Предыдущая [статья](../Booting/linux-bootstrap-6.md) была последней частью главы [процесса загрузки](../Booting/README.md) ядра Linux и теперь мы начинаем погружение в процесс инициализации. После того как образ ядра Linux распакован и помещён в нужное место, ядро начинает свою работу. Все предыдущие части описывают работу кода настройки ядра, который выполняет подготовку до того, как будут выполнены первые байты кода ядра Linux. Теперь мы находимся в ядре, и все части этой главы будут посвящены процессу инициализации ядра, прежде чем оно запустит процесс с помощью [pid](https://en.wikipedia.org/wiki/Process_identifier) `1`. Есть ещё много вещей, который необходимо сделать, прежде чем ядро запустит первый `init` процесс. Мы начнём с точки входа в ядро, которая находится в [arch/x86/kernel/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/kernel/head_64.S) и будем двигаться дальше и дальше. Мы увидим первые приготовления, такие как инициализацию начальных таблиц страниц, переход на новый дескриптор в пространстве ядра и многое другое, прежде чем увидим запуск функции `start_kernel` в [init/main.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/init/main.c#L489).
В последней [части](../Booting/linux-bootstrap-6.md) предыдущей [главы](../Booting/README.md) мы остановились на инструкции [jmp](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/boot/compressed/head_64.S) из ассемблерного файла [arch/x86/boot/compressed/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/boot/compressed/head_64.S):
В данный момент регистр `rax` содержит адрес точки входа в ядро Linux, который был получен в результате вызова функции `decompress_kernel` из файла [arch/x86/boot/compressed/misc.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/boot/compressed/misc.c). Итак, наша последняя инструкция в коде настройки ядра - это переход на точку входа. Мы уже знаем, где она определена, поэтому мы можем начать изучение того, что делает ядро Linux после запуска.
Хорошо, мы получили адрес распакованного образа ядра с помощью функции `decompress_kernel` в регистр `rax`. Как мы уже знаем, начальная точка распакованного образа ядра находится в файле [arch/x86/kernel/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/kernel/head_64.S), а также в его начале можно увидеть следующие определения:
Мы можем видеть определение подпрограммы `startup_64` в секции `__HEAD`, которая является просто макросом, раскрывающимся до определения исполняемой секции `.head.text`:
Определение данной секции расположено в скрипте компоновщика [arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S#L93):
Помимо определения секции `.text` из скрипта компоновщика, мы можем понять виртуальные и физические адреса по умолчанию. Обратите внимание, что адрес `_text` - это счётчик местоположения, определённый как:
для [x86_64](https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64). Определение макроса `__START_KERNEL` находится в заголовочном файле [arch/x86/include/asm/page_types.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/include/asm/page_types.h) и представлен суммой базового виртуального адреса отображения ядра и физического начала:
Теперь мы знаем физические и виртуальные адреса по умолчанию подпрограммы `startup_64`, но для того чтобы узнать фактические адреса, мы должны вычислить их с помощью следующего кода:
Да, он определён как `0x1000000`, но может быть другим, например, если включён [kASLR](https://en.wikipedia.org/wiki/Address_space_layout_randomization#Linux). Поэтому наша текущая цель - вычислить разницу между `0x1000000` и тем, где мы действительно загружены. Мы просто помещаем `rip-относительный` адрес в регистр `rbp`, а затем вычитаем из него `$_text - __START_KERNEL_map`. Мы знаем, что скомпилированный виртуальный адрес `_text` равен `0xffffffff81000000`, а физический - `0x1000000`. `__START_KERNEL_map` расширяется до адреса `0xffffffff80000000`, поэтому во второй строке ассемблерного кода мы получим следующее выражение:
После вычисления регистр `rbp` будет содержать `0`, который представляет разницу между адресом где мы фактически загрузились, и адресом где был скомпилирован код. В нашем случае `ноль` означает, что ядро Linux было загружено по дефолтному адресу и [kASLR](https://en.wikipedia.org/wiki/Address_space_layout_randomization#Linux) отключён.
Мы сравниваем нижнюю часть регистра `rbp`с дополняемым значением `PMD_PAGE_MASK`. `PMD_PAGE_MASK` указывает маску для `промежуточного каталога страниц` (см. [страничную организацию памяти](../Theory/linux-theory-1.md)) и определён как:
Размер `PMD_PAGE_SIZE` можно легко вычислить - он составляет `2` мегабайта. Здесь мы используем стандартную формулу для проверки выравнивания, и если адрес `text` не выровнен по `2` мегабайтам, то переходим на метку `bad_address`.
