a" дважды:
LIBS := $(TOPDIR)/arch/i386/lib/lib.a $(LIBS) $(TOPDIR)/arch/i386/lib/lib.a


2.4. linux/arch/i386/boot/Makefile

linux/arch/i386/boot/Makefile самостоятелен, поскольку не включен ни в linux/arch/i386/Makefile , ни в linux/Makefile.

Но зависимости у них есть :

  • linux/Makefile: генерит kernel image linux/vmlinux;

  • linux/arch/i386/boot/Makefile: генерит загрузчик;

  • linux/arch/i386/Makefile: нужно убедиться,что linux/vmlinux собран, перед тем как собирать загрузчик,для того чтобы в последний можно было экспортировать такие таргеты,как bzImage.

$(BOOTIMAGE) нужен для таких таргетов,как zdisk, zlilo, zdisk из linux/arch/i386/Makefile.

Table 2. Targets in linux/arch/i386/boot/Makefile

TargetCommand
zImage
$(OBJCOPY) compressed/vmlinux compressed/vmlinux.out
 tools/build bootsect setup compressed/vmlinux.out $(ROOT_DEV) > zImage
bzImage
$(OBJCOPY) compressed/bvmlinux compressed/bvmlinux.out
 tools/build -b bbootsect bsetup compressed/bvmlinux.out $(ROOT_DEV) \
         > bzImage
zdisk
dd bs=8192 if=$(BOOTIMAGE) of=/dev/fd0
zlilo
if [ -f $(INSTALL_PATH)/vmlinuz ]; then mv $(INSTALL_PATH)/vmlinuz
         $(INSTALL_PATH)/vmlinuz.old; fi
 if [ -f $(INSTALL_PATH)/System.map ]; then mv $(INSTALL_PATH)/System.map
         $(INSTALL_PATH)/System.old; fi
 cat $(BOOTIMAGE) > $(INSTALL_PATH)/vmlinuz
 cp $(TOPDIR)/System.map $(INSTALL_PATH)/
 if [ -x /sbin/lilo ]; then /sbin/lilo; else /etc/lilo/install; fi
install
sh -x ./install.sh $(KERNELRELEASE) $(BOOTIMAGE) $(TOPDIR)/System.map
         "$(INSTALL_PATH)"
tools/build лепит загрузочный образ zImage из {bootsect, setup, compressed/vmlinux.out}, либо bzImage из {bbootsect, bsetup, compressed/bvmlinux,out}. linux/Makefile "export ROOT_DEV = CURRENT". $(OBJCOPY) переопределяется в linux/arch/i386/Makefile in Section 2.3.

Table 3. Supporting targets in linux/arch/i386/boot/Makefile

Target: PrerequisitesCommand
compressed/vmlinux: linux/vmlinux@$(MAKE) -C compressed vmlinux
compressed/bvmlinux: linux/vmlinux@$(MAKE) -C compressed bvmlinux
tools/build: tools/build.c $(HOSTCC) $(HOSTCFLAGS) -o $@ $< -I$(TOPDIR)/include [a]
bootsect: bootsect.o $(LD) -Ttext 0x0 -s --oformat binary bootsect.o [b]
bootsect.o: bootsect.s$(AS) -o $@ $<
bootsect.s: bootsect.S ... $(CPP) $(CPPFLAGS) -traditional $(SVGA_MODE) $(RAMDISK) $< -o $@
bbootsect: bbootsect.o $(LD) -Ttext 0x0 -s --oformat binary $< -o $@
bbootsect.o: bbootsect.s$(AS) -o $@ $<
bbootsect.s: bootsect.S ... $(CPP) $(CPPFLAGS) -D__BIG_KERNEL__ -traditional $(SVGA_MODE) $(RAMDISK) $< -o $@
setup: setup.o $(LD) -Ttext 0x0 -s --oformat binary -e begtext -o $@ $<
setup.o: setup.s$(AS) -o $@ $<
setup.s: setup.S video.S ... $(CPP) $(CPPFLAGS) -D__ASSEMBLY__ -traditional $(SVGA_MODE) $(RAMDISK) $< -o $@
bsetup: bsetup.o $(LD) -Ttext 0x0 -s --oformat binary -e begtext -o $@ $<
bsetup.o: bsetup.s$(AS) -o $@ $<
bsetup.s: setup.S video.S ... $(CPP) $(CPPFLAGS) -D__BIG_KERNEL__ -D__ASSEMBLY__ -traditional $(SVGA_MODE) $(RAMDISK) $< -o $@
Notes:
a. "$@" означает target, "$<" означает первый пререквизит; Refer to GNU make: Automatic Variables;
b. "--oformat binary" тип вывода raw binary , который идентичен формату исполняемого файла; Refer to Using LD, the GNU linker: Command Line Options.
Устанавливается флаг "-D__BIG_KERNEL__" при компиляции bootsect.S , bbootsect.s, setup.S , bsetup.s. Это соответствует Place Independent Code (PIC).


2.5. linux/arch/i386/boot/compressed/Makefile

Этот makefile управляет механизмом (de)компрессии образа.

Вынесение компрессии отдельно из загрузки позволяет делать дальнейшие модификации самого механизма.

Каталог linux/arch/i386/boot/compressed/ включает 2 файла: head.S and misc.c.

Table 4. Targets in linux/arch/i386/boot/compressed/Makefile

TargetCommand
vmlinux[a] $(LD) -Ttext 0x1000 -e startup_32 -o vmlinux head.o misc.o piggy.o
bvmlinux $(LD) -Ttext 0x100000 -e startup_32 -o bvmlinux head.o misc.o piggy.o
head.o $(CC) $(AFLAGS) -traditional -c head.S
misc.o
$(CC) $(CFLAGS) -DKBUILD_BASENAME=$(subst $(comma),_,$(subst -,_,$(*F)))
         -c misc.c[b]
piggy.o
tmppiggy=_tmp_$$$$piggy; \
 rm -f $$tmppiggy $$tmppiggy.gz $$tmppiggy.lnk; \
 $(OBJCOPY) $(SYSTEM) $$tmppiggy; \
 gzip -f -9 < $$tmppiggy > $$tmppiggy.gz; \
 echo "SECTIONS { .data : { input_len = .; \
         LONG(input_data_end - input_data) input_data = .; \
         *(.data) input_data_end = .; }}" > $$tmppiggy.lnk; \
 $(LD) -r -o piggy.o -b binary $$tmppiggy.gz -b elf32-i386 \
         -T $$tmppiggy.lnk; \
 rm -f $$tmppiggy $$tmppiggy.gz $$tmppiggy.lnk
Notes:
a. Таргет vmlinux здесь - это не тот, который в linux/Makefile;
b. "subst" - функция MAKE ; Refer to GNU make: Functions for String Substitution and Analysis.

piggy.o включает переменную input_len и сжимает linux/vmlinux. input_len в самом начале piggy.o, и это равно размеру piggy.o включая input_len. Refer to Using LD, the GNU linker: Section Data Expressions for "LONG(expression)" in piggy.o linker script.

Если быть точным,это не то самый сжатый linux/vmlinux (ELF),это бинарный образ, который генерится командой objcopy. $(OBJCOPY) переопределяется в linux/arch/i386/Makefile в Section 2.3 в формат output raw с помощью опции "-O binary".

Во время линковки {bootsect, setup} или {bbootsect, bsetup}, $(LD) задает опцию "--oformat binary" для вывода в бинарный формат. При генерации zImage (или bzImage), $(OBJCOPY) генерирует т.н. intermediate binary output из compressed/vmlinux (из compressed/bvmlinux). Все компоненты в zImage или bzImage - в формате raw binary, так что образ может выполняться сам по себе независимо от того, грузит ли его загрузчик.

И vmlinux и bvmlinux включают как head.o , так и misc.o прежде piggy.o, и линкуются они по разным стартовым адресам (0x1000 vs 0x100000).


2.6. linux/arch/i386/tools/build.c

linux/arch/i386/tools/build.c - утилита для генерации zImage и bzImage.

В linux/arch/i386/boot/Makefile:
tools/build bootsect setup compressed/vmlinux.out $(ROOT_DEV) > zImage
 
 tools/build -b bbootsect bsetup compressed/bvmlinux.out $(ROOT_DEV) > bzImage
"-b" означает is_big_kernel, используется для проверки размера system image.

tools/build выводит следующие компоненты в stdout, и перенаправляет их в zImage или bzImage:

  1. bootsect или bbootsect: linux/arch/i386/boot/bootsect.S, 512 байт;

  2. setup или bsetup: linux/arch/i386/boot/setup.S, 4 или более сектора,секторы выравненные;

  3. compressed/vmlinux.out или compressed/bvmlinux.out:

    1. head.o: linux/arch/i386/boot/compressed/head.S;

    2. misc.o: linux/arch/i386/boot/compressed/misc.c;

    3. piggy.o: input_len and gzipped linux/vmlinux.

tools/build при этом изменяет контент самих bootsect и bbootsect во время вывода:

Table 5. Modification made by tools/build

OffsetByteVariableComment
1F1 (497)1setup_sectorsnumber of setup sectors, >=4
1F4 (500)2sys_sizesystem size in 16-bytes, little-endian
1FC (508)1minor_rootroot dev minor
1FD (509)1major_rootroot dev major

И далее, compressed/vmlinux будет ссылкой на vmlinux и compressed/bvmlinux соответственно на bvmlinux, так что не надо пугаться.


2.7. Reference


3. linux/arch/i386/boot/bootsect.S

Мы грузимся с bzImage, который состоит из компонентов bbootsect, bsetup, bvmlinux (head.o, misc.o, piggy.o), с 1-го сектора floppy, bbootsect (512 bytes), который компилится из linux/arch/i386/boot/bootsect.S, и грузимся BIOS по адресу 07C0:0.


3.1. Move Bootsect

SETUPSECTS      = 4                     /* по умолчанию 4 загрузочных сектора */
 BOOTSEG         = 0x07C0                /* стартовый адрес boot-sector */
 INITSEG         = DEF_INITSEG  (0x9000) /* перемещаем загрузчик сюда */
 SETUPSEG        = DEF_SETUPSEG (0x9020) /* и стартуем отсюда */
 SYSSEG          = DEF_SYSSEG   (0x1000) /* систему грузим по адресу 0x10000 (65536) */
 SYSSIZE         = DEF_SYSSIZE  (0x7F00) /* размер системы: # кратно 16-byte */
 ROOT_DEV        = 0                     /* ROOT_DEV переписан с помощью "build" */
 SWAP_DEV        = 0                     /* SWAP_DEV переписан с помощью "build" */
 
 .code16
 .text
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 _start:
 {
         // копируем себя с 0x7C00 в 0x90000 и прыгаем туда.
         move BOOTSEG:0 to INITSEG:0 (512 bytes);
         goto INITSEG:go;
 }
bbootsect скопирован в INITSEG:0 (0x9000:0). Забудем о BOOTSEG.


3.2. Получение параметров диска

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // подготовим стек и таблицу дисковых параметров
 go:
 {
         SS:SP = INITSEG:3FF4;   // ложим стек в INITSEG:0x4000-12
         /* 0x4000 - произвольный адрес >=
          *   длина bootsect + длина setup + сам stack;
          * 12 - дисковый параметр. */
         копируем дисковый параметр (указатель на 0:0078) в INITSEG:3FF4 (12 bytes);
         // int1E: SYSTEM DATA - DISKETTE PARAMETERS
         устанавливаем указатель на таблицу дисковых параметров(0:0078, int1E) в INITSEG:3FF4;
 }
Инициализируем SP сразу же после SS. Для модификации SS рекомендуется использовать инструкцию"lss" в соответствии с IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual (Vol.3. Ch.5.8.3. Masking Exceptions and Interrupts When Switching Stacks).

Такие стековые операции, как push и pop, теперь позволительны. Первые 12 байт параметров диска копируются в INITSEG:3FF4.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // получение дисковых параметров, спецификация номеров -  sectors/track.
         char disksizes[] = {36, 18, 15, 9};
         int sectors;
 {
         SI = disksizes;                         // i = 0;
         do {
 probe_loop:
                 sectors = DS:[SI++];            // sectors = disksizes[i++];
                 if (SI>=disksizes+4) break;     // if (i>=4) break;
                 int13/AH=02h(AL=1, ES:BX=INITSEG:0200, CX=sectors, DX=0);
                 // int13/AH=02h: DISK - READ SECTOR(S) INTO MEMORY
         } while (failed to read sectors);
 }
Команда "lodsb" автоматом грузит байт с DS:[SI] в AL и увеличивает SI.

Число секторов/треков пишется в переменную sectors.


3.3. Load Setup Code

bsetup (setup_sects sectors) будет загружен после bbootsect, т.е. SETUPSEG:0.
INITSEG:0200==SETUPSEG:0 и setup_sects было модифицировано с помощью tools/build для соответствия размера bsetup в Section 2.6.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 got_sectors:
         word sread;             // sectors read for current track
         char setup_sects;       // overwritten by tools/build
 {
         print out "Loading";
         /* int10/AH=03h(BH=0): VIDEO - GET CURSOR POSITION AND SIZE
          * int10/AH=13h(AL=1, BH=0, BL=7, CX=9, DH=DL=0, ES:BP=INITSEG:$msg1):
          *   VIDEO - WRITE STRING */
 
         // загрузка setup-sectors напрямую после копирования загрузочного сектора (в 0x90200).
         SI = &sread;            // using SI to index sread, head and track
         sread = 1;              // boot sector уже прочитан
 
         int13/AH=00h(DL=0);     // reset FDC
 
         BX = 0x0200;            // read bsetup right after bbootsect (512 bytes)
         do {
 next_step:
                 /* to prevent cylinder crossing reading,
                  *   calculate how many sectors to read this time */
                 uint16 pushw_ax = AX = MIN(sectors-sread, setup_sects);
 no_cyl_crossing:
                 read_track(AL, ES:BX);          // AX is not modified
                 // set ES:BX, sread, head and track for next read_track()
                 set_next(AX);
                 setup_sects -= pushw_ax;        // rest - for next step
         } while (setup_sects);
 }
SI is set to the address of sread to index variables sread, head and track, as they are contiguous in memory. Check Section 3.6 for read_track() and set_next() details.


3.4. Load Compressed Image

bvmlinux (head.o, misc.o, piggy.o) will be loaded at 0x100000, syssize*16 bytes.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // load vmlinux/bvmlinux (head.o, misc.o, piggy.o)
 {
         read_it(ES=SYSSEG);
         kill_motor();                           // turn off floppy drive motor
         print_nl();                             // print CR LF
 }
Check Section 3.6 for read_it() details. If we are booting up zImage, vmlinux is loaded at 0x10000 (SYSSEG:0).

bzImage (bbootsect, bsetup, bvmlinux) is in the memory as a whole now.


3.5. Go Setup

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // check which root-device to use and jump to setup.S
         int root_dev;                           // overwritten by tools/build
 {
         if (!root_dev) {
                 switch (sectors) {
                 case 15: root_dev = 0x0208;     // /dev/ps0 - 1.2Mb
                         break;
                 case 18: root_dev = 0x021C;     // /dev/PS0 - 1.44Mb
                         break;
                 case 36: root_dev = 0x0220;     // /dev/fd0H2880 - 2.88Mb
                         break;
                 default: root_dev = 0x0200;     // /dev/fd0 - auto detect
                         break;
                 }
         }
 
         // jump to the setup-routine loaded directly after the bootblock
         goto SETUPSEG:0;
 }
It passes control to bsetup. See linux/arch/i386/boot/setup.S:start in Section 4.


