linux0.11boot之head.s

/*
* linux/boot/head.s
*
* (C) 1991 Linus Torvalds
*/

/*
* head.s contains the 32-bit startup code.
*
* NOTE!!! Startup happens at absolute address 0x00000000, which is also where
* the page directory will exist. The startup code will be overwritten by
* the page directory.
*/
/*
* head.s 含有32 位启动代码。
* 注意!!! 32 位启动代码是从绝对地址0x00000000 开始的，这里也同样是页目录将存在的地方，
* 因此这里的启动代码将被页目录覆盖掉。
*/
.text
.globl _idt,_gdt,_pg_dir,_tmp_floppy_area
_pg_dir: # 页目录将会存放在这里。
startup_32: # 18-22 行设置各个数据段寄存器。
movl $0x10,%eax # 对于GNU 汇编来说，每个直接数要以‘$‘开始，否则是表示地址。
# 每个寄存器名都要以‘%‘开头，eax 表示是32 位的ax 寄存器。
# 再次注意!!! 这里已经处于32 位运行模式，因此这里的$0x10 并不是把地址0x10 装入各个
# 段寄存器，它现在其实是全局段描述符表中的偏移值，或者更正确地说是一个描述符表项
# 的选择符。有关选择符的说明请参见setup.s 中193 行下的说明。这里$0x10 的含义是请求
# 特权级0(位0-1=0)、选择全局描述符表(位2=0)、选择表中第2 项(位3-15=2)。它正好指
在当前的Linux 操作系统中，gas 和gld 已经分别更名为as 和ld。
# 向表中的数据段描述符项。（描述符的具体数值参见前面setup.s 中212，213 行）
# 下面代码的含义是：置ds,es,fs,gs 中的选择符为setup.s 中构造的数据段（全局段描述符表
# 的第2 项）=0x10，并将堆栈放置在数据段中的_stack_start 数组内，然后使用新的中断描述
# 符表和全局段描述表.新的全局段描述表中初始内容与setup.s 中的完全一样。
mov %ax,%ds
mov %ax,%es
mov %ax,%fs
mov %ax,%gs
lss _stack_start,%esp # 表示_stack_start??ss:esp，设置系统堆栈。
# stack_start 定义在kernel/sched.c，69 行。
call setup_idt # 调用设置中断描述符表子程序。
call setup_gdt # 调用设置全局描述符表子程序。
movl $0x10,%eax # reload all the segment registers
mov %ax,%ds # after changing gdt. CS was already
mov %ax,%es # reloaded in ‘setup_gdt‘
mov %ax,%fs # 因为修改了gdt，所以需要重新装载所有的段寄存器。
mov %ax,%gs # CS 代码段寄存器已经在setup_gdt 中重新加载过了。
lss _stack_start,%esp
# 32-36 行用于测试A20 地址线是否已经开启。采用的方法是向内存地址0x000000 处写入任意
# 一个数值，然后看内存地址0x100000(1M)处是否也是这个数值。如果一直相同的话，就一直
# 比较下去，也即死循环、死机。表示地址A20 线没有选通，结果内核就不能使用1M 以上内存。
xorl %eax,%eax
1: incl %eax # check that A20 really IS enabled
movl %eax,0x000000 # loop forever if it is not
cmpl %eax,0x100000
je 1b # ‘1b‘表示向后(backward)跳转到标号1 去（33 行）。
# 若是‘5f‘则表示向前(forward)跳转到标号5 去。
/*
* NOTE! 486 should set bit 16, to check for write-protect in supervisor
* mode. Then it would be unnecessary with the "verify_area()"-calls.
* 486 users probably want to set the NE (#5) bit also, so as to use
* int 16 for math errors.
*/
/*
* 注意! 在下面这段程序中，486 应该将位16 置位，以检查在超级用户模式下的写保护,
* 此后"verify_area()"调用中就不需要了。486 的用户通常也会想将NE(#5)置位，以便
* 对数学协处理器的出错使用int 16。
*/
# 下面这段程序（43-65）用于检查数学协处理器芯片是否存在。方法是修改控制寄存器CR0，在
# 假设存在协处理器的情况下执行一个协处理器指令，如果出错的话则说明协处理器芯片不存在，
# 需要设置CR0 中的协处理器仿真位EM（位2），并复位协处理器存在标志MP（位1）。
movl %cr0,%eax # check math chip
andl $0x80000011,%eax # Save PG,PE,ET
/* "orl $0x10020,%eax" here for 486 might be good */
orl $2,%eax # set MP
movl %eax,%cr0
call check_x87
jmp after_page_tables # 跳转到135 行。