Все адреса: `early_level4_pgt`, `level3_kernel_pgt` и другие могут быть некорректными, если `startup_64` не равен адресу по умолчанию - `0x1000000`. Регистр `rbp` содержит разницу адресов, поэтому мы добавляем его к `early_level4_pgt`, `level3_kernel_pgt` и `level2_fixmap_pgt`. Давайте попробуем понять, что означают эти метки. Прежде всего посмотрим на их определение:
Выглядит сложно, но на самом деле это не так. Прежде всего, давайте посмотрим на `early_level4_pgt`. Он начинается с (4096 - 8) нулевых байтов, это означает, что мы не используем первые `511` записей. После этого мы видим одну запись `level3_kernel_pgt`. Обратите внимание на то, что мы вычитаем из него `__START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE`. Как известно, `__START_KERNEL_map` является базовым виртуальным адресом сегмента кода ядра, поэтому, если мы вычтем `__START_KERNEL_map`, мы получим физический адрес `level3_kernel_pgt`. Теперь давайте посмотрим на `_PAGE_TABLE`, это просто права доступа к странице:
`level3_kernel_pgt` хранит две записи, которые отображают пространство ядра. В начале его определения мы видим, что он заполнен нулями `L3_START_KERNEL` или `510` раз. `L3_START_KERNEL` - это индекс в верхнем каталоге страниц, который содержит адрес `__START_KERNEL_map` и равен `510`. После этого мы можем видеть определение двух записей `level3_kernel_pgt`: `level2_kernel_pgt` и `level2_fixmap_pgt`. Первая очень проста - это запись в таблице страниц, которая содержит указатель на промежуточный каталог страниц, который отображает пространство ядра и содержит права доступа:
Второй - `level2_fixmap_pgt` - это виртуальные адреса, которые могут ссылаться на любые физические адреса даже в пространстве ядра. Они представлены одной записью `level2_fixmap_pgt` и "дырой" в `10` мегабайт для отображения [vsyscalls](https://lwn.net/Articles/446528/). `level2_kernel_pgt` вызывает макрос `PDMS`, который выделяет `512` мегабайт из `__START_KERNEL_map` для сегмента ядра `.text` (после этого `512` мегабайт будут модулем пространства памяти).
После того как мы увидели определения этих символов, вернёмся к коду, описанному в начале раздела. Вы должны помнить, что регистр `rbp` содержит разницу между адресом символа `startup_64`, который был получен во время [компоновки](https://en.wikipedia.org/wiki/Linker_%28computing%29) ядра, и фактическим адреса. Итак, на данный момент нам просто нужно добавить эту разницу к базовому адресу некоторых записей таблицы страниц, чтобы получить корректные адреса. В нашем случае это записи:
последняя запись `early_level4_pgt` является каталогом `level3_kernel_pgt`, последние две записи `level3_kernel_pgt` являются каталогами `level2_kernel_pgt` и `level2_fixmap_pgt` соответственно, и 507 запись `level2_fixmap_pgt` является каталогом `level1_fixmap_pgt`.
Обратите внимание, что мы не исправили базовый адрес `early_level4_pgt` и некоторых других каталогов таблицы страниц, потому что мы увидим это во время построения/заполнения структур для этих таблиц страниц. После исправления базовых адресов таблиц страниц, мы можем приступить к их построению.