3.6. Read Disk

The following functions are used to load bsetup and bvmlinux from disk. Note that syssize has been changed by tools/build in Section 2.6 too.
sread:  .word 0                         # sectors read of current track
 head:   .word 0                         # current head
 track:  .word 0                         # current track
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // load the system image at address SYSSEG:0
 read_it(ES=SYSSEG)
         int syssize;                    /* system size in 16-bytes,
                                          *   overwritten by tools/build */
 {
         if (ES & 0x0fff) die;           // not 64KB aligned
 
         BX = 0;
         for (;;) {
 rp_read:
 #ifdef __BIG_KERNEL__
                 bootsect_helper(ES:BX);
                 /* INITSEG:0220==SETUPSEG:0020 is bootsect_kludge,
                  *   which contains pointer SETUPSEG:bootsect_helper().
                  * This function initializes some data structures
                  *   when it is called for the first time,
                  *   and moves SYSSEG:0 to 0x100000, 64KB each time,
                  *   in the following calls.
                  * See Section 3.7. */
 #else
                 AX = ES - SYSSEG + ( BX >> 4);  // how many 16-bytes read
 #endif
                 if (AX > syssize) return;       // everything loaded
 ok1_read:
                 /* Get proper AL (sectors to read) for this time
                  *   to prevent cylinder crossing reading and BX overflow. */
                 AX = sectors - sread;
                 CX = BX + (AX << 9);            // 1 sector = 2^9 bytes
                 if (CX overflow && CX!=0) {     // > 64KB
                         AX = (-BX) >> 9;
                 }
 ok2_read:
                 read_track(AL, ES:BX);
                 set_next(AX);
         }
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // read disk with parameters (sread, track, head)
 read_track(AL sectors, ES:BX destination)
 {
         for (;;) {
                 printf(".");
                 // int10/AH=0Eh: VIDEO - TELETYPE OUTPUT
 
                 // set CX, DX according to (sread, track, head)
                 DX = track;
                 CX = sread + 1;
                 CH = DL;
 
                 DX = head;
                 DH = DL;
                 DX &= 0x0100;
 
                 int13/AH=02h(AL, ES:BX, CX, DX);
                 // int13/AH=02h: DISK - READ SECTOR(S) INTO MEMORY
                 if (read disk success) return;
                 // "addw $8, %sp" is to cancel previous 4 "pushw" operations.
 bad_rt:
                 print_all();            // print error code, AX, BX, CX and DX
                 int13/AH=00h(DL=0);     // reset FDC
         }
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // set ES:BX, sread, head and track for next read_track()
 set_next(AX sectors_read)
 {
         CX = AX;                        // sectors read
         AX += sread;
         if (AX==sectors) {
                 head = 1 ^ head;        // flap head between 0 and 1
                 if (head==0) track++;
 ok4_set:
                 AX = 0;
         }
 ok3_set:
         sread = AX;
         BX += CX && 9;
         if (BX overflow) {              // > 64KB
                 ES += 0x1000;
                 BX = 0;
         }
 set_next_fn:
 }


3.7. Bootsect Helper

setup.S:bootsect_helper() is only used by bootsect.S:read_it().

Because bbootsect and bsetup are linked separately, they use offsets relative to their own code/data segments. We have to "call far" (lcall) for bootsect_helper() in different segment, and it must "return far" (lret) then. This results in CS change in calling, which makes CS!=DS, and we have to use segment modifier to specify variables in setup.S.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // called by bootsect loader when loading bzImage
 bootsect_helper(ES:BX)
         bootsect_es = 0;                // defined in setup.S
         type_of_loader = 0;             // defined in setup.S
 {
         if (!bootsect_es) {             // called for the first time
                 type_of_loader = 0x20;  // bootsect-loader, version 0
                 AX = ES >> 4;
                 *(byte*)(&bootsect_src_base+2) = AH;
                 bootsect_es = ES;
                 AX = ES - SYSSEG;
                 return;
         }
 bootsect_second:
         if (!BX) {                      // 64KB full
                 // move from SYSSEG:0 to destination, 64KB each time
                 int15/AH=87h(CX=0x8000, ES:SI=CS:bootsect_gdt);
                 // int15/AH=87h: SYSTEM - COPY EXTENDED MEMORY
                 if (failed to copy) {
                         bootsect_panic() {
                                 prtstr("INT15 refuses to access high mem, "
                                         "giving up.");
 bootsect_panic_loop:            goto bootsect_panic_loop;   // never return
                         }
                 }
                 ES = bootsect_es;       // reset ES to always point to 0x10000
                 *(byte*)(&bootsect_dst_base+2)++;
         }
 bootsect_ex:
         // have the number of moved frames (16-bytes) in AX
         AH = *(byte*)(&bootsect_dst_base+2) << 4;
         AL = 0;
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // data used by bootsect_helper()
 bootsect_gdt:
         .word   0, 0, 0, 0
         .word   0, 0, 0, 0
 
 bootsect_src:
         .word   0xffff
 
 bootsect_src_base:
         .byte   0x00, 0x00, 0x01                # base = 0x010000
         .byte   0x93                            # typbyte
         .word   0                               # limit16,base24 =0
 
 bootsect_dst:
         .word   0xffff
 
 bootsect_dst_base:
         .byte   0x00, 0x00, 0x10                # base = 0x100000
         .byte   0x93                            # typbyte
         .word   0                               # limit16,base24 =0
         .word   0, 0, 0, 0                      # BIOS CS
         .word   0, 0, 0, 0                      # BIOS DS
 
 bootsect_es:
         .word   0
 
 bootsect_panic_mess:
         .string "INT15 refuses to access high mem, giving up."
Note that type_of_loader value is changed. It will be referenced in Section 4.3.


3.8. Miscellaneous

The rest are supporting functions, variables and part of "real-mode kernel header". Note that data is in .text segment as code, thus it can be properly initialized when loaded.
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // some small functions
 print_all();  /* print error code, AX, BX, CX and DX */
 print_nl();   /* print CR LF */
 print_hex();  /* print the word pointed to by SS:BP in hexadecimal */
 kill_motor()  /* turn off floppy drive motor */
 {
 #if 1
         int13/AH=00h(DL=0);     // reset FDC
 #else
         outb(0, 0x3F2);         // outb(val, port)
 #endif
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 sectors:        .word 0
 disksizes:      .byte 36, 18, 15, 9
 msg1:           .byte 13, 10
                 .ascii "Loading"

Bootsect trailer, which is a part of "real-mode kernel header", begins at offset 497.
.org 497
 setup_sects:    .byte SETUPSECS         // overwritten by tools/build
 root_flags:     .word ROOT_RDONLY
 syssize:        .word SYSSIZE           // overwritten by tools/build
 swap_dev:       .word SWAP_DEV
 ram_size:       .word RAMDISK
 vid_mode:       .word SVGA_MODE
 root_dev:       .word ROOT_DEV          // overwritten by tools/build
 boot_flag:      .word 0xAA55

This "header" must conform to the layout pattern in linux/Documentation/i386/boot.txt:
Offset  Proto   Name            Meaning
 /Size
 01F1/1  ALL     setup_sects     The size of the setup in sectors
 01F2/2  ALL     root_flags      If set, the root is mounted readonly
 01F4/2  ALL     syssize         DO NOT USE - for bootsect.S use only
 01F6/2  ALL     swap_dev        DO NOT USE - obsolete
 01F8/2  ALL     ram_size        DO NOT USE - for bootsect.S use only
 01FA/2  ALL     vid_mode        Video mode control
 01FC/2  ALL     root_dev        Default root device number
 01FE/2  ALL     boot_flag       0xAA55 magic number


3.9. Reference

As <IA-32 Intel Architecture Software Developer's Manual> is widely referenced in this document, I will call it "IA-32 Manual" for short.


4. linux/arch/i386/boot/setup.S

setup.S is responsible for getting the system data from the BIOS and putting them into appropriate places in system memory.

Other boot loaders, like GNU GRUB and LILO, can load bzImage too. Such boot loaders should load bzImage into memory and setup "real-mode kernel header", esp. type_of_loader, then pass control to bsetup directly. setup.S assumes:

  • bsetup or setup may not be loaded at SETUPSEG:0, i.e. CS may not be equal to SETUPSEG when control is passed to setup.S;

  • The first 4 sectors of setup are loaded right after bootsect. The reset may be loaded at SYSSEG:0, preceding vmlinux; This assumption does not apply to bsetup.


4.1. Header

/* Signature words to ensure LILO loaded us right */
 #define SIG1    0xAA55
 #define SIG2    0x5A5A
 
 INITSEG  = DEF_INITSEG          # 0x9000, we move boot here, out of the way
 SYSSEG   = DEF_SYSSEG           # 0x1000, system loaded at 0x10000 (65536).
 SETUPSEG = DEF_SETUPSEG         # 0x9020, this is the current segment
                                 # ... and the former contents of CS
 
 DELTA_INITSEG = SETUPSEG - INITSEG      # 0x0020
 
 .code16
 .text
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 start:
 {
         goto trampoline();              // skip the following header
 }
 
 # This is the setup header, and it must start at %cs:2 (old 0x9020:2)
                 .ascii  "HdrS"          # header signature
                 .word   0x0203          # header version number (>= 0x0105)
                                         # or else old loadlin-1.5 will fail)
 realmode_swtch: .word   0, 0            # default_switch, SETUPSEG
 start_sys_seg:  .word   SYSSEG
                 .word   kernel_version  # pointing to kernel version string
                                         # above section of header is compatible
                                         # with loadlin-1.5 (header v1.5). Don't
                                         # change it.
 // kernel_version defined below
 type_of_loader: .byte   0               # = 0, old one (LILO, Loadlin,
                                         #      Bootlin, SYSLX, bootsect...)
                                         # See Documentation/i386/boot.txt for
                                         # assigned ids
 # flags, unused bits must be zero (RFU) bit within loadflags
 loadflags:
 LOADED_HIGH     = 1                     # If set, the kernel is loaded high
 CAN_USE_HEAP    = 0x80                  # If set, the loader also has set
                                         # heap_end_ptr to tell how much
                                         # space behind setup.S can be used for
                                         # heap purposes.
                                         # Only the loader knows what is free
 #ifndef __BIG_KERNEL__
                 .byte   0
 #else
                 .byte   LOADED_HIGH
 #endif
 setup_move_size: .word  0x8000          # size to move, when setup is not
                                         # loaded at 0x90000. We will move setup
                                         # to 0x90000 then just before jumping
                                         # into the kernel. However, only the
                                         # loader knows how much data behind
                                         # us also needs to be loaded.
 code32_start:                           # here loaders can put a different
                                         # start address for 32-bit code.
 #ifndef __BIG_KERNEL__
                 .long   0x1000          #   0x1000 = default for zImage
 #else
                 .long   0x100000        # 0x100000 = default for big kernel
 #endif
 ramdisk_image:  .long   0               # address of loaded ramdisk image
                                         # Here the loader puts the 32-bit
                                         # address where it loaded the image.
                                         # This only will be read by the kernel.
 ramdisk_size:   .long   0               # its size in bytes
 bootsect_kludge:
                 .word  bootsect_helper, SETUPSEG
 heap_end_ptr:   .word   modelist+1024   # (Header version 0x0201 or later)
                                         # space from here (exclusive) down to
                                         # end of setup code can be used by setup
                                         # for local heap purposes.
 // modelist is at the end of .text section
 pad1:           .word   0
 cmd_line_ptr:   .long 0                 # (Header version 0x0202 or later)
                                         # If nonzero, a 32-bit pointer
                                         # to the kernel command line.
                                         # The command line should be
                                         # located between the start of
                                         # setup and the end of low
                                         # memory (0xa0000), or it may
                                         # get overwritten before it
                                         # gets read.  If this field is
                                         # used, there is no longer
                                         # anything magical about the
                                         # 0x90000 segment; the setup
                                         # can be located anywhere in
                                         # low memory 0x10000 or higher.
 ramdisk_max:    .long __MAXMEM-1        # (Header version 0x0203 or later)
                                         # The highest safe address for
                                         # the contents of an initrd

The __MAXMEM definition in linux/asm-i386/page.h:
/*
  * A __PAGE_OFFSET of 0xC0000000 means that the kernel has
  * a virtual address space of one gigabyte, which limits the
  * amount of physical memory you can use to about 950MB.
  */
 #define __PAGE_OFFSET           (0xC0000000)
 
 /*
  * This much address space is reserved for vmalloc() and iomap()
  * as well as fixmap mappings.
  */
 #define __VMALLOC_RESERVE       (128 << 20)
 
 #define __MAXMEM                (-__PAGE_OFFSET-__VMALLOC_RESERVE)
It gives __MAXMEM = 1G - 128M.

The setup header must follow some layout pattern. Refer to linux/Documentation/i386/boot.txt:
Offset  Proto   Name            Meaning
 /Size
 0200/2  2.00+   jump            Jump instruction
 0202/4  2.00+   header          Magic signature "HdrS"
 0206/2  2.00+   version         Boot protocol version supported
 0208/4  2.00+   realmode_swtch  Boot loader hook
 020C/2  2.00+   start_sys       The load-low segment (0x1000) (obsolete)
 020E/2  2.00+   kernel_version  Pointer to kernel version string
 0210/1  2.00+   type_of_loader  Boot loader identifier
 0211/1  2.00+   loadflags       Boot protocol option flags
 0212/2  2.00+   setup_move_size Move to high memory size (used with hooks)
 0214/4  2.00+   code32_start    Boot loader hook
 0218/4  2.00+   ramdisk_image   initrd load address (set by boot loader)
 021C/4  2.00+   ramdisk_size    initrd size (set by boot loader)
 0220/4  2.00+   bootsect_kludge DO NOT USE - for bootsect.S use only
 0224/2  2.01+   heap_end_ptr    Free memory after setup end
 0226/2  N/A     pad1            Unused
 0228/4  2.02+   cmd_line_ptr    32-bit pointer to the kernel command line
 022C/4  2.03+   initrd_addr_max Highest legal initrd address


4.2. Check Code Integrity

As setup code may not be contiguous, we should check code integrity first.
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 trampoline()
 {
         start_of_setup();       // never return
         .space 1024;
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // check signature to see if all code loaded
 start_of_setup()
 {
         // Bootlin depends on this being done early, check bootlin:technic.doc
         int13/AH=15h(AL=0, DL=0x81);
         // int13/AH=15h: DISK - GET DISK TYPE
 
 #ifdef SAFE_RESET_DISK_CONTROLLER
         int13/AH=0(AL=0, DL=0x80);
         // int13/AH=00h: DISK - RESET DISK SYSTEM
 #endif
 
         DS = CS;
         // check signature at end of setup
         if (setup_sig1!=SIG1 || setup_sig2!=SIG2) {
                 goto bad_sig;
         }
         goto goodsig1;
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // some small functions
 prtstr();  /* print asciiz string at DS:SI */
 prtsp2();  /* print double space */
 prtspc();  /* print single space */
 prtchr();  /* print ascii in AL */
 beep();    /* print CTRL-G, i.e. beep */
Signature is checked to verify code integrity.

If signature is not found, the rest setup code may precede vmlinux at SYSSEG:0.
no_sig_mess: .string "No setup signature found ..."
 
 goodsig1:
         goto goodsig;                           // make near jump
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // move the rest setup code from SYSSEG:0 to CS:0800
 bad_sig()
         DELTA_INITSEG = 0x0020 (= SETUPSEG - INITSEG)
         SYSSEG = 0x1000
         word start_sys_seg = SYSSEG;            // defined in setup header
 {
         DS = CS - DELTA_INITSEG;                // aka INITSEG
         BX = (byte)(DS:[497]);                  // i.e. setup_sects
 
         // first 4 sectors already loaded
         CX = (BX - 4) << 8;                     // rest code in word (2-bytes)
         start_sys_seg = (CX >> 3) + SYSSEG;     // real system code start
         move SYSSEG:0 to CS:0800 (CX*2 bytes);
 
         if (setup_sig1!=SIG1 || setup_sig2!=SIG2) {
 no_sig:
                 prtstr("No setup signature found ...");
 no_sig_loop:
                 hlt;
                 goto no_sig_loop;
         }
 }
"hlt" instruction stops instruction execution and places the processor in halt state. The processor generates a special bus cycle to indicate that halt mode has been entered. When an enabled interrupt (including NMI) is issued, the processor will resume execution after the "hlt" instruction, and the instruction pointer (CS:EIP), pointing to the instruction following the "hlt", will be saved to stack before the interrupt handler is called. Thus we need a "jmp" instruction after the "hlt" to put the processor back to halt state again.

The setup code has been moved to correct place. Variable start_sys_seg points to where real system code starts. If "bad_sig" does not happen, start_sys_seg remains SYSSEG.