/*
* We depend on ET to be correct. This checks for 287/387.
*/
/*
* 我们依赖于ET 标志的正确性来检测287/387 存在与否。
*/
check_x87:
fninit
fstsw %ax
cmpb $0,%al
je 1f /* no coprocessor: have to set bits */
movl %cr0,%eax # 如果存在的则向前跳转到标号1 处，否则改写cr0。
xorl $6,%eax /* reset MP, set EM */
movl %eax,%cr0
ret
.align 2 # 这里".align 2"的含义是指存储边界对齐调整。"2"表示调整到地址最后2 位为零，
# 即按4 字节方式对齐内存地址。
1: .byte 0xDB,0xE4 /* fsetpm for 287, ignored by 387 */ # 287 协处理器码。
ret

/*
* setup_idt
*
* sets up a idt with 256 entries pointing to
* ignore_int, interrupt gates. It then loads
* idt. Everything that wants to install itself
* in the idt-table may do so themselves. Interrupts
* are enabled elsewhere, when we can be relatively
* sure everything is ok. This routine will be over-
* written by the page tables.
*/
/*
* 下面这段是设置中断描述符表子程序 setup_idt
*
* 将中断描述符表idt 设置成具有256 个项，并都指向ignore_int 中断门。然后加载中断
* 描述符表寄存器(用lidt 指令)。真正实用的中断门以后再安装。当我们在其它地方认为一切
* 都正常时再开启中断。该子程序将会被页表覆盖掉。
*/
# 中断描述符表中的项虽然也是8 字节组成，但其格式与全局表中的不同，被称为门描述符
# (Gate Descriptor)。它的0-1,6-7 字节是偏移量，2-3 字节是选择符，4-5 字节是一些标志。
setup_idt:
lea ignore_int,%edx # 将ignore_int 的有效地址（偏移值）值??edx 寄存器
movl $0x00080000,%eax # 将选择符0x0008 置入eax 的高16 位中。
movw %dx,%ax /* selector = 0x0008 = cs */
# 偏移值的低16 位置入eax 的低16 位中。此时eax 含有
#门描述符低4 字节的值。
movw $0x8E00,%dx /* interrupt gate - dpl=0, present */
# 此时edx 含有门描述符高4 字节的值。
lea _idt,%edi # _idt 是中断描述符表的地址。
mov $256,%ecx
rp_sidt:
movl %eax,(%edi) # 将哑中断门描述符存入表中。
movl %edx,4(%edi)
addl $8,%edi # edi 指向表中下一项。
dec %ecx
jne rp_sidt
lidt idt_descr # 加载中断描述符表寄存器值。
ret

/*
* setup_gdt
*
* This routines sets up a new gdt and loads it.
* Only two entries are currently built, the same
* ones that were built in init.s. The routine
* is VERY complicated at two whole lines, so this
* rather long comment is certainly needed :-).
* This routine will beoverwritten by the page tables.
*/
/*
* 设置全局描述符表项 setup_gdt
* 这个子程序设置一个新的全局描述符表gdt，并加载。此时仅创建了两个表项，与前
* 面的一样。该子程序只有两行，“非常的”复杂，所以当然需要这么长的注释了?。
setup_gdt:
lgdt gdt_descr # 加载全局描述符表寄存器(内容已设置好，见232-238 行)。
ret

/*
* I put the kernel page tables right after the page directory,
* using 4 of them to span 16 Mb of physical memory. People with
* more than 16MB will have to expand this.
*/
/* Linus 将内核的内存页表直接放在页目录之后，使用了4 个表来寻址16 Mb 的物理内存。
* 如果你有多于16 Mb 的内存，就需要在这里进行扩充修改。
*/
# 每个页表长为4 Kb 字节，而每个页表项需要4 个字节，因此一个页表共可以存放1000 个表项，
# 如果一个表项寻址4 Kb 的地址空间，则一个页表就可以寻址4 Mb 的物理内存。
# 页表项的格式为：项的前0-11 位存放一些标志，如是否在内存中(P 位0)、读写许可(R/W 位1)、
# 普通用户还是超级用户使用(U/S 位2)、是否修改过(是否脏了)(D 位6)等；表项的位12-31 是
# 页框地址，用于指出一页内存的物理起始地址。
.org 0x1000 # 从偏移0x1000 处开始是第1 个页表（偏移0 开始处将存放页表目录）。
pg0:

.org 0x2000
pg1:

.org 0x3000
pg2:

.org 0x4000
pg3:

.org 0x5000 # 定义下面的内存数据块从偏移0x5000 处开始。
/*
* tmp_floppy_area is used by the floppy-driver when DMA cannot
* reach to a buffer-block. It needs to be aligned, so that it isn‘t
* on a 64kB border.
*/
/* 当DMA（直接存储器访问）不能访问缓冲块时，下面的tmp_floppy_area 内存块
* 就可供软盘驱动程序使用。其地址需要对齐调整，这样就不会跨越64kB 边界。
*/
_tmp_floppy_area:
.fill 1024,1,0 # 共保留1024 项，每项1 字节，填充数值0。

# 下面这几个入栈操作(pushl)用于为调用/init/main.c 程序和返回作准备。
# 前面3 个入栈指令不知道作什么用的，也许是Linus 用于在调试时能看清机器码用的?。
# 139 行的入栈操作是模拟调用main.c 程序时首先将返回地址入栈的操作，所以如果
# main.c 程序真的退出时，就会返回到这里的标号L6 处继续执行下去，也即死循环。
# 140 行将main.c 的地址压入堆栈，这样，在设置分页处理（setup_paging）结束后
# 执行‘ret‘返回指令时就会将main.c 程序的地址弹出堆栈，并去执行main.c 程序去了。
after_page_tables:
pushl $0 # These are the parameters to main :-)
pushl $0 # 这些是调用main 程序的参数（指init/main.c）。
pushl $0
pushl $L6 # return address for main, if it decides to.
pushl $_main # ‘_main‘是编译程序对main 的内部表示方法。
jmp setup_paging # 跳转至第198 行。
L6:
jmp L6 # main should never return here, but
# just in case, we know what happens.

/* This is the default interrupt "handler" :-) */
/* 下面是默认的中断“向量句柄”? */
int_msg:
.asciz "Unknown interrupt\n\r" # 定义字符串“未知中断(回车换行)”。
.align 2 # 按4 字节方式对齐内存地址。
ignore_int:
pushl %eax
pushl %ecx
pushl %edx
push %ds # 这里请注意！！ds,es,fs,gs 等虽然是16 位的寄存器，但入栈后
# 仍然会以32 位的形式入栈，也即需要占用4 个字节的堆栈空间。
push %es
push %fs
movl $0x10,%eax # 置段选择符（使ds,es,fs 指向gdt 表中的数据段）。
mov %ax,%ds
mov %ax,%es
mov %ax,%fs
pushl $int_msg # 把调用printk 函数的参数指针（地址）入栈。
call _printk # 该函数在/kernel/printk.c 中。
# ‘_printk‘是printk 编译后模块中的内部表示法。
popl %eax
pop %fs
pop %es
pop %ds
popl %edx
popl %ecx
popl %eax
iret # 中断返回（把中断调用时压入栈的CPU 标志寄存器（32 位）值也弹出）。