Теперь мы можем увидеть настройку отображения "один в один" начальных таблиц страниц. В страничной организации с отображением "один в один", виртуальные адреса сопоставляются с физическими адресами, которые имеют одно и то же значение, `один в один`. Давайте рассмотрим это подробнее. Прежде всего, мы получаем `rip-относительные` адреса `_text` и `_early_level4_pgt` и помещаем их в регистры `rdi` и `rbx`:
После этого мы сохраняем адрес `_text` в регистр `rax` и получаем индекс записи глобального каталога страниц, который хранит адрес `_text`, путём сдвига адреса `_text` на `PGDIR_SHIFT`:
где `PGDIR_SHIFT` равен `39`. `PGDIR_SHFT` указывает маску для битов глобального каталога страниц в виртуальном адресе. Существуют макросы для всех типов каталогов страниц:
После этого мы помещаем адрес первой записи таблицы страниц `early_dynamic_pgts` в регистр `rdx`с правами доступа `_KERNPG_TABLE` (см. выше) и заполняем `early_level4_pgt` двумя записями `early_dynamic_pgts`:
Регистр `rbx` содержит адрес `early_level4_pgt` и здесь `%rax * 8` - это индекс глобального каталога страниц, занятого адресом `_text`. Итак, здесь мы заполняем две записи `early_level4_pgt` адресами двух записей `early_dynamic_pgts`, который связан с`_text`. `early_dynamic_pgts` является массивом массивов:
После этого мы добавляем `4096` (размер `early_level4_pgt`) в регистр `rdx` (теперь он содержит адрес первой записи `early_dynamic_pgts`) и помещаем значение регистра `rdi` (теперь он содержит физический адрес `_text`) в регистр `rax`. Далее мы смещаем адрес `_text` на `PUD_SHIFT`, чтобы получить индекс записи из верхнего каталога страниц, который содержит этот адрес, и очищаем старшие биты, для того чтобы получить только связанную с`pud` часть:
Поскольку у нас есть индекс верхнего каталога таблиц страниц, мы записываем два адреса второй записи массива `early_dynamic_pgts` в первую запись временного каталога страниц:
На следующем шаге мы выполняем ту же операцию для последнего каталога таблиц страниц, но заполняем не две записи, а все, чтобы охватить полный размер ядра.
На данный момент это всё. Наша ранняя страничная структура настроена и нам нужно совершить последнее приготовление, прежде чем мы перейдём к коду на C и к точке входа в ядро.
После перехода на метку `1` мы включаем `PAE`, `PGE` (Paging Global Extension) и помещаем содержимое `phys_base` (см. выше) в регистр `rax` и заполняем регистр `cr3`:
Мы помещаем значение `0x80000001` в `eax` и выполняем инструкцию `cpuid` для получения расширенной информации о процессоре и битах. Полученный результат находится в регистре `edx`, который мы помещаем в `edi`.
Здесь мы не увидим все поля, но узнаем об этих и других `MSR` в специальной части. Когда мы считываем `EFER` в `edx:eax`, мы проверяем `_EFER_SCE` или нулевой бит, являющийся `System Call Extensions`с инструкцией `btsl` и устанавливаем его в единицу. С помощью бита `SCE` мы включаем инструкции `SYSCALL` и `SYSRET`. На следующем шаге мы проверяем 20 бит в регистре `edi`, который хранит результат `cpuid` (см. выше). Если `20` бит установлен (бит `NX`), мы просто записываем `EFER_SCE` в моделезависимый регистр.
Если бит [NX](https://en.wikipedia.org/wiki/NX_bit) поддерживается, мы включаем `_EFER_NX` и записываем в него с помощью инструкции `wrmsr`. После того как бит [NX](https://en.wikipedia.org/wiki/NX_bit) установлен, мы устанавливаем некоторые биты в [регистре управления](https://en.wikipedia.org/wiki/Control_register) `cr0`, а именно:
Мы уже знаем, что для запуска любого кода и даже большего количества [C](https://en.wikipedia.org/wiki/C_%28programming_language%29) кода из ассемблера, нам необходимо настроить стек. Как всегда, мы делаем это путём установки [указателя стека](https://en.wikipedia.org/wiki/Stack_register) на корректное место в памяти и сброса [регистра флагов](https://en.wikipedia.org/wiki/FLAGS_register):
Самое интересное здесь - `initial_stack`. Этот символ определён в файле [arch/x86/kernel/head_64.S](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/kernel/head_64.S) и выглядит следующим образом:
Макрос `GLOBAL` нам уже знаком. Он определён в файле [arch/x86/include/asm/linkage.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/include/asm/linkage.h) и раскрывается до `глобального` определения символа:
Макрос `THREAD_SIZE` определён в [arch/x86/include/asm/page_64_types.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/include/asm/page_64_types.h) и зависит от значения макроса `KASAN_STACK_ORDER`:
когда [kasan](http://lxr.free-electrons.com/source/Documentation/kasan.txt) отключён, а`PAGE_SIZE` равен `4096` байтам. Таким образом, `THREAD_SIZE` будет раскрыт до `16` килобайт и представляет собой размер стека потока. Почему `потока`? Возможно, вы уже знаете, что каждый [процесс](https://en.wikipedia.org/wiki/Process_%28computing%29) может иметь [родительские](https://en.wikipedia