4.3. Check Loader Type

Check if the loader is compatible with the image.
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 good_sig()
         char loadflags;                 // in setup header
         char type_of_loader;            // in setup header
         LOADHIGH = 1
 {
         DS = CS - DELTA_INITSEG;        // aka INITSEG
         if ( (loadflags & LOADHIGH) && !type_of_loader ) {
                 // Nope, old loader tries to load big-kernel
                 prtstr("Wrong loader, giving up...");
                 goto no_sig_loop;       // defined above in bad_sig()
         }
 }
 
 loader_panic_mess: .string "Wrong loader, giving up..."
Note that type_of_loader has been changed to 0x20 by bootsect_helper() when it loads bvmlinux.


4.4. Get Memory Size

Try three different memory detection schemes to get the extended memory size (above 1M) in KB.

First, try e820h, which lets us assemble a memory map; then try e801h, which returns a 32-bit memory size; and finally 88h, which returns 0-64M.
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // get memory size
 loader_ok()
         E820NR  = 0x1E8
         E820MAP = 0x2D0
 {
         // when entering this function, DS = CS-DELTA_INITSEG, aka INITSEG
         (long)DS:[0x1E0] = 0;
 
 #ifndef STANDARD_MEMORY_BIOS_CALL
         (byte)DS:[0x1E8] = 0;                   // E820NR
 
         /* method E820H: see ACPI spec
          * the memory map from hell.  e820h returns memory classified into
          * a whole bunch of different types, and allows memory holes and
          * everything.  We scan through this memory map and build a list
          * of the first 32 memory areas, which we return at [E820MAP]. */
 meme820:
         EBX = 0;
         DI = 0x02D0;                            // E820MAP
         do {
 jmpe820:
                 int15/EAX=E820h(EDX='SMAP', EBX, ECX=20, ES:DI=DS:DI);
                 // int15/AX=E820h: GET SYSTEM MEMORY MAP
                 if (failed || 'SMAP'!=EAX) break;
                 // if (1!=DS:[DI+16]) continue; // not usable
 good820:
                 if (DS:[1E8]>=32) break;        // entry# > E820MAX
                 DS:[0x1E8]++;                   // entry# ++;
                 DI += 20;                       // adjust buffer for next
 again820:
         } while (!EBX)                          // not finished
 bail820:
 
         /* method E801H:
          * memory size is in 1k chunksizes, to avoid confusing loadlin.
          * we store the 0xe801 memory size in a completely different place,
          * because it will most likely be longer than 16 bits.
          * (use 1e0 because that's what Larry Augustine uses in his
          * alternative new memory detection scheme, and it's sensible
          * to write everything into the same place.) */
 meme801:
         stc;            // to work around buggy BIOSes
         CX = DX = 0;
         int15/AX=E801h;
         /* int15/AX=E801h: GET MEMORY SIZE FOR >64M CONFIGURATIONS
          *   AX = extended memory between 1M and 16M, in K (max 3C00 = 15MB)
          *   BX = extended memory above 16M, in 64K blocks
          *   CX = configured memory 1M to 16M, in K
          *   DX = configured memory above 16M, in 64K blocks */
         if (failed) goto mem88;
         if (!CX && !DX) {
                 CX = AX;
                 DX = BX;
         }
 e801usecxdx:
         (long)DS:[0x1E0] = ((EDX & 0xFFFF) << 6) + (ECX & 0xFFFF);      // in K
 #endif
 
 mem88:  // old traditional method
         int15/AH=88h;
         /* int15/AH=88h: SYSTEM - GET EXTENDED MEMORY SIZE
          *   AX = number of contiguous KB starting at absolute address 100000h */
         DS:[2] = AX;
 }


4.5. Hardware Support

Check hardware support, like keyboard, video adapter, hard disk, MCA bus and pointing device.
{
         // set the keyboard repeat rate to the max
         int16/AX=0305h(BX=0);
         // int16/AH=03h: KEYBOARD - SET TYPEMATIC RATE AND DELAY
 
         /* Check for video adapter and its parameters and
          *   allow the user to browse video modes. */
         video();                        // see video.S
 
         // get hd0 and hd1 data
         copy hd0 data (*int41) to CS-DELTA_INITSEG:0080 (16 bytes);
         // int41: SYSTEM DATA - HARD DISK 0 PARAMETER TABLE ADDRESS
         copy hd1 data (*int46) to CS-DELTA_INITSEG:0090 (16 bytes);
         // int46: SYSTEM DATA - HARD DISK 1 PARAMETER TABLE ADDRESS
         // check if hd1 exists
         int13/AH=15h(AL=0, DL=0x81);
         // int13/AH=15h: DISK - GET DISK TYPE
         if (failed || AH!=03h) {        // AH==03h if it is a hard disk
 no_disk1:
                 clear CS-DELTA_INITSEG:0090 (16 bytes);
         }
 is_disk1:
 
         // check for Micro Channel (MCA) bus
         CS-DELTA_INITSEG:[0xA0] = 0;    // set table length to 0
         int15/AH=C0h;
         /* int15/AH=C0h: SYSTEM - GET CONFIGURATION
          *   ES:BX = ROM configuration table */
         if (failed) goto no_mca;
         move ROM configuration table (ES:BX) to CS-DELTA_INITSEG:00A0;
         // CX = (table length<14)? CX:16;    first 16 bytes only
 no_mca:
 
         // check for PS/2 pointing device
         CS-DELTA_INITSEG:[0x1FF] = 0;   // default is no pointing device
         int11h();
         // int11h: BIOS - GET EQUIPMENT LIST
         if (AL & 0x04) {                // mouse installed
                 DS:[0x1FF] = 0xAA;
         }
 }


4.6. APM Support

Check BIOS APM support.
#if defined(CONFIG_APM) || defined(CONFIG_APM_MODULE)
 {
         DS:[0x40] = 0;                  // version = 0 means no APM BIOS
         int15/AX=5300h(BX=0);
         // int15/AX=5300h: Advanced Power Management v1.0+ - INSTALLATION CHECK
         if (failed || 'PM'!=BX || !(CX & 0x02)) goto done_apm_bios;
         // (CX & 0x02) means 32 bit is supported
         int15/AX=5304h(BX=0);
         // int15/AX=5304h: Advanced Power Management v1.0+ - DISCONNECT INTERFACE
         EBX = CX = DX = ESI = DI = 0;
         int15/AX=5303h(BX=0);
         /* int15/AX=5303h: Advanced Power Management v1.0+
          *   - CONNECT 32-BIT PROTMODE INTERFACE */
         if (failed) {
 no_32_apm_bios:                         // I moved label no_32_apm_bios here
                 DS:[0x4C] &= ~0x0002;   // remove 32 bit support bit
                 goto done_apm_bios;
         }
         DS:[0x42] = AX, 32-bit code segment base address;
         DS:[0x44] = EBX, offset of entry point;
         DS:[0x48] = CX, 16-bit code segment base address;
         DS:[0x4A] = DX, 16-bit data segment base address;
         DS:[0x4E] = ESI, APM BIOS code segment length;
         DS:[0x52] = DI, APM BIOS data segment length;
         int15/AX=5300h(BX=0);           // check again
         // int15/AX=5300h: Advanced Power Management v1.0+ - INSTALLATION CHECK
         if (success &&  'PM'==BX) {
                 DS:[0x40] = AX, APM version;
                 DS:[0x4C] = CX, APM flags;
         } else {
 apm_disconnect:
                 int15/AX=5304h(BX=0);
                 /* int15/AX=5304h: Advanced Power Management v1.0+
                  *   - DISCONNECT INTERFACE */
         }
 done_apm_bios:
 }
 #endif


4.7. Prepare for Protected Mode

// call mode switch
 {
         if (realmode_swtch) {
                 realmode_swtch();               // mode switch hook
         } else {
 rmodeswtch_normal:
                 default_switch() {
                         cli;                    // no interrupts allowed
                         outb(0x80, 0x70);       // disable NMI
                 }
         }
 rmodeswtch_end:
 }
 
 // relocate code if necessary
 {
         (long)code32 = code32_start;
         if (!(loadflags & LOADED_HIGH)) {       // low loaded zImage
                 // 0x0100 <= start_sys_seg < CS-DELTA_INITSEG
 do_move0:
                 AX = 0x100;
                 BP = CS - DELTA_INITSEG;        // aka INITSEG
                 BX = start_sys_seg;
 do_move:
                 move system image from (start_sys_seg:0 .. CS-DELTA_INITSEG:0)
                         to 0100:0;              // move 0x1000 bytes each time
         }
 end_move:
Note that code32_start is initialized to 0x1000 for zImage, or 0x100000 for bzImage. The code32 value will be used in passing control to linux/arch/i386/boot/compressed/head.S in Section 4.9. If we boot up zImage, it relocates vmlinux to 0100:0; If we boot up bzImage, bvmlinux remains at start_sys_seg:0. The relocation address must match the "-Ttext" option in linux/arch/i386/boot/compressed/Makefile. See Section 2.5.

Then it will relocate code from CS-DELTA_INITSEG:0 (bbootsect and bsetup) to INITSEG:0, if necessary.
        DS = CS;                // aka SETUPSEG
         // Check whether we need to be downward compatible with version <=201
         if (!cmd_line_ptr && 0x20!=type_of_loader && SETUPSEG!=CS) {
                 cli;            // as interrupt may use stack when we are moving
                 // store new SS in DX
                 AX = CS - DELTA_INITSEG;
                 DX = SS;
                 if (DX>=AX) {   // stack frame will be moved together
                         DX = DX + INITSEG - AX; // i.e. SS-CS+SETUPSEG
                 }
 move_self_1:
                 /* move CS-DELTA_INITSEG:0 to INITSEG:0 (setup_move_size bytes)
                  *   in two steps in order not to overwrite code on CS:IP
                  * move up (src < dest) but downward ("std") */
                 move CS-DELTA_INITSEG:move_self_here+0x200
                   to INITSEG:move_self_here+0x200,
                   setup_move_size-(move_self_here+0x200) bytes;
                 // INITSEG:move_self_here+0x200 == SETUPSEG:move_self_here
                 goto SETUPSEG:move_self_here;   // CS=SETUPSEG now
 move_self_here:
                 move CS-DELTA_INITSEG:0 to INITSEG:0,
                   move_self_here+0x200 bytes;   // I mean old CS before goto
                 DS = SETUPSEG;
                 SS = DX;
         }
 end_move_self:
 }
Note again, type_of_loader has been changed to 0x20 by bootsect_helper() when it loads bvmlinux.


4.8. Enable A20

For A20 problem and solution, refer to A20 - a pain from the past.
        A20_TEST_LOOPS          =  32   # Iterations per wait
         A20_ENABLE_LOOPS        = 255   # Total loops to try
 {
 #if defined(CONFIG_MELAN)
         // Enable A20. AMD Elan bug fix.
         outb(0x02, 0x92);               // outb(val, port)
 a20_elan_wait:
         while (!a20_test());            // test not passed
         goto a20_done;
 #endif
 
 a20_try_loop:
         // First, see if we are on a system with no A20 gate.
 a20_none:
         if (a20_test()) goto a20_done;  // test passed
 
         // Next, try the BIOS (INT 0x15, AX=0x2401)
 a20_bios:
         int15/AX=2401h;
         // Int15/AX=2401h: SYSTEM - later PS/2s - ENABLE A20 GATE
         if (a20_test()) goto a20_done;  // test passed
 
         // Try enabling A20 through the keyboard controller
 a20_kbc:
         empty_8042();
         if (a20_test()) goto a20_done;  // test again in case BIOS delayed
         outb(0xD1, 0x64);               // command write
         empty_8042();
         outb(0xDF, 0x60);               // A20 on
         empty_8042();
         // wait until a20 really *is* enabled
 a20_kbc_wait:
         CX = 0;
 a20_kbc_wait_loop:
         do {
                 if (a20_test()) goto a20_done;  // test passed
         } while (--CX)
 
         // Final attempt: use "configuration port A"
         outb((inb(0x92) | 0x02) & 0xFE, 0x92);
         // wait for configuration port A to take effect
 a20_fast_wait:
         CX = 0;
 a20_fast_wait_loop:
         do {
                 if (a20_test()) goto a20_done;  // test passed
         } while (--CX)
 
         // A20 is still not responding. Try frobbing it again.
         if (--a20_tries) goto a20_try_loop;
         prtstr("linux: fatal error: A20 gate not responding!");
 a20_die:
         hlt;
         goto a20_die;
 }
 
 a20_tries:
         .byte   A20_ENABLE_LOOPS                // i.e. 255
 a20_err_msg:
         .ascii  "linux: fatal error: A20 gate not responding!"
         .byte   13, 10, 0
For I/O port operations, take a look at related reference materials in Section 4.11.


4.9. Switch to Protected Mode

To ensure code compatibility with all 32-bit IA-32 processors, perform the following steps to switch to protected mode:

  1. Prepare GDT with a null descriptor in the first GDT entry, one code segment descriptor and one data segment descriptor;

  2. Disable interrupts, including maskable hardware interrupts and NMI;

  3. Load the base address and limit of the GDT to GDTR register, using "lgdt" instruction;

  4. Set PE flag in CR0 register, using "mov cr0" (Intel 386 and up) or "lmsw" instruction (for compatibility with Intel 286);

  5. Immediately execute a far "jmp" or a far "call" instruction.

The stack can be placed in a normal read/write data segment, so no dedicated descriptor is required.

a20_done:
 {
         lidt    idt_48;         // load idt with 0, 0;
 
         // convert DS:gdt to a linear ptr
         *(long*)(gdt_48+2) = DS << 4 + &gdt;
         lgdt    gdt_48;
 
         // reset coprocessor
         outb(0, 0xF0);
         delay();
         outb(0, 0xF1);
         delay();
 
         // reprogram the interrupts
         outb(0xFF, 0xA1);       // mask all interrupts
         delay();
         outb(0xFB, 0x21);       // mask all irq's but irq2 which is cascaded
 
         // protected mode!
         AX = 1;
         lmsw ax;                // machine status word, bit 0 thru 15 of CR0
                                 // only affects PE, MP, EM & TS flags
         goto flush_instr;
 
 flush_instr:
         BX = 0;                                 // flag to indicate a boot
         ESI = (CS - DELTA_INITSEG) << 4;        // pointer to real-mode code
         /* NOTE: For high loaded big kernels we need a
          * jmpi    0x100000,__KERNEL_CS
          *
          * but we yet haven't reloaded the CS register, so the default size
          * of the target offset still is 16 bit.
          * However, using an operand prefix (0x66), the CPU will properly
          * take our 48 bit far pointer. (INTeL 80386 Programmer's Reference
          * Manual, Mixing 16-bit and 32-bit code, page 16-6) */
 
         // goto __KERNEL_CS:[(uint32*)code32]; */
         .byte   0x66, 0xea
 code32: .long   0x1000          // overwritten in Section 4.7
         .word   __KERNEL_CS     // segment 0x10
         // see linux/arch/i386/boot/compressed/head.S:startup_32
 }
The far "jmp" instruction (0xea) updates CS register. The contents of the remaining segment registers (DS, SS, ES, FS and GS) should be reloaded later. The operand-size prefix (0x66) is used to enforce "jmp" to be executed upon the 32-bit operand code32. For operand-size prefix details, check IA-32 Manual (Vol.1. Ch.3.6. Operand-size and Address-size Attributes, and Vol.3. Ch.17. Mixing 16-bit and 32-bit Code).

Control is passed to linux/arch/i386/boot/compressed/head.S:startup_32. For zImage, it is at address 0x1000; For bzImage, it is at 0x100000. See Section 5.

ESI points to the memory area of collected system data. It is used to pass parameters from the 16-bit real mode code of the kernel to the 32-bit part. See linux/Documentation/i386/zero-page.txt for details.

For mode switching details, refer to IA-32 Manual Vol.3. (Ch.9.8. Software Initialization for Protected-Mode Operation, Ch.9.9.1. Switching to Protected Mode, and Ch.17.4. Transferring Control Among Mixed-Size Code Segments).