/*
* Setup_paging
*
* This routine sets up paging by setting the page bit
* in cr0. The page tables are set up, identity-mapping
* the first 16MB. The pager assumes that no illegal
* addresses are produced (ie >4Mb on a 4Mb machine).
*
* NOTE! Although all physical memory should be identity
* mapped by this routine, only the kernel page functions
* use the >1Mb addresses directly. All "normal" functions
* use just the lower 1Mb, or the local data space, which
* will be mapped to some other place - mm keeps track of
* that.
*
* For those with more memory than 16 Mb - tough luck. I‘ve
* not got it, why should you :-) The source is here. Change
* it. (Seriously - it shouldn‘t be too difficult. Mostly
* change some constants etc. I left it at 16Mb, as my machine
* even cannot be extended past that (ok, but it was cheap :-)
* I‘ve tried to show which constants to change by having
* some kind of marker at them (search for "16Mb"), but I
* won‘t guarantee that‘s all :-( )
*/
/*
* 这个子程序通过设置控制寄存器cr0 的标志（PG 位31）来启动对内存的分页处理功能，
* 并设置各个页表项的内容，以恒等映射前16 MB 的物理内存。分页器假定不会产生非法的
* 地址映射（也即在只有4Mb 的机器上设置出大于4Mb 的内存地址）。
* 注意！尽管所有的物理地址都应该由这个子程序进行恒等映射，但只有内核页面管理函数能
* 直接使用>1Mb 的地址。所有“一般”函数仅使用低于1Mb 的地址空间，或者是使用局部数据
* 空间，地址空间将被映射到其它一些地方去 -- mm(内存管理程序)会管理这些事的。
* 对于那些有多于16Mb 内存的家伙 - 太幸运了，我还没有，为什么你会有?。代码就在这里，
* 对它进行修改吧。（实际上，这并不太困难的。通常只需修改一些常数等。我把它设置为
* 16Mb，因为我的机器再怎么扩充甚至不能超过这个界限（当然，我的机器很便宜的?）。
* 我已经通过设置某类标志来给出需要改动的地方（搜索“16Mb”），但我不能保证作这些
* 改动就行了??）。
*/
.align 2 # 按4 字节方式对齐内存地址边界。
setup_paging: # 首先对5 页内存（1 页目录 + 4 页页表）清零
movl $1024*5,%ecx /* 5 pages - pg_dir+4 page tables */
xorl %eax,%eax
xorl %edi,%edi /* pg_dir is at 0x000 */
# 页目录从0x000 地址开始。
cld;rep;stosl
# 下面4 句设置页目录中的项，我们共有4 个页表所以只需设置4 项。
# 页目录项的结构与页表中项的结构一样，4 个字节为1 项。参见上面113 行下的说明。
# "$pg0+7"表示：0x00001007，是页目录表中的第1 项。
# 则第1 个页表所在的地址 = 0x00001007 & 0xfffff000 = 0x1000；
# 第1 个页表的属性标志 = 0x00001007 & 0x00000fff = 0x07，表示该页存在、用户可读写。
movl $pg0+7,_pg_dir /* set present bit/user r/w */
movl $pg1+7,_pg_dir+4 /* --------- " " --------- */
movl $pg2+7,_pg_dir+8 /* --------- " " --------- */
movl $pg3+7,_pg_dir+12 /* --------- " " --------- */
# 下面6 行填写4 个页表中所有项的内容，共有：4(页表)*1024(项/页表)=4096 项(0 - 0xfff)，
# 也即能映射物理内存 4096*4Kb = 16Mb。
# 每项的内容是：当前项所映射的物理内存地址 + 该页的标志（这里均为7）。
# 使用的方法是从最后一个页表的最后一项开始按倒退顺序填写。一个页表的最后一项在页表中的
# 位置是1023*4 = 4092。因此最后一页的最后一项的位置就是$pg3+4092。
movl $pg3+4092,%edi # edi??最后一页的最后一项。
movl $0xfff007,%eax /* 16Mb - 4096 + 7 (r/w user,p) */
# 最后1 项对应物理内存页面的地址是0xfff000，
# 加上属性标志7，即为0xfff007.
std # 方向位置位，edi 值递减(4 字节)。
1: stosl /* fill pages backwards - more efficient :-) */
subl $0x1000,%eax # 每填写好一项，物理地址值减0x1000。
jge 1b # 如果小于0 则说明全添写好了。
# 设置页目录基址寄存器cr3 的值，指向页目录表。
xorl %eax,%eax /* pg_dir is at 0x0000 */ # 页目录表在0x0000 处。
movl %eax,%cr3 /* cr3 - page directory start */
# 设置启动使用分页处理（cr0 的PG 标志，位31）
movl %cr0,%eax
orl $0x80000000,%eax # 添上PG 标志。
movl %eax,%cr0 /* set paging (PG) bit */
ret /* this also flushes prefetch-queue */
# 在改变分页处理标志后要求使用转移指令刷新预取指令队列，这里用的是返回指令ret。
# 该返回指令的另一个作用是将堆栈中的main 程序的地址弹出，并开始运行/init/main.c 程序。
# 本程序到此真正结束了。

.align 2 # 按4 字节方式对齐内存地址边界。
.word 0
idt_descr: #下面两行是lidt 指令的6 字节操作数：长度，基址。
.word 256*8-1 # idt contains 256 entries
.long _idt
.align 2
.word 0
gdt_descr: # 下面两行是lgdt 指令的6 字节操作数：长度，基址。
.word 256*8-1 # so does gdt (not that that‘s any
.long _gdt # magic number, but it works for me :^)

.align 3 # 按8 字节方式对齐内存地址边界。
_idt: .fill 256,8,0 # idt is uninitialized # 256 项，每项8 字节，填0。

# 全局表。前4 项分别是空项（不用）、代码段描述符、数据段描述符、系统段描述符，其中
# 系统段描述符linux 没有派用处。后面还预留了252 项的空间，用于放置所创建任务的
# 局部描述符(LDT)和对应的任务状态段TSS 的描述符。
# (0-nul, 1-cs, 2-ds, 3-sys, 4-TSS0, 5-LDT0, 6-TSS1, 7-LDT1, 8-TSS2 etc...)
_gdt: .quad 0x0000000000000000 /* NULL descriptor */
.quad 0x00c09a0000000fff /* 16Mb */ # 代码段最大长度16M。
.quad 0x00c0920000000fff /* 16Mb */ # 数据段最大长度16M。
.quad 0x0000000000000000 /* TEMPORARY - don‘t use */
.fill 252,8,0 /* space for LDT‘s and TSS‘s etc */