4.10. Miscellaneous

The rest are supporting functions and variables.
/* macros created by linux/Makefile targets:
  *   include/linux/compile.h and include/linux/version.h */
 kernel_version: .ascii  UTS_RELEASE
                 .ascii  " ("
                 .ascii  LINUX_COMPILE_BY
                 .ascii  "@"
                 .ascii  LINUX_COMPILE_HOST
                 .ascii  ") "
                 .ascii  UTS_VERSION
                 .byte   0
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 default_switch() { cli; outb(0x80, 0x70); } /* disable interrupts and NMI */
 bootsect_helper(ES:BX); /* see Section 3.7 */
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 a20_test()
 {
         FS = 0;
         GS = 0xFFFF;
         CX = A20_TEST_LOOPS;                    // i.e. 32
         AX = FS:[0x200];
         do {
 a20_test_wait:
                 FS:[0x200] = ++AX;
                 delay();
         } while (AX==GS:[0x210] && --CX);
         return (AX!=GS[0x210]);
         // ZF==0 (i.e. NZ/NE, a20_test!=0) means test passed
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // check that the keyboard command queue is empty
 empty_8042()
 {
         int timeout = 100000;
 
         for (;;) {
 empty_8042_loop:
                 if (!--timeout) return;
                 delay();
                 inb(0x64, &AL);                 // 8042 status port
                 if (AL & 1) {                   // has output
                         delay();
                         inb(0x60, &AL);         // read it
 no_output:      } else if (!(AL & 2)) return;   // no input either
         }
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // read the CMOS clock, return the seconds in AL, used in video.S
 gettime()
 {
         int1A/AH=02h();
         /* int1A/AH=02h: TIME - GET REAL-TIME CLOCK TIME
          * DH = seconds in BCD */
         AL = DH & 0x0F;
         AH = DH >> 4;
         aad;
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 delay() { outb(AL, 0x80); }                     // needed after doing I/O
 
 // Descriptor table
 gdt:
         .word   0, 0, 0, 0                      # dummy
         .word   0, 0, 0, 0                      # unused
         // segment 0x10, __KERNEL_CS
         .word   0xFFFF                          # 4Gb - (0x100000*0x1000 = 4Gb)
         .word   0                               # base address = 0
         .word   0x9A00                          # code read/exec
         .word   0x00CF                          # granularity = 4096, 386
                                                 #  (+5th nibble of limit)
         // segment 0x18, __KERNEL_DS
         .word   0xFFFF                          # 4Gb - (0x100000*0x1000 = 4Gb)
         .word   0                               # base address = 0
         .word   0x9200                          # data read/write
         .word   0x00CF                          # granularity = 4096, 386
                                                 #  (+5th nibble of limit)
 idt_48:
         .word   0                               # idt limit = 0
         .word   0, 0                            # idt base = 0L
 /* [gdt_48] should be 0x0800 (2048) to match the comment,
  *   like what Linux 2.2.22 does. */
 gdt_48:
         .word   0x8000                          # gdt limit=2048,
                                                 #  256 GDT entries
         .word   0, 0                            # gdt base (filled in later)
 
 #include "video.S"
 
 // signature at the end of setup.S:
 {
 setup_sig1:     .word   SIG1                    // 0xAA55
 setup_sig2:     .word   SIG2                    // 0x5A5A
 modelist:
 }

Video setup and detection code in video.S:
ASK_VGA = 0xFFFD  // defined in linux/include/asm-i386/boot.h
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 video()
 {
         pushw DS;               // use different segments
         FS = DS;
         DS = ES = CS;
         GS = 0;
         cld;
         basic_detect();         // basic adapter type testing (EGA/VGA/MDA/CGA)
 #ifdef CONFIG_VIDEO_SELECT
         if (FS:[0x01FA]!=ASK_VGA) {     // user selected video mode
                 mode_set();
                 if (failed) {
                         prtstr("You passed an undefined mode number.\n");
                         mode_menu();
                 }
         } else {
 vid2:           mode_menu();
         }
 vid1:
 #ifdef CONFIG_VIDEO_RETAIN
         restore_screen();               // restore screen contents
 #endif /* CONFIG_VIDEO_RETAIN */
 #endif /* CONFIG_VIDEO_SELECT */
         mode_params();                  // store mode parameters
         popw ds;                        // restore original DS
 }
/* TODO: video() details */


4.11. Reference


5. linux/arch/i386/boot/compressed/head.S

We are in bvmlinux now! With the help of misc.c:decompress_kernel(), we are going to decompress piggy.o to get the resident kernel image linux/vmlinux.

This file is of pure 32-bit startup code. Unlike previous two files, it has no ".code16" statement in the source file. Refer to Using as: Writing 16-bit Code for details.


5.1. Decompress Kernel

The segment base addresses in segment descriptors (which correspond to segment selector __KERNEL_CS and __KERNEL_DS) are equal to 0; therefore, the logical address offset (in segment:offset format) will be equal to its linear address if either of these segment selectors is used. For zImage, CS:EIP is at logical address 10:1000 (linear address 0x1000) now; for bzImage, 10:100000 (linear address 0x100000).

As paging is not enabled, linear address is identical to physical address. Check IA-32 Manual (Vol.1. Ch.3.3. Memory Organization, and Vol.3. Ch.3. Protected-Mode Memory Management) and Linux Device Drivers: Memory Management in Linux for address issue.

It comes from setup.S that BX=0 and ESI=INITSEG<<4.

.text
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 startup_32()
 {
         cld;
         cli;
         DS = ES = FS = GS = __KERNEL_DS;
         SS:ESP = *stack_start;  // end of user_stack[], defined in misc.c
         // all segment registers are reloaded after protected mode is enabled
 
         // check that A20 really IS enabled
         EAX = 0;
         do {
 1:              DS:[0] = ++EAX;
         } while (DS:[0x100000]==EAX);
 
         EFLAGS = 0;
         clear BSS;                              // from _edata to _end
 
         struct moveparams mp;                   // subl $16,%esp
         if (!decompress_kernel(&mp, ESI)) {     // return value in AX
                 restore ESI from stack;
                 EBX = 0;
                 goto __KERNEL_CS:100000;
                 // see linux/arch/i386/kernel/head.S:startup_32
         }
 
         /*
          * We come here, if we were loaded high.
          * We need to move the move-in-place routine down to 0x1000
          * and then start it with the buffer addresses in registers,
          * which we got from the stack.
          */
 3:      move move_rountine_start..move_routine_end to 0x1000;
         // move_routine_start & move_routine_end are defined below
 
         // prepare move_routine_start() parameters
         EBX = real mode pointer;        // ESI value passed from setup.S
         ESI = mp.low_buffer_start;
         ECX = mp.lcount;
         EDX = mp.high_buffer_star;
         EAX = mp.hcount;
         EDI = 0x100000;
         cli;                    // make sure we don't get interrupted
         goto __KERNEL_CS:1000;  // move_routine_start();
 }
 
 /* Routine (template) for moving the decompressed kernel in place,
  * if we were high loaded. This _must_ PIC-code ! */
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 move_routine_start()
 {
         move mp.low_buffer_start to 0x100000, mp.lcount bytes,
           in two steps: (lcount >> 2) words + (lcount & 3) bytes;
         move/append mp.high_buffer_start, ((mp.hcount + 3) >> 2) words
         // 1 word == 4 bytes, as I mean 32-bit code/data.
 
         ESI = EBX;              // real mode pointer, as that from setup.S
         EBX = 0;
         goto __KERNEL_CS:100000;
         // see linux/arch/i386/kernel/head.S:startup_32()
 move_routine_end:
 }
For the meaning of "je 1b" and "jnz 3f", refer to Using as: Local Symbol Names.

Didn't find _edata and _end definitions? No problem, they are defined in the "internal linker script". Without -T (--script=) option specified, ld uses this builtin script to link compressed/bvmlinux. Use "ld --verbose" to display this script, or check Appendix B. Internal Linker Script.

Refer to Using LD, the GNU linker: Command Line Options for -T (--script=), -L (--library-path=) and --verbose option description. "man ld" and "info ld" may help too.

piggy.o has been unzipped and control is passed to __KERNEL_CS:100000, i.e. linux/arch/i386/kernel/head.S:startup_32(). See Section 6.

#define LOW_BUFFER_START      0x2000
 #define LOW_BUFFER_MAX       0x90000
 #define HEAP_SIZE             0x3000
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 asmlinkage int decompress_kernel(struct moveparams *mv, void *rmode)
 |-- setup real_mode(=rmode), vidmem, vidport, lines and cols;
 |-- if (is_zImage) setup_normal_output_buffer() {
 |       output_data      = 0x100000;
 |       free_mem_end_ptr = real_mode;
 |   } else (is_bzImage) setup_output_buffer_if_we_run_high(mv) {
 |       output_data      = LOW_BUFFER_START;
 |       low_buffer_end   = MIN(real_mode, LOW_BUFFER_MAX) & ~0xfff;
 |       low_buffer_size  = low_buffer_end - LOW_BUFFER_START;
 |       free_mem_end_ptr = &end + HEAP_SIZE;
 |       // get mv->low_buffer_start and mv->high_buffer_start
 |       mv->low_buffer_start = LOW_BUFFER_START;
 |       /* To make this program work, we must have
 |        *   high_buffer_start > &end+HEAP_SIZE;
 |        * As we will move low_buffer from LOW_BUFFER_START to 0x100000
 |        *   (max low_buffer_size bytes) finally, we should have
 |        *   high_buffer_start > 0x100000+low_buffer_size; */
 |       mv->high_buffer_start = high_buffer_start
 |           = MAX(&end+HEAP_SIZE, 0x100000+low_buffer_size);
 |       mv->hcount =  0 if (0x100000+low_buffer_size >  &end+HEAP_SIZE);
 |                  = -1 if (0x100000+low_buffer_size <= &end+HEAP_SIZE);
 |       /* mv->hcount==0 : we need not move high_buffer later,
 |        *   as it is already at 0x100000+low_buffer_size.
 |        * Used by close_output_buffer_if_we_run_high() below. */
 |   }
 |-- makecrc();          // create crc_32_tab[]
 |   puts("Uncompressing Linux... ");
 |-- gunzip();
 |   puts("Ok, booting the kernel.\n");
 |-- if (is_bzImage) close_output_buffer_if_we_run_high(mv) {
 |       // get mv->lcount and mv->hcount
 |       if (bytes_out > low_buffer_size) {
 |           mv->lcount = low_buffer_size;
 |           if (mv->hcount)
 |               mv->hcount = bytes_out - low_buffer_size;
 |       } else {
 |           mv->lcount = bytes_out;
 |           mv->hcount = 0;
 |       }
 |   }
 `-- return is_bzImage;  // return value in AX
end is defined in the "internal linker script" too.

decompress_kernel() has an "asmlinkage" modifer. In linux/include/linux/linkage.h:
#ifdef __cplusplus
 #define CPP_ASMLINKAGE extern "C"
 #else
 #define CPP_ASMLINKAGE
 #endif
 
 #if defined __i386__
 #define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((regparm(0)))
 #elif defined __ia64__
 #define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((syscall_linkage))
 #else
 #define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE
 #endif
Macro "asmlinkage" will force the compiler to pass all function arguments on the stack, in case some optimization method may try to change this convention. Check Using the GNU Compiler Collection (GCC): Declaring Attributes of Functions (regparm) and Kernelnewbies FAQ: What is asmlinkage for more details.


5.2. gunzip()

decompress_kernel() calls gunzip() -> inflate(), which are defined in linux/lib/inflate.c, to decompress resident kernel image to low buffer (pointed by output_data) and high buffer (pointed by high_buffer_start, for bzImage only).

The gzip file format is specified in RFC 1952.

Table 6. gzip file format

ComponentMeaningByteComment
ID1IDentification 1131 (0x1f, \037)
ID2IDentification 21139 (0x8b, \213) [a]
CMCompression Method18 - denotes the "deflate" compression method
FLGFLaGs10 for most cases
MTIMEModification TIME4modification time of the original file
XFLeXtra FLags12 - compressor used maximum compression, slowest algorithm [b]
OSOperating System13 - Unix
extra fields--variable length, field indicated by FLG [c]
compressed blocks--variable length
CRC32-4CRC value of the uncompressed data
ISIZEInput SIZE4the size of the uncompressed input data modulo 2^32
Notes:
a. ID2 value can be 158 (0x9e, \236) for gzip 0.5;
b. XFL value 4 - compressor used fastest algorithm;
c. FLG bit 0, FTEXT, does not indicate any "extra field".

We can use this file format knowledge to find out the beginning of gzipped linux/vmlinux.
[root@localhost boot]# hexdump -C /boot/vmlinuz-2.4.20-28.9 | grep '1f 8b 08 00'
 00004c50  1f 8b 08 00 01 f6 e1 3f  02 03 ec 5d 7d 74 14 55  |.......?...]}t.U|
 [root@localhost boot]# hexdump -C /boot/vmlinuz-2.4.20-28.9 -s 0x4c40 -n 64
 00004c40  00 80 0b 00 00 fc 21 00  68 00 00 00 1e 01 11 00  |......!.h.......|
 00004c50  1f 8b 08 00 01 f6 e1 3f  02 03 ec 5d 7d 74 14 55  |.......?...]}t.U|
 00004c60  96 7f d5 a9 d0 1d 4d ac  56 93 35 ac 01 3a 9c 6a  |......M.V.5..:.j|
 00004c70  4d 46 5c d3 7b f8 48 36  c9 6c 84 f0 25 88 20 9f  |MF\.{.H6.l..%. .|
 00004c80
 [root@localhost boot]# hexdump -C /boot/vmlinuz-2.4.20-28.9 | tail -n 4
 00114d40  bd 77 66 da ce 6f 3d d6  33 5c 14 a2 9f 7e fa e9  |.wf..o=.3\...~..|
 00114d50  a7 9f 7e fa ff 57 3f 00  00 00 00 00 d8 bc ab ea  |..~..W?.........|
 00114d60  44 5d 76 d1 fd 03 33 58  c2 f0 00 51 27 00        |D]v...3X...Q'.|
 00114d6e
We can see that the gzipped file begins at 0x4c50 in the above example. The four bytes before "1f 8b 08 00" is input_len (0x0011011e, in little endian), and 0x4c50+0x0011011e=0x114d6e equals to the size of bzImage (/boot/vmlinuz-2.4.20-28.9).

static uch *inbuf;           /* input buffer */
 static unsigned insize = 0;  /* valid bytes in inbuf */
 static unsigned inptr = 0;   /* index of next byte to be processed in inbuf */
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 static int gunzip(void)
 {
         Check input buffer for {ID1, ID2, CM}, must be
                 {0x1f, 0x8b, 0x08} (normal case), or
                 {0x1f, 0x9e, 0x08} (for gzip 0.5);
         Check FLG (flag byte), must not set bit 1, 5, 6 and 7;
         Ignore {MTIME, XFL, OS};
         Handle optional structures, which correspond to FLG bit 2, 3 and 4;
         inflate();              // handle compressed blocks
         Validate {CRC32, ISIZE};
 }
When get_byte(), defined in linux/arch/i386/boot/compressed/misc.c, is called for the first time, it calls fill_inbuf() to setup input buffer inbuf=input_data and insize=input_len. Symbol input_data and input_len are defined in piggy.o linker script. See Section 2.5.


5.3. inflate()

// some important definitions in misc.c
 #define WSIZE 0x8000            /* Window size must be at least 32k,
                                  * and a power of two */
 static uch window[WSIZE];       /* Sliding window buffer */
 static unsigned outcnt = 0;     /* bytes in output buffer */
 
 // linux/lib/inflate.c
 #define wp outcnt
 #define flush_output(w) (wp=(w),flush_window())
 STATIC unsigned long bb;        /* bit buffer */
 STATIC unsigned bk;             /* bits in bit buffer */
 STATIC unsigned hufts;          /* track memory usage */
 static long free_mem_ptr = (long)&end;
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 STATIC int inflate()
 {
         int e;                  /* last block flag */
         int r;                  /* result code */
         unsigned h;             /* maximum struct huft's malloc'ed */
         void *ptr;
 
         wp = bb = bk = 0;
 
         // inflate compressed blocks one by one
         do {
                 hufts = 0;
                 gzip_mark() { ptr = free_mem_ptr; };
                 if ((r = inflate_block(&e)) != 0) {
                         gzip_release() { free_mem_ptr = ptr; };
                         return r;
                 }
                 gzip_release() { free_mem_ptr = ptr; };
                 if (hufts > h)
                 h = hufts;
         } while (!e);
 
         /* Undo too much lookahead. The next read will be byte aligned so we
          * can discard unused bits in the last meaningful byte. */
         while (bk >= 8) {
                 bk -= 8;
                 inptr--;
         }
 
         /* write the output window window[0..outcnt-1] to output_data,
          * update output_ptr/output_data, crc and bytes_out accordingly, and
          * reset outcnt to 0. */
         flush_output(wp);
 
         /* return success */
         return 0;
 }
free_mem_ptr is used in misc.c:malloc() for dynamic memory allocation. Before inflating each compressed block, gzip_mark() saves the value of free_mem_ptr; After inflation, gzip_release() will restore this value. This is how it "free()" the memory allocated in inflate_block().

Gzip uses Lempel-Ziv coding (LZ77) to compress files. The compressed data format is specified in RFC 1951. inflate_block() will inflate compressed blocks, which can be treated as a bit sequence.

The data structure of each compressed block is outlined below:
BFINAL (1 bit)
     0  - not the last block
     1  - the last block
 BTYPE  (2 bits)
     00 - no compression
         remaining bits until the byte boundary;
         LEN      (2 bytes);
         NLEN     (2 bytes, the one's complement of LEN);
         data     (LEN bytes);
     01 - compressed with fixed Huffman codes
         {
         literal  (7-9 bits, represent code 0..287, excluding 256);
                      // See RFC 1951, table in Paragraph 3.2.6.
         length   (0-5 bits if literal > 256, represent length 3..258);
                      // See RFC 1951, 1st alphabet table in Paragraph 3.2.5.
         data     (of literal bytes if literal < 256);
         distance (5 plus 0-13 extra bits if literal == 257..285, represent
                          distance 1..32768);
                      /* See RFC 1951, 2nd alphabet table in Paragraph 3.2.5,
                       *   but statement in Paragraph 3.2.6. */
                      /* Move backward "distance" bytes in the output stream,
                       * and copy "length" bytes */
         }*           // can be of multiple instances
         literal  (7 bits, all 0, literal == 256, means end of block);
     10 - compressed with dynamic Huffman codes
         HLIT     (5 bits, # of Literal/Length codes - 257, 257-286);
         HDIST    (5 bits, # of Distance codes - 1,         1-32);
         HCLEN    (4 bits, # of Code Length codes - 4,      4 - 19);
         Code Length sequence    ((HCLEN+4)*3 bits)
         /* The following two alphabet tables will be decoded using
          *   the Huffman decoding table which is generated from
          *   the preceeding Code Length sequence. */
         Literal/Length alphabet (HLIT+257 codes)
         Distance alphabet       (HDIST+1 codes)
         // Decoding tables will be built from these alphpabet tables.
         /* The following is similar to that of fixed Huffman codes portion,
          *   except that they use different decoding tables. */
         {
         literal/length
                  (variable length, depending on Literal/Length alphabet);
         data     (of literal bytes if literal < 256);
         distance (variable length if literal == 257..285, depending on
                          Distance alphabet);
         }*           // can be of multiple instances
         literal  (literal value 256, which means end of block);
     11 - reserved (error)
Note that data elements are packed into bytes starting from Least-Significant Bit (LSB) to Most-Significant Bit (MSB), while Huffman codes are packed starting with MSB. Also note that literal value 286-287 and distance codes 30-31 will never actually occur.

With the above data structure in mind and RFC 1951 by hand, it is not too hard to understand inflate_block(). Refer to related paragraphs in RFC 1951 for Huffman coding and alphabet table generation.

For more details, refer to linux/lib/inflate.c, gzip source code (many in-line comments) and related reference materials.


6. linux/arch/i386/kernel/head.S

Resident kernel image linux/vmlinux is in place finally! It requires two inputs:

  • ESI, to indicate where the 16-bit real mode code is located, aka INITSEG<<4;

  • BX, to indicate which CPU is running, 0 means BSP, other values for AP.

ESI points to the parameter area from the 16-bit real mode code, which will be copied to empty_zero_page later. ESI is only valid for BSP.

BSP (BootStrap Processor) and APs (Application Processors) are Intel terminologies. Check IA-32 Manual (Vol.3. Ch.7.5. Multiple-Processor (MP) Initialization) and MultiProcessor Specification for MP intialization issue.

From a software point of view, in a multiprocessor system, BSP and APs share the physical memory but use their own register sets. BSP runs the kernel code first, setups OS execution enviornment and triggers APs to run over it too. AP will be sleeping until BSP kicks it.


6.1. Enable Paging

.text
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 startup_32()
 {
         /* set segments to known values */
         cld;
         DS = ES = FS = GS = __KERNEL_DS;
 
 #ifdef CONFIG_SMP
 #define cr4_bits mmu_cr4_features-__PAGE_OFFSET
         /* long mmu_cr4_features defined in linux/arch/i386/kernel/setup.c
          * __PAGE_OFFSET = 0xC0000000, i.e. 3G */
 
         // AP with CR4 support (> Intel 486) will copy CR4 from BSP
         if (BX && cr4_bits) {
                 // turn on paging options (PSE, PAE, ...)
                 CR4 |= cr4_bits;
         } else
 #endif
         {
                 /* only BSP initializes page tables (pg0..empty_zero_page-1)
                  *   pg0 at .org 0x2000
                  *   empty_zero_page at .org 0x4000
                  *   total (0x4000-0x2000)/4 = 0x0800 entries */
                 pg0 = {
                         0x00000007,             // 7 = PRESENT + RW + USER
                         0x00001007,             // 0x1000 = 4096 = 4K
                         0x00002007,
                         ...
                 pg1:    0x00400007,
                         ...
                         0x007FF007              // total 8M
                 empty_zero_page:
                 };
         }
Why do we have to add "-__PAGE_OFFSET" when referring a kernel symbol, for example, like pg0?

In linux/arch/i386/vmlinux.lds, we have:
  . = 0xC0000000 + 0x100000;
   _text = .;                    /* Text and read-only data */
   .text : {
         *(.text)
 ...
As pg0 is at offset 0x2000 of section .text in linux/arch/i386/kernel/head.o, which is the first file to be linked for linux/vmlinux, it will be at offset 0x2000 in output section .text. Thus it will be located at address 0xC0000000+0x100000+0x2000 after linking.
[root@localhost boot]# nm --defined /boot/vmlinux-2.4.20-28.9 | grep 'startup_32
 \|mmu_cr4_features\|pg0\|\<empty_zero_page\>' | sort
 c0100000 t startup_32
 c0102000 T pg0
 c0104000 T empty_zero_page
 c0376404 B mmu_cr4_features
In protected mode without paging enabled, linear address will be mapped directly to physical address. "movl $pg0-__PAGE_OFFSET,%edi" will set EDI=0x102000, which is equal to the physical address of pg0 (as linux/vmlinux is relocated to 0x100000). Without this "-PAGE_OFFSET" scheme, it will access physical address 0xC0102000, which will be wrong and probably beyond RAM space.

mmu_cr4_features is in .bss section and is located at physical address 0x376404 in the above example.

After page tables are initialized, paging can be enabled.
        // set page directory base pointer, physical address
         CR3 = swapper_pg_dir - __PAGE_OFFSET;
         // paging enabled!
         CR0 |= 0x80000000;      // set PG bit
         goto 1f;                // flush prefetch-queue
 1:
         EAX = &1f;              // address following the next instruction
         goto *(EAX);            // relocate EIP
 1:
         SS:ESP = *stack_start;
Page directory swapper_pg_dir (see definition in Section 6.5), together with page tables pg0 and pg1, defines that both linear address 0..8M-1 and 3G..3G+8M-1 are mapped to physical address 0..8M-1. We can access kernel symbols without "-__PAGE_OFFSET" from now on, because kernel space (resides in linear address >=3G) will be correctly mapped to its physical addresss after paging is enabled.

"lss stack_start,%esp" (SS:ESP = *stack_start) is the first example to reference a symbol without "-PAGE_OFFSET", which sets up a new stack. For BSP, the stack is at the end of init_task_union. For AP, stack_start.esp has been redefined by linux/arch/i386/kernel/smpboot.c:do_boot_cpu() to be "(void *) (1024 + PAGE_SIZE + (char *)idle)" in Section 8.2.

For paging mechanism and data structures, refer to IA-32 Manual Vol.3. (Ch.3.7. Page Translation Using 32-Bit Physical Addressing, Ch.9.8.3. Initializing Paging, Ch.9.9.1. Switching to Protected Mode, and Ch.18.26.3. Enabling and Disabling Paging).


6.2. Get Kernel Parameters

#define OLD_CL_MAGIC_ADDR       0x90020
 #define OLD_CL_MAGIC            0xA33F
 #define OLD_CL_BASE_ADDR        0x90000
 #define OLD_CL_OFFSET           0x90022
 #define NEW_CL_POINTER          0x228   /* Relative to real mode data */
 
 #ifdef CONFIG_SMP
         if (BX) {
                 EFLAGS = 0;             // AP clears EFLAGS
         } else
 #endif
         {
                 // Initial CPU cleans BSS
                 clear BSS;              // i.e. __bss_start .. _end
                 setup_idt() {
                         /* idt_table[256] defined in arch/i386/kernel/traps.c
                          *   located in section .data.idt
                         EAX = __KERNEL_CS << 16 + ignore_int;
                         DX = 0x8E00;    // interrupt gate, dpl = 0, present
                         idt_table[0..255] = {EAX, EDX};
                 }
                 EFLAGS = 0;
                 /*
                  * Copy bootup parameters out of the way. First 2kB of
                  * _empty_zero_page is for boot parameters, second 2kB
                  * is for the command line.
                  */
                 move *ESI (real-mode header) to empty_zero_page, 2KB;
                 clear empty_zero_page+2K, 2KB;
                 ESI = empty_zero_page[NEW_CL_POINTER];
                 if (!ESI) {             // 32-bit command line pointer
                         if (OLD_CL_MAGIC==(uint16)[OLD_CL_MAGIC_ADDR]) {
                                 ESI = [OLD_CL_BASE_ADDR]
                                       + (uint16)[OLD_CL_OFFSET];
                                 move *ESI to empty_zero_page+2K, 2KB;
                         }
                 } else {                // valid in 2.02+
                         move *ESI to empty_zero_page+2K, 2KB;
                 }
         }
 }
For BSP, kernel parameters are copied from memory pointed by ESI to empty_zero_page. Kernel command line will be copied to empty_zero_page+2K if applicable.


6.3. Check CPU Type

Refer to IA-32 Manual Vol.1. (Ch.13. Processor Identification and Feature Determination) on how to identify processor type and processor features.

struct cpuinfo_x86;     // see include/asm-i386/processor.h
 struct cpuinfo_x86 boot_cpu_data;       // see arch/i386/kernel/setup.c
 
 #define CPU_PARAMS      SYMBOL_NAME(boot_cpu_data)
 #define X86             CPU_PARAMS+0
 #define X86_VENDOR      CPU_PARAMS+1
 #define X86_MODEL       CPU_PARAMS+2
 #define X86_MASK        CPU_PARAMS+3
 #define X86_HARD_MATH   CPU_PARAMS+6
 #define X86_CPUID       CPU_PARAMS+8
 #define X86_CAPABILITY  CPU_PARAMS+12
 #define X86_VENDOR_ID   CPU_PARAMS+28
 
 checkCPUtype:
 {
         X86_CPUID = -1;                 // no CPUID
 
         X86 = 3;                        // at least 386
         save original EFLAGS to ECX;
         flip AC bit (0x40000) in EFLAGS;
         if (AC bit not changed) goto is386;
 
         X86 = 4;                        // at least 486
         flip ID bit (0X200000) in EFLAGS;
         restore original EFLAGS;        // for AC & ID flags
         if (ID bit can not be changed) goto is486;
 
         // get CPU info
         CPUID(EAX=0);
         X86_CPUID = EAX;
         X86_VENDOR_ID = {EBX, EDX, ECX};
         if (!EAX) goto is486;
 
         CPUID(EAX=1);
         CL = AL;
         X86 = AH & 0x0f;                // family
         X86_MODEL = (AL & 0xf0) >> 4;   // model
         X86_MASK = CL & 0x0f;           // stepping id
         X86_CAPABILITY = EDX;           // feature

Refer to IA-32 Manual Vol.3. (Ch.9.2. x87 FPU Initialization, and Ch.18.14. x87 FPU) on how to setup x87 FPU.

is486:
         // save PG, PE, ET and set AM, WP, NE, MP
         EAX = (CR0 & 0x80000011) | 0x50022;
         goto 2f;                        // skip "is386:" processing
 is386:
         restore original EFLAGS from ECX;
         // save PG, PE, ET and set MP
         EAX = (CR0 & 0x80000011) | 0x02;
 
         /* ET: Extension Type (bit 4 of CR0).
          * In the Intel 386 and Intel 486 processors, this flag indicates
          * support of Intel 387 DX math coprocessor instructions when set.
          * In the Pentium 4, Intel Xeon, and P6 family processors,
          * this flag is hardcoded to 1.
          *     -- IA-32 Manual Vol.3. Ch.2.5. Control Registers (p.2-14) */
 
 2:      CR0 = EAX;
         check_x87() {
                 /* We depend on ET to be correct.
                  * This checks for 287/387. */
                 X86_HARD_MATH = 0;
                 clts;                   // CR0.TS = 0;
                 fninit;                 // Init FPU;
                 fstsw AX;               // AX = ST(0);
                 if (AL) {
                         CR0 ^= 0x04;    // no coprocessor, set EM
                 } else {
                         ALIGN
 1:                      X86_HARD_MATH = 1;
                         /* IA-32 Manual Vol.3. Ch.18.14.7.14. FSETPM Instruction
                          * inform 287 that processor is in protected mode
                          * 287 only, ignored by 387 */
                         fsetpm;
                 }
         }
 }
Macro ALIGN, defined in linux/include/linux/linkage.h, specifies 16-bytes alignment and fill value 0x90 (opcode for NOP). See also Using as: Assembler Directives for the meaning of directive .align.


6.4. Go Start Kernel

        ready:  .byte 0;        // global variable
 {
         ready++;                // how many CPUs are ready
         lgdt gdt_descr;         // use new descriptor table in safe place
         lidt idt_descr;
         goto __KERNEL_CS:$1f;   // reload segment registers after "lgdt"
 1:      DS = ES = FS = GS = __KERNEL_DS;
 #ifdef CONFIG_SMP
         SS = __KERNEL_DS;       // reload segment only
 #else
         SS:ESP = *stack_start;  /* end of init_task_union, defined
                                  *   in linux/arch/i386/kernel/init_task.c */
 #endif
         EAX = 0;
         lldt AX;
         cld;
 
 #ifdef CONFIG_SMP
         if (1!=ready) {         // not first CPU
                 initialize_secondary();
                 // see linux/arch/i386/kernel/smpboot.c
         } else
 #endif
         {
                 start_kernel(); // see linux/init/main.c
         }
 L6:     goto L6;
 }
The first CPU (BSP) will call linux/init/main.c:start_kernel() and the others (AP) will call linux/arch/i386/kernel/smpboot.c:initialize_secondary(). See start_kernel() in Section 7 and initialize_secondary() in Section 8.4.

init_task_union happens to be the task struct for the first process, "idle" process (pid=0), whose stack grows from the tail of init_task_union. The following is the code related to init_task_union:
ENTRY(stack_start)
         .long init_task_union+8192;
         .long __KERNEL_DS;
 
 #ifndef INIT_TASK_SIZE
 # define INIT_TASK_SIZE 2048*sizeof(long)
 #endif
 
 union task_union {
         struct task_struct task;
         unsigned long stack[INIT_TASK_SIZE/sizeof(long)];
 };
 
 /* INIT_TASK is used to set up the first task table, touch at
  * your own risk! Base=0, limit=0x1fffff (=2MB) */
 union task_union init_task_union
         __attribute__((__section__(".data.init_task"))) =
                 { INIT_TASK(init_task_union.task) };

init_task_union is for BSP "idle" process. Don't confuse it with "init" process, which will be mentioned in Section 7.2.


6.5. Miscellaneous

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 // default interrupt "handler"
 ignore_int() { printk("Unknown interrupt\n"); iret; }
 
 /*
  * The interrupt descriptor table has room for 256 idt's,
  * the global descriptor table is dependent on the number
  * of tasks we can have..
  */
 #define IDT_ENTRIES     256
 #define GDT_ENTRIES     (__TSS(NR_CPUS))
 
 .globl SYMBOL_NAME(idt)
 .globl SYMBOL_NAME(gdt)
 
         ALIGN
         .word 0
 idt_descr:
         .word IDT_ENTRIES*8-1           # idt contains 256 entries
 SYMBOL_NAME(idt):
         .long SYMBOL_NAME(idt_table)
 
         .word 0
 gdt_descr:
         .word GDT_ENTRIES*8-1
 SYMBOL_NAME(gdt):
         .long SYMBOL_NAME(gdt_table)
 
 /*
  * This is initialized to create an identity-mapping at 0-8M (for bootup
  * purposes) and another mapping of the 0-8M area at virtual address
  * PAGE_OFFSET.
  */
 .org 0x1000
 ENTRY(swapper_pg_dir)   // "ENTRY" defined in linux/include/linux/linkage.h
         .long 0x00102007
         .long 0x00103007
         .fill BOOT_USER_PGD_PTRS-2,4,0
         /* default: 766 entries */
         .long 0x00102007
         .long 0x00103007
         /* default: 254 entries */
         .fill BOOT_KERNEL_PGD_PTRS-2,4,0
 
 /*
  * The page tables are initialized to only 8MB here - the final page
  * tables are set up later depending on memory size.
  */
 .org 0x2000
 ENTRY(pg0)
 
 .org 0x3000
 ENTRY(pg1)
 
 /*
  * empty_zero_page must immediately follow the page tables ! (The
  * initialization loop counts until empty_zero_page)
  */
 .org 0x4000
 ENTRY(empty_zero_page)
 
 /*
  * Real beginning of normal "text" segment
  */
 .org 0x5000
 ENTRY(stext)
 ENTRY(_stext)
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 /*
  * This starts the data section. Note that the above is all
  * in the text section because it has alignment requirements
  * that we cannot fulfill any other way.
  */
 .data
 
 ALIGN
 /*
  * This contains typically 140 quadwords, depending on NR_CPUS.
  *
  * NOTE! Make sure the gdt descriptor in head.S matches this if you
  * change anything.
  */
 ENTRY(gdt_table)
         .quad 0x0000000000000000        /* NULL descriptor */
         .quad 0x0000000000000000        /* not used */
         .quad 0x00cf9a000000ffff        /* 0x10 kernel 4GB code at 0x00000000 */
         .quad 0x00cf92000000ffff        /* 0x18 kernel 4GB data at 0x00000000 */
         .quad 0x00cffa000000ffff        /* 0x23 user   4GB code at 0x00000000 */
         .quad 0x00cff2000000ffff        /* 0x2b user   4GB data at 0x00000000 */
         .quad 0x0000000000000000        /* not used */
         .quad 0x0000000000000000        /* not used */
         /*
          * The APM segments have byte granularity and their bases
          * and limits are set at run time.
          */
         .quad 0x0040920000000000        /* 0x40 APM set up for bad BIOS's */
         .quad 0x00409a0000000000        /* 0x48 APM CS    code */
         .quad 0x00009a0000000000        /* 0x50 APM CS 16 code (16 bit) */
         .quad 0x0040920000000000        /* 0x58 APM DS    data */
         .fill NR_CPUS*4,8,0             /* space for TSS's and LDT's */
Macro ALIGN, before idt_descr and gdt_table, is for performance consideration.


7. linux/init/main.c

I felt guilty writing this chapter as there are too many documents about it, if not more than enough. start_kernel() supporting functions are changed from version to version, as they depend on OS component internals, which are being improved all the time. I may not have the time for frequent document updates, so I decided to keep this chapter as simple as possible.


7.1. start_kernel()

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 asmlinkage void __init start_kernel(void)
 {
         char * command_line;
         extern char saved_command_line[];
 /*
  * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then enable them
  */
         lock_kernel();
         printk(linux_banner);
 
         /* Memory Management in Linux, esp. for setup_arch()
          * Linux-2.4.4 MM Initialization */
         setup_arch(&command_line);
         printk("Kernel command line: %s\n", saved_command_line);
 
         /* linux/Documentation/kernel-parameters.txt
          * The Linux BootPrompt-HowTo */
         parse_options(command_line);
 
         trap_init() {
 #ifdef CONFIG_EISA
                 if (isa_readl(0x0FFFD9) == 'E'+('I'<<8)+('S'<<16)+('A'<<24))
                         EISA_bus = 1;
 #endif
 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
                 init_apic_mappings();
 #endif
                 set_xxxx_gate(x, &func);    // setup gates
                 cpu_init();
         }
         init_IRQ();
         sched_init();
         softirq_init() {
                 for (int i=0; i<32: i++)
                         tasklet_init(bh_task_vec+i, bh_action, i);
                 open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action, NULL);
                 open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action, NULL);
         }
         time_init();
 
         /*
          * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
          * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
          * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
          */
         console_init();
 #ifdef CONFIG_MODULES
         init_modules();
 #endif
         if (prof_shift) {
                 unsigned int size;
                 /* only text is profiled */
                 prof_len = (unsigned long) &_etext - (unsigned long) &_stext;
                 prof_len >>= prof_shift;
                 size = prof_len * sizeof(unsigned int) + PAGE_SIZE-1;
                 prof_buffer = (unsigned int *) alloc_bootmem(size);
         }
 
         kmem_cache_init();
         sti();
 
         // BogoMips mini-Howto
         calibrate_delay();
 
         // linux/Documentation/initrd.txt
 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
         if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
                         initrd_start < min_low_pfn << PAGE_SHIFT) {
                 printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "
                     "disabling it.\n",initrd_start,min_low_pfn << PAGE_SHIFT);
                 initrd_start = 0;
         }
 #endif
 
         mem_init();
         kmem_cache_sizes_init();
         pgtable_cache_init();
 
         /*
          * For architectures that have highmem, num_mappedpages represents
          * the amount of memory the kernel can use.  For other architectures
          * it's the same as the total pages.  We need both numbers because
          * some subsystems need to initialize based on how much memory the
          * kernel can use.
          */
         if (num_mappedpages == 0)
                 num_mappedpages =  num_physpages;
 
         fork_init(num_mempages);
         proc_caches_init();
         vfs_caches_init(num_physpages);
         buffer_init(num_physpages);
         page_cache_init(num_physpages);
 #if defined(CONFIG_ARCH_S390)
         ccwcache_init();
 #endif
         signals_init();
 #ifdef CONFIG_PROC_FS
         proc_root_init();
 #endif
 #if defined(CONFIG_SYSVIPC)
         ipc_init();
 #endif
         check_bugs();
         printk("POSIX conformance testing by UNIFIX\n");
 
         /*
          *      We count on the initial thread going ok
          *      Like idlers init is an unlocked kernel thread, which will
          *      make syscalls (and thus be locked).
          */
         smp_init() {
 #ifndef CONFIG_SMP
 #     ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
                 APIC_init_uniprocessor();
 #     else
                 do { } while (0);
 #     endif
 #else
                 /* Check Section 8.2. */
 #endif
         }
 
         rest_init() {
                 // init process, pid = 1
                 kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL);
                 unlock_kernel();
                 current->need_resched = 1;
                 // idle process, pid = 0
                 cpu_idle();     // never return
         }
 }
start_kernel() calls rest_init() to spawn an "init" process and become "idle" process itself.


7.2. init()

"Init" process:
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 static int init(void * unused)
 {
         lock_kernel();
         do_basic_setup();
 
         prepare_namespace();
 
         /*
          * Ok, we have completed the initial bootup, and
          * we're essentially up and running. Get rid of the
          * initmem segments and start the user-mode stuff..
          */
         free_initmem();
         unlock_kernel();
 
         if (open("/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)        // stdin
                 printk("Warning: unable to open an initial console.\n");
 
         (void) dup(0);                                  // stdout
         (void) dup(0);                                  // stderr
 
         /*
          * We try each of these until one succeeds.
          *
          * The Bourne shell can be used instead of init if we are
          * trying to recover a really broken machine.
          */
 
         if (execute_command)
                 execve(execute_command,argv_init,envp_init);
         execve("/sbin/init",argv_init,envp_init);
         execve("/etc/init",argv_init,envp_init);
         execve("/bin/init",argv_init,envp_init);
         execve("/bin/sh",argv_init,envp_init);
         panic("No init found.  Try passing init= option to kernel.");
 }
Refer to "man init" or SysVinit for further information on user-mode "init" process.


7.3. cpu_idle()

"Idle" process:
/*
  * The idle thread. There's no useful work to be
  * done, so just try to conserve power and have a
  * low exit latency (ie sit in a loop waiting for
  * somebody to say that they'd like to reschedule)
  */
 void cpu_idle (void)
 {
         /* endless idle loop with no priority at all */
         init_idle();
         current->nice = 20;
         current->counter = -100;
 
         while (1) {
                 void (*idle)(void) = pm_idle;
                 if (!idle)
                         idle = default_idle;
                 while (!current->need_resched)
                         idle();
                 schedule();
                 check_pgt_cache();
         }
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 void __init init_idle(void)
 {
         struct schedule_data * sched_data;
         sched_data = &aligned_data[smp_processor_id()].schedule_data;
 
         if (current != &init_task && task_on_runqueue(current)) {
                 printk("UGH! (%d:%d) was on the runqueue, removing.\n",
                         smp_processor_id(), current->pid);
                 del_from_runqueue(current);
         }
         sched_data->curr = current;
         sched_data->last_schedule = get_cycles();
         clear_bit(current->processor, &wait_init_idle);
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 void default_idle(void)
 {
         if (current_cpu_data.hlt_works_ok && !hlt_counter) {
                 __cli();
                 if (!current->need_resched)
                         safe_halt();
                 else
                         __sti();
         }
 }
 
 /* defined in linux/include/asm-i386/system.h */
 #define __cli()                 __asm__ __volatile__("cli": : :"memory")
 #define __sti()                 __asm__ __volatile__("sti": : :"memory")
 
 /* used in the idle loop; sti takes one instruction cycle to complete */
 #define safe_halt()             __asm__ __volatile__("sti; hlt": : :"memory")
CPU will resume code execution with the instruction following "hlt" on the return from an interrupt handler.


8. SMP Boot

There are a few SMP related macros, like CONFIG_SMP, CONFIG_X86_LOCAL_APIC, CONFIG_X86_IO_APIC, CONFIG_MULTIQUAD and CONFIG_VISWS. I will ignore code that requires CONFIG_MULTIQUAD or CONFIG_VISWS, which most people don't care (if not using IBM high-end multiprocessor server or SGI Visual Workstation).

BSP executes start_kernel() -> smp_init() -> smp_boot_cpus() -> do_boot_cpu() -> wakeup_secondary_via_INIT() to trigger APs. Check MultiProcessor Specification and IA-32 Manual Vol.3 (Ch.7. Multile-Processor Management, and Ch.8. Advanced Programmable Interrupt Controller) for technical details.


8.1. Before smp_init()

Before calling smp_init(), start_kernel() did something to setup SMP environment:
start_kernel()
 |-- setup_arch()
 |   |-- parse_cmdline_early();  // SMP looks for "noht" and "acpismp=force"
 |   |   `-- /* "noht" disables HyperThreading (2 logical cpus per Xeon) */
 |   |       if (!memcmp(from, "noht", 4)) {
 |   |           disable_x86_ht = 1;
 |   |           set_bit(X86_FEATURE_HT, disabled_x86_caps);
 |   |       }
 |   |       /* "acpismp=force" forces parsing and use of the ACPI SMP table */
 |   |       else if (!memcmp(from, "acpismp=force", 13))
 |   |           enable_acpi_smp_table = 1;
 |   |-- setup_memory();         // reserve memory for MP configuration table
 |   |   |-- reserve_bootmem(PAGE_SIZE, PAGE_SIZE);
 |   |   `-- find_smp_config();
 |   |       `-- find_intel_smp();
 |   |           `-- smp_scan_config();
 |   |               |-- set flag smp_found_config
 |   |               |-- set MP floating pointer mpf_found
 |   |               `-- reserve_bootmem(mpf_found, PAGE_SIZE);
 |   |-- if (disable_x86_ht) {   // if HyperThreading feature disabled
 |   |       clear_bit(X86_FEATURE_HT, &boot_cpu_data.x86_capability[0]);
 |   |       set_bit(X86_FEATURE_HT, disabled_x86_caps);
 |   |       enable_acpi_smp_table = 0;
 |   |   }
 |   |-- if (test_bit(X86_FEATURE_HT, &boot_cpu_data.x86_capability[0]))
 |   |       enable_acpi_smp_table = 1;
 |   |-- smp_alloc_memory();
 |   |   `-- /* reserve AP processor's real-mode code space in low memory */
 |   |       trampoline_base = (void *) alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);
 |   `-- get_smp_config();     /* get boot-time MP configuration */
 |       |-- config_acpi_tables();
 |       |   |-- memset(&acpi_boot_ops, 0, sizeof(acpi_boot_ops));
 |       |   |-- acpi_boot_ops[ACPI_APIC] = acpi_parse_madt;
 |       |   `-- /* Set have_acpi_tables to indicate using
 |       |        * MADT in the ACPI tables; Use MPS tables if failed. */
 |       |       if (enable_acpi_smp_table && !acpi_tables_init())
 |       |           have_acpi_tables = 1;
 |       |-- set pic_mode
 |       |   /* =1, if the IMCR is present and PIC Mode is implemented;
 |       |    * =0, otherwise Virtual Wire Mode is implemented. */
 |       |-- save local APIC address in mp_lapic_addr
 |       `-- scan for MP configuration table entries, like
 |             MP_PROCESSOR, MP_BUS, MP_IOAPIC, MP_INTSRC and MP_LINTSRC.
 |-- trap_init();
 |   `-- init_apic_mappings();   // setup PTE for APIC
 |       |-- /* If no local APIC can be found then set up a fake all
 |       |    * zeroes page to simulate the local APIC and another
 |       |    * one for the IO-APIC. */
 |       |   if (!smp_found_config && detect_init_APIC()) {
 |       |       apic_phys = (unsigned long) alloc_bootmem_pages(PAGE_SIZE);
 |       |       apic_phys = __pa(apic_phys);
 |       |   } else
 |       |       apic_phys = mp_lapic_addr;
 |       |-- /* map local APIC address,
 |       |    *   mp_lapic_addr (0xfee00000) in most case,
 |       |    *   to linear address FIXADDR_TOP (0xffffe000) */
 |       |   set_fixmap_nocache(FIX_APIC_BASE, apic_phys);
 |       |-- /* Fetch the APIC ID of the BSP in case we have a
 |       |    * default configuration (or the MP table is broken). */
 |       |   if (boot_cpu_physical_apicid == -1U)
 |       |       boot_cpu_physical_apicid = GET_APIC_ID(apic_read(APIC_ID));
 |       `-- // map IOAPIC address to uncacheable linear address
 |           set_fixmap_nocache(idx, ioapic_phys);
 |       // Now we can use linear address to access APIC space.
 |-- init_IRQ();
 |   |-- init_ISA_irqs();
 |   |   |-- /* An initial setup of the virtual wire mode. */
 |   |   |   init_bsp_APIC();
 |   |   `-- init_8259A(auto_eoi=0);
 |   `-- setup SMP/APIC interrupt handlers, esp. IPI.
 `-- mem_init();
     `-- /* delay zapping low mapping entries for SMP: zap_low_mappings() */

IPI (InterProcessor Interrupt), CPU-to-CPU interrupt through local APIC, is the mechanism used by BSP to trigger APs.

Be aware that "one local APIC per CPU is required" in an MP-compliant system. Processors do not share APIC local units address space (physical address 0xFEE00000 - 0xFEEFFFFF), but will share APIC I/O units (0xFEC00000 - 0xFECFFFFF). Both address spaces are uncacheable.


8.2. smp_init()

BSP calls start_kernel() -> smp_init() -> smp_boot_cpus() to setup data structures for each CPU and activate the rest APs.
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 static void __init smp_init(void)
 {
         /* Get other processors into their bootup holding patterns. */
         smp_boot_cpus();
         wait_init_idle = cpu_online_map;
         clear_bit(current->processor, &wait_init_idle); /* Don't wait on me! */
 
         smp_threads_ready=1;
         smp_commence() {
                 /* Lets the callins below out of their loop. */
                 Dprintk("Setting commenced=1, go go go\n");
                 wmb();
                 atomic_set(&smp_commenced,1);
         }
 
         /* Wait for the other cpus to set up their idle processes */
         printk("Waiting on wait_init_idle (map = 0x%lx)\n", wait_init_idle);
         while (wait_init_idle) {
                 cpu_relax();    // i.e. "rep;nop"
                 barrier();
         }
         printk("All processors have done init_idle\n");
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 void __init smp_boot_cpus(void)
 {
         // ... something not very interesting :-)
 
         /* Initialize the logical to physical CPU number mapping
          * and the per-CPU profiling router/multiplier */
         prof_counter[0..NR_CPUS-1] = 0;
         prof_old_multiplier[0..NR_CPUS-1] = 0;
         prof_multiplier[0..NR_CPUS-1] = 0;
 
         init_cpu_to_apicid() {
                 physical_apicid_2_cpu[0..MAX_APICID-1] = -1;
                 logical_apicid_2_cpu[0..MAX_APICID-1] = -1;
                 cpu_2_physical_apicid[0..NR_CPUS-1] = 0;
                 cpu_2_logical_apicid[0..NR_CPUS-1] = 0;
         }
 
         /* Setup boot CPU information */
         smp_store_cpu_info(0); /* Final full version of the data */
         printk("CPU%d: ", 0);
         print_cpu_info(&cpu_data[0]);
 
         /* We have the boot CPU online for sure. */
         set_bit(0, &cpu_online_map);
         boot_cpu_logical_apicid = logical_smp_processor_id() {
                 GET_APIC_LOGICAL_ID(*(unsigned long *)(APIC_BASE+APIC_LDR));
         }
         map_cpu_to_boot_apicid(0, boot_cpu_apicid) {
                physical_apicid_2_cpu[boot_cpu_apicid] = 0;
                cpu_2_physical_apicid[0] = boot_cpu_apicid;
         }
 
         global_irq_holder = 0;
         current->processor = 0;
         init_idle();    // will clear corresponding bit in wait_init_idle
         smp_tune_scheduling();
 
         // ... some conditions checked
 
         connect_bsp_APIC();     // enable APIC mode if used to be PIC mode
         setup_local_APIC();
 
         if (GET_APIC_ID(apic_read(APIC_ID)) != boot_cpu_physical_apicid)
                 BUG();
 
         /* Scan the CPU present map and fire up the other CPUs
          *   via do_boot_cpu() */
         Dprintk("CPU present map: %lx\n", phys_cpu_present_map);
         for (bit = 0; bit < NR_CPUS; bit++) {
                 apicid = cpu_present_to_apicid(bit);
                 /* Don't even attempt to start the boot CPU! */
                 if (apicid == boot_cpu_apicid)
                         continue;
                 if (!(phys_cpu_present_map & (1 << bit)))
                         continue;
                 if ((max_cpus >= 0) && (max_cpus <= cpucount+1))
                         continue;
                 do_boot_cpu(apicid);
                 /* Make sure we unmap all failed CPUs */
                 if ((boot_apicid_to_cpu(apicid) == -1) &&
                                 (phys_cpu_present_map & (1 << bit)))
                         printk("CPU #%d not responding - cannot use it.\n",
                                                                 apicid);
         }
 
         // ... SMP BogoMIPS
         // ... B stepping processor warning
         // ... HyperThreading handling
 
         /* Set up all local APIC timers in the system */
         setup_APIC_clocks();
 
         /* Synchronize the TSC with the AP */
         if (cpu_has_tsc && cpucount)
                 synchronize_tsc_bp();
 
 smp_done:
         zap_low_mappings();
 }
 
 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 static void __init do_boot_cpu (int apicid)
 {
         cpu = ++cpucount;
 
         // 1. prepare "idle process" task struct for next AP
 
         /* We can't use kernel_thread since we must avoid to
          * reschedule the child. */
         if (fork_by_hand() < 0)
                 panic("failed fork for CPU %d", cpu);
         /* We remove it from the pidhash and the runqueue
          * once we got the process: */
         idle = init_task.prev_task;
         if (!idle)
                 panic("No idle process for CPU %d", cpu);
 
         /* we schedule the first task manually */
         idle->processor = cpu;
         idle->cpus_runnable = 1 << cpu; // only on this AP!
 
         map_cpu_to_boot_apicid(cpu, apicid) {
                 physical_apicid_2_cpu[apicid] = cpu;
                 cpu_2_physical_apicid[cpu] = apicid;
         }
 
         idle->thread.eip = (unsigned long) start_secondary;
 
         del_from_runqueue(idle);
         unhash_process(idle);
         init_tasks[cpu] = idle;
 
         // 2. prepare stack and code (CS:IP) for next AP
 
         /* start_eip had better be page-aligned! */
         start_eip = setup_trampoline() {
                 memcpy(trampoline_base, trampoline_data,
                         trampoline_end - trampoline_data);
                 /* trampoline_base was reserved in
                  * start_kernel() -> setup_arch() -> smp_alloc_memory(),
                  * and will be shared by all APs (one by one) */
                 return virt_to_phys(trampoline_base);
         }
 
         /* So we see what's up */
         printk("Booting processor %d/%d eip %lx\n", cpu, apicid, start_eip);
         stack_start.esp = (void *) (1024 + PAGE_SIZE + (char *)idle);
         /* this value is used by next AP when it executes
          *   "lss stack_start,%esp" in
          *   linux/arch/i386/kernel/head.S:startup_32(). */
 
         /* This grunge runs the startup process for
          * the targeted processor. */
         atomic_set(&init_deasserted, 0);
         Dprintk("Setting warm reset code and vector.\n");
 
         CMOS_WRITE(0xa, 0xf);
         local_flush_tlb();
         Dprintk("1.\n");
         *((volatile unsigned short *) TRAMPOLINE_HIGH) = start_eip >> 4;
         Dprintk("2.\n");
         *((volatile unsigned short *) TRAMPOLINE_LOW) = start_eip & 0xf;
         Dprintk("3.\n");
         // we have setup 0:467 to start_eip (trampoline_base)
 
         // 3. kick AP to run (AP gets CS:IP from 0:467)
 
         // Starting actual IPI sequence...
         boot_error = wakeup_secondary_via_INIT(apicid, start_eip);
         if (!boot_error) {      // looks OK
                 /* allow APs to start initializing. */
                 set_bit(cpu, &cpu_callout_map);
 
                 /* ... Wait 5s total for a response */
 
                 // bit cpu in cpu_callin_map is set by AP in smp_callin()
                 if (test_bit(cpu, &cpu_callin_map)) {
                         print_cpu_info(&cpu_data[cpu]);
                 } else {
                         boot_error= 1;
                         // marker 0xA5 set by AP in trampoline_data()
                         if (*((volatile unsigned char *)phys_to_virt(8192))
                                         == 0xA5)
                                 /* trampoline started but... */
                                 printk("Stuck ??\n");
                         else
                                 /* trampoline code not run */
                                 printk("Not responding.\n");
                 }
         }
         if (boot_error) {
                 /* Try to put things back the way they were before ... */
                 unmap_cpu_to_boot_apicid(cpu, apicid);
                 clear_bit(cpu, &cpu_callout_map); /* set in do_boot_cpu() */
                 clear_bit(cpu, &cpu_initialized); /* set in cpu_init() */
                 clear_bit(cpu, &cpu_online_map);  /* set in smp_callin() */
                 cpucount--;
         }
 
         /* mark "stuck" area as not stuck */
         *((volatile unsigned long *)phys_to_virt(8192)) = 0;
 }
Don't confuse start_secondary() with trampoline_data(). The former is AP "idle" process task struct EIP value, and the latter is the real-mode code that AP runs after BSP kicks it (using wakeup_secondary_via_INIT()).


8.3. linux/arch/i386/kernel/trampoline.S

This file contains the 16-bit real-mode AP startup code. BSP reserved memory space trampoline_base in start_kernel() -> setup_arch() -> smp_alloc_memory(). Before BSP triggers AP, it copies the trampoline code, between trampoline_data and trampoline_end, to trampoline_base (in do_boot_cpu() -> setup_trampoline()). BSP sets up 0:467 to point to trampoline_base, so that AP will run from here.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 trampoline_data()
 {
 r_base:
         wbinvd;         // Needed for NUMA-Q should be harmless for other
         DS = CS;
         BX = 1;         // Flag an SMP trampoline
         cli;
 
         // write marker for master knows we're running
         trampoline_base = 0xA5A5A5A5;
 
         lidt idt_48;
         lgdt gdt_48;
 
         AX = 1;
         lmsw AX;        // protected mode!
         goto flush_instr;
 flush_instr:
         goto CS:100000; // see linux/arch/i386/kernel/head.S:startup_32()
 }
 
 idt_48:
         .word   0                       # idt limit = 0
         .word   0, 0                    # idt base = 0L
 
 gdt_48:
         .word   0x0800                  # gdt limit = 2048, 256 GDT entries
         .long   gdt_table-__PAGE_OFFSET # gdt base = gdt (first SMP CPU)
 
 .globl SYMBOL_NAME(trampoline_end)
 SYMBOL_NAME_LABEL(trampoline_end)
Note that BX=1 when AP jumps to linux/arch/i386/kernel/head.S:startup_32(), which is different from that of BSP (BX=0). See Section 6.


8.4. initialize_secondary()

Unlike BSP, at the end of linux/arch/i386/kernel/head.S:startup_32() in Section 6.4, AP will call initialize_secondary() instead of start_kernel().

/* Everything has been set up for the secondary
  * CPUs - they just need to reload everything
  * from the task structure
  * This function must not return. */
 void __init initialize_secondary(void)
 {
         /* We don't actually need to load the full TSS,
          * basically just the stack pointer and the eip. */
         asm volatile(
                 "movl %0,%%esp\n\t"
                 "jmp *%1"
                 :
                 :"r" (current->thread.esp),"r" (current->thread.eip));
 }
As BSP called do_boot_cpu() to set thread.eip to start_secondary(), control of AP is passed to this function. AP uses a new stack frame, which was set up by BSP in do_boot_cpu() -> fork_by_hand() -> do_fork().


8.5. start_secondary()

All APs wait for signal smp_commenced from BSP, triggered in Section 8.2 smp_init() -> smp_commence(). After getting this signal, they will run "idle" processes.
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 int __init start_secondary(void *unused)
 {
         /* Dont put anything before smp_callin(), SMP
          * booting is too fragile that we want to limit the
          * things done here to the most necessary things. */
         cpu_init();
         smp_callin();
         while (!atomic_read(&smp_commenced))
                 rep_nop();
         /* low-memory mappings have been cleared, flush them from
          * the local TLBs too. */
         local_flush_tlb();
         return cpu_idle();      // never return, see Section 7.3
 }
cpu_idle() -> init_idle() will clear corresponding bit in wait_init_idle, and finally make BSP finish smp_init() and continue with the following function in start_kernel() (i.e. rest_init()).


A. Kernel Build Example

Here is a kernel build example (in Redhat 9.0). Statements between "/*" and "*/" are in-line comments, not console output.
[root@localhost root]# ln -s /usr/src/linux-2.4.20 /usr/src/linux
 [root@localhost root]# cd /usr/src/linux
 [root@localhost linux]# make xconfig
         /* Create .config
          *   1. "Load Configuration from File" ->
          *        /boot/config-2.4.20-28.9, or whatever you like
          *   2. Modify kernel configuration parameters
          *   3. "Save and Exit" */
 [root@localhost linux]# make oldconfig
         /* Re-check .config, optional */
 [root@localhost linux]# vi Makefile
         /* Modify EXTRAVERSION in linux/Makefile, optional */
 [root@localhost linux]# make dep
         /* Create .depend and more */
 [root@localhost linux]# make bzImage
         /* ... Some output omitted */
 ld -m elf_i386 -T /usr/src/linux-2.4.20/arch/i386/vmlinux.lds -e stext arch/i386
 /kernel/head.o arch/i386/kernel/init_task.o init/main.o init/version.o init/do_m
 ounts.o \
         --start-group \
         arch/i386/kernel/kernel.o arch/i386/mm/mm.o kernel/kernel.o mm/mm.o fs/f
 s.o ipc/ipc.o \
          drivers/char/char.o drivers/block/block.o drivers/misc/misc.o drivers/n
 et/net.o drivers/media/media.o drivers/char/drm/drm.o drivers/net/fc/fc.o driver
 s/net/appletalk/appletalk.o drivers/net/tokenring/tr.o drivers/net/wan/wan.o dri
 vers/atm/atm.o drivers/ide/idedriver.o drivers/cdrom/driver.o drivers/pci/driver
 .o drivers/net/pcmcia/pcmcia_net.o drivers/net/wireless/wireless_net.o drivers/p
 np/pnp.o drivers/video/video.o drivers/net/hamradio/hamradio.o drivers/md/mddev.
 o drivers/isdn/vmlinux-obj.o \
         net/network.o \
         /usr/src/linux-2.4.20/arch/i386/lib/lib.a /usr/src/linux-2.4.20/lib/lib.
 a /usr/src/linux-2.4.20/arch/i386/lib/lib.a \
         --end-group \
         -o vmlinux
 nm vmlinux | grep -v '\(compiled\)\|\(\.o$\)\|\( [aUw] \)\|\(\.\.ng$\)\|\(LASH[R
 L]DI\)' | sort > System.map
 make[1]: Entering directory `/usr/src/linux-2.4.20/arch/i386/boot'
 gcc -E -D__KERNEL__ -I/usr/src/linux-2.4.20/include -D__BIG_KERNEL__ -traditiona
 l -DSVGA_MODE=NORMAL_VGA  bootsect.S -o bbootsect.s
 as -o bbootsect.o bbootsect.s
 bootsect.S: Assembler messages:
 bootsect.S:239: Warning: indirect lcall without `*'
 ld -m elf_i386 -Ttext 0x0 -s --oformat binary bbootsect.o -o bbootsect
 gcc -E -D__KERNEL__ -I/usr/src/linux-2.4.20/include -D__BIG_KERNEL__ -D__ASSEMBL
 Y__ -traditional -DSVGA_MODE=NORMAL_VGA  setup.S -o bsetup.s
 as -o bsetup.o bsetup.s
 setup.S: Assembler messages:
 setup.S:230: Warning: indirect lcall without `*'
 ld -m elf_i386 -Ttext 0x0 -s --oformat binary -e begtext -o bsetup bsetup.o
 make[2]: Entering directory `/usr/src/linux-2.4.20/arch/i386/boot/compressed'
 tmppiggy=_tmp_$$piggy; \
 rm -f $tmppiggy $tmppiggy.gz $tmppiggy.lnk; \
 objcopy -O binary -R .note -R .comment -S /usr/src/linux-2.4.20/vmlinux $tmppigg
 y; \
 gzip -f -9 < $tmppiggy > $tmppiggy.gz; \
 echo "SECTIONS { .data : { input_len = .; LONG(input_data_end - input_data) inpu
 t_data = .; *(.data) input_data_end = .; }}" > $tmppiggy.lnk; \
 ld -m elf_i386 -r -o piggy.o -b binary $tmppiggy.gz -b elf32-i386 -T $tmppiggy.l
 nk; \
 rm -f $tmppiggy $tmppiggy.gz $tmppiggy.lnk
 gcc -D__ASSEMBLY__ -D__KERNEL__ -I/usr/src/linux-2.4.20/include -traditional -c
 head.S
 gcc -D__KERNEL__ -I/usr/src/linux-2.4.20/include -Wall -Wstrict-prototypes -Wno-
 trigraphs -O2 -fno-strict-aliasing -fno-common -fomit-frame-pointer -pipe -mpref
 erred-stack-boundary=2 -march=i686 -DKBUILD_BASENAME=misc -c misc.c
 ld -m elf_i386 -Ttext 0x100000 -e startup_32 -o bvmlinux head.o misc.o piggy.o
 make[2]: Leaving directory `/usr/src/linux-2.4.20/arch/i386/boot/compressed'
 gcc -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -o tools/build tools/buil
 d.c -I/usr/src/linux-2.4.20/include
 objcopy -O binary -R .note -R .comment -S compressed/bvmlinux compressed/bvmlinu
 x.out
 tools/build -b bbootsect bsetup compressed/bvmlinux.out CURRENT > bzImage
 Root device is (3, 67)
 Boot sector 512 bytes.
 Setup is 4780 bytes.
 System is 852 kB
 make[1]: Leaving directory `/usr/src/linux-2.4.20/arch/i386/boot'
 [root@localhost linux]# make modules modules_install
         /* ... Some output omitted */
 cd /lib/modules/2.4.20; \
 mkdir -p pcmcia; \
 find kernel -path '*/pcmcia/*' -name '*.o' | xargs -i -r ln -sf ../{} pcmcia
 if [ -r System.map ]; then /sbin/depmod -ae -F System.map  2.4.20; fi
 [root@localhost linux]# cp arch/i386/boot/bzImage /boot/vmlinuz-2.4.20
 [root@localhost linux]# cp vmlinux /boot/vmlinux-2.4.20
 [root@localhost linux]# cp System.map /boot/System.map-2.4.20
 [root@localhost linux]# cp .config /boot/config-2.4.20
 [root@localhost linux]# mkinitrd /boot/initrd-2.4.20.img 2.4.20
 [root@localhost linux]# vi /boot/grub/grub.conf
         /* Add the following lines to grub.conf:
 title Linux (2.4.20)
         kernel /vmlinuz-2.4.20 ro root=LABEL=/
         initrd /initrd-2.4.20.img
          */

Refer to Kernelnewbies FAQ: How do I compile a kernel and Kernel Rebuild Procedure for more details.

To build the kernel in Debian, also refer to Debian Installation Manual: Compiling a New Kernel, The Debian GNU/Linux FAQ: Debian and the kernel and Debian Reference: The Linux kernel under Debian. Check "zless /usr/share/doc/kernel-package/Problems.gz" if you encounter problems.


B. Internal Linker Script

Without -T (--script=) option specified, ld will use this builtin script to link targets:
[root@localhost linux]# ld --verbose
 GNU ld version 2.13.90.0.18 20030206
   Supported emulations:
    elf_i386
    i386linux
 using internal linker script:
 ==================================================
 /* Script for -z combreloc: combine and sort reloc sections */
 OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386",
               "elf32-i386")
 OUTPUT_ARCH(i386)
 ENTRY(_start)
 SEARCH_DIR("/usr/i386-redhat-linux/lib"); SEARCH_DIR("/usr/lib"); SEARCH_DIR("/u
 sr/local/lib"); SEARCH_DIR("/lib");
 /* Do we need any of these for elf?
    __DYNAMIC = 0;    */
 SECTIONS
 {
   /* Read-only sections, merged into text segment: */
   . = 0x08048000 + SIZEOF_HEADERS;
   .interp         : { *(.interp) }
   .hash           : { *(.hash) }
   .dynsym         : { *(.dynsym) }
   .dynstr         : { *(.dynstr) }
   .gnu.version    : { *(.gnu.version) }
   .gnu.version_d  : { *(.gnu.version_d) }
   .gnu.version_r  : { *(.gnu.version_r) }
   .rel.dyn        :
     {
       *(.rel.init)
       *(.rel.text .rel.text.* .rel.gnu.linkonce.t.*)
       *(.rel.fini)
       *(.rel.rodata .rel.rodata.* .rel.gnu.linkonce.r.*)
       *(.rel.data .rel.data.* .rel.gnu.linkonce.d.*)
       *(.rel.tdata .rel.tdata.* .rel.gnu.linkonce.td.*)
       *(.rel.tbss .rel.tbss.* .rel.gnu.linkonce.tb.*)
       *(.rel.ctors)
       *(.rel.dtors)
       *(.rel.got)
       *(.rel.bss .rel.bss.* .rel.gnu.linkonce.b.*)
     }
   .rela.dyn       :
     {
       *(.rela.init)
       *(.rela.text .rela.text.* .rela.gnu.linkonce.t.*)
       *(.rela.fini)
       *(.rela.rodata .rela.rodata.* .rela.gnu.linkonce.r.*)
       *(.rela.data .rela.data.* .rela.gnu.linkonce.d.*)
       *(.rela.tdata .rela.tdata.* .rela.gnu.linkonce.td.*)
       *(.rela.tbss .rela.tbss.* .rela.gnu.linkonce.tb.*)
       *(.rela.ctors)
       *(.rela.dtors)
       *(.rela.got)
       *(.rela.bss .rela.bss.* .rela.gnu.linkonce.b.*)
     }
   .rel.plt        : { *(.rel.plt) }
   .rela.plt       : { *(.rela.plt) }
   .init           :
   {
     KEEP (*(.init))
   } =0x90909090
   .plt            : { *(.plt) }
   .text           :
   {
     *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
     /* .gnu.warning sections are handled specially by elf32.em.  */
     *(.gnu.warning)
   } =0x90909090
   .fini           :
   {
     KEEP (*(.fini))
   } =0x90909090
   PROVIDE (__etext = .);
   PROVIDE (_etext = .);
   PROVIDE (etext = .);
   .rodata         : { *(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*) }
   .rodata1        : { *(.rodata1) }
   .eh_frame_hdr : { *(.eh_frame_hdr) }
   .eh_frame       : ONLY_IF_RO { KEEP (*(.eh_frame)) }
   .gcc_except_table   : ONLY_IF_RO { *(.gcc_except_table) }
   /* Adjust the address for the data segment.  We want to adjust up to
      the same address within the page on the next page up.  */
   . = ALIGN (0x1000) - ((0x1000 - .) & (0x1000 - 1)); . = DATA_SEGMENT_ALIGN (0x
 1000, 0x1000);
   /* For backward-compatibility with tools that don't support the
      *_array_* sections below, our glibc's crt files contain weak
      definitions of symbols that they reference.  We don't want to use
      them, though, unless they're strictly necessary, because they'd
      bring us empty sections, unlike PROVIDE below, so we drop the
      sections from the crt files here.  */
   /DISCARD/ : {
       */crti.o(.init_array .fini_array .preinit_array)
       */crtn.o(.init_array .fini_array .preinit_array)
   }
   /* Ensure the __preinit_array_start label is properly aligned.  We
      could instead move the label definition inside the section, but
      the linker would then create the section even if it turns out to
      be empty, which isn't pretty.  */
   . = ALIGN(32 / 8);
   PROVIDE (__preinit_array_start = .);
   .preinit_array     : { *(.preinit_array) }
   PROVIDE (__preinit_array_end = .);
   PROVIDE (__init_array_start = .);
   .init_array     : { *(.init_array) }
   PROVIDE (__init_array_end = .);
   PROVIDE (__fini_array_start = .);
   .fini_array     : { *(.fini_array) }
   PROVIDE (__fini_array_end = .);
   .data           :
   {
     *(.data .data.* .gnu.linkonce.d.*)
     SORT(CONSTRUCTORS)
   }
   .data1          : { *(.data1) }
   .tdata          : { *(.tdata .tdata.* .gnu.linkonce.td.*) }
   .tbss           : { *(.tbss .tbss.* .gnu.linkonce.tb.*) *(.tcommon) }
   .eh_frame       : ONLY_IF_RW { KEEP (*(.eh_frame)) }
   .gcc_except_table   : ONLY_IF_RW { *(.gcc_except_table) }
   .dynamic        : { *(.dynamic) }
   .ctors          :
   {
     /* gcc uses crtbegin.o to find the start of
        the constructors, so we make sure it is
        first.  Because this is a wildcard, it
        doesn't matter if the user does not
        actually link against crtbegin.o; the
        linker won't look for a file to match a
        wildcard.  The wildcard also means that it
        doesn't matter which directory crtbegin.o
        is in.  */
     KEEP (*crtbegin.o(.ctors))
     /* We don't want to include the .ctor section from
        from the crtend.o file until after the sorted ctors.
        The .ctor section from the crtend file contains the
        end of ctors marker and it must be last */
     KEEP (*(EXCLUDE_FILE (*crtend.o ) .ctors))
     KEEP (*(SORT(.ctors.*)))
     KEEP (*(.ctors))
   }
   .dtors          :
   {
     KEEP (*crtbegin.o(.dtors))
     KEEP (*(EXCLUDE_FILE (*crtend.o ) .dtors))
     KEEP (*(SORT(.dtors.*)))
     KEEP (*(.dtors))
   }
   .jcr            : { KEEP (*(.jcr)) }
   .got            : { *(.got.plt) *(.got) }
   _edata = .;
   PROVIDE (edata = .);
   __bss_start = .;
   .bss            :
   {
    *(.dynbss)
    *(.bss .bss.* .gnu.linkonce.b.*)
    *(COMMON)
    /* Align here to ensure that the .bss section occupies space up to
       _end.  Align after .bss to ensure correct alignment even if the
       .bss section disappears because there are no input sections.  */
    . = ALIGN(32 / 8);
   }
   . = ALIGN(32 / 8);
   _end = .;
   PROVIDE (end = .);
   . = DATA_SEGMENT_END (.);
   /* Stabs debugging sections.  */
   .stab          0 : { *(.stab) }
   .stabstr       0 : { *(.stabstr) }
   .stab.excl     0 : { *(.stab.excl) }
   .stab.exclstr  0 : { *(.stab.exclstr) }
   .stab.index    0 : { *(.stab.index) }
   .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
   .comment       0 : { *(.comment) }
   /* DWARF debug sections.
      Symbols in the DWARF debugging sections are relative to the beginning
      of the section so we begin them at 0.  */
   /* DWARF 1 */
   .debug          0 : { *(.debug) }
   .line           0 : { *(.line) }
   /* GNU DWARF 1 extensions */
   .debug_srcinfo  0 : { *(.debug_srcinfo) }
   .debug_sfnames  0 : { *(.debug_sfnames) }
   /* DWARF 1.1 and DWARF 2 */
   .debug_aranges  0 : { *(.debug_aranges) }
   .debug_pubnames 0 : { *(.debug_pubnames) }
   /* DWARF 2 */
   .debug_info     0 : { *(.debug_info .gnu.linkonce.wi.*) }
   .debug_abbrev   0 : { *(.debug_abbrev) }
   .debug_line     0 : { *(.debug_line) }
   .debug_frame    0 : { *(.debug_frame) }
   .debug_str      0 : { *(.debug_str) }
   .debug_loc      0 : { *(.debug_loc) }
   .debug_macinfo  0 : { *(.debug_macinfo) }
   /* SGI/MIPS DWARF 2 extensions */
   .debug_weaknames 0 : { *(.debug_weaknames) }
   .debug_funcnames 0 : { *(.debug_funcnames) }
   .debug_typenames 0 : { *(.debug_typenames) }
   .debug_varnames  0 : { *(.debug_varnames) }
 }
 
 
 ==================================================
 [root@localhost linux]# 


C. GRUB and LILO

Both GNU GRUB and LILO understand the real-mode kernel header format and will load the bootsect (one sector), setup code (setup_sects sectors) and compressed kernel image (syssize*16 bytes) into memory. They fill out the loader identifier (type_of_loader) and try to pass appropriate parameters and options to the kernel. After they finish their jobs, control is passed to setup code.


C.1. GNU GRUB

The following GNU GRUB program outline is based on grub-0.93.
stage2/stage2.c:cmain()
 `-- run_menu()
     `-- run_script();
         |-- builtin = find_command(heap);
         |-- kernel_func();              // builtin->func() for command "kernel"
         |   `-- load_image();           // search BOOTSEC_SIGNATURE in boot.c
         |   /* memory from 0x100000 is populated by and in the order of
         |    *   (bvmlinux, bbootsect, bsetup) or (vmlinux, bootsect, setup) */
         |-- initrd_func();              // for command "initrd"
         |   `-- load_initrd();
         `-- boot_func();                // for implicit command "boot"
             `-- linux_boot();           // defined in stage2/asm.S
                 or big_linux_boot();    //   not in grub/asmstub.c!
 
 // In stage2/asm.S
 linux_boot:
         /* copy kernel */
         move system code from 0x100000 to 0x10000 (linux_text_len bytes);
 big_linux_boot:
         /* copy the real mode part */
         EBX = linux_data_real_addr;
         move setup code from linux_data_tmp_addr (0x100000+text_len)
             to linux_data_real_addr (0x9100 bytes);
         /* change %ebx to the segment address */
         linux_setup_seg = (EBX >> 4) + 0x20;
         /* XXX new stack pointer in safe area for calling functions */
         ESP = 0x4000;
         stop_floppy();
         /* final setup for linux boot */
         prot_to_real();
         cli;
         SS:ESP = BX:9000;
         DS = ES = FS = GS = BX;
         /* jump to start, i.e. ljmp linux_setup_seg:0
          * Note that linux_setup_seg is just changed to BX. */
         .byte   0xea
         .word   0
 linux_setup_seg:
         .word   0
 

Refer to "info grub" for GRUB manual.

One reported GNU GRUB bug should be noted if you are porting grub-0.93 and making changes to bsetup.


C.2. LILO

Unlike GRUB, LILO does not check the configuration file when booting system. Tricks happen when lilo is invoked from terminal.

The following LILO program outline is based on lilo-22.5.8.
lilo.c:main()
 |-- cfg_open(config_file);
 |-- cfg_parse(cf_options);
 |-- bsect_open(boot_dev, map_file, install, delay, timeout);
 |   |-- open_bsect(boot_dev);
 |   `-- map_create(map_file);
 |-- cfg_parse(cf_top)
 |   `-- cfg_do_set();
 |       `-- do_image();             // walk->action for "image=" section
 |           |-- cfg_parse(cf_image) -> cfg_do_set();
 |           |-- bsect_common(&descr, 1);
 |           |   |-- map_begin_section();
 |           |   |-- map_add_sector(fallback_buf);
 |           |   `-- map_add_sector(options);
 |           |-- boot_image(name, &descr) or boot_device(name, range, &descr);
 |           |   |-- int fd = geo_open(&descr, name, O_RDONLY);
 |           |   |   read(fd, &buff, SECTOR_SIZE);
 |           |   |   map_add(&geo, 0, image_sectors);
 |           |   |   map_end_section(&descr->start, setup_sects+2+1);
 |           |   |       /* two sectors created in bsect_common(),
 |           |   |        *   another one sector for bootsect */
 |           |   |   geo_close(&geo);
 |           |   `-- fd = geo_open(&descr, initrd, O_RDONLY);
 |           |       map_begin_section();
 |           |       map_add(&geo, 0, initrd_sectors);
 |           |       map_end_section(&descr->initrd,0);
 |           |       geo_close(&geo);
 |           `-- bsect_done(name, &descr);
 `-- bsect_update(backup_file, force_backup, 0); // update boot sector
     |-- make_backup();
     |-- map_begin_section();
     |   map_add_sector(table);
     |   map_write(&param2, keytab, 0, 0);
     |   map_close(&param2, here2);
     |-- // ... perform the relocation of the boot sector
     |-- // ... setup bsect_wr to correct place
     |-- write(fd, bsect_wr, SECTOR_SIZE);
     `-- close(fd);
map_add(), map_add_sector() and map_add_zero() may call map_register() to complete their jobs, while map_register() will keep a list for all (CX, DX, AL) triplets (data structure SECTOR_ADDR) used to identify all registered sectors.

LILO runs first.S and second.S to boot a system. It calls second.S:doboot() to load map file, bootsect and setup code. Then it calls lfile() to load the system code, calls launch2() -> launch() -> cl_wait() -> start_setup() -> start_setup2() and finnaly executes "jmpi 0,SETUPSEG" instruction to run setup code.

Refer to "man lilo" and "man lilo.conf" for LILO details.


D. FAQ

For things that are to be in appropriate chapters, or should be here. /* TODO: */

Оставьте свой комментарий !

Ваше имя:
Комментарий:
Оба поля являются обязательными

 Автор  Комментарий к данной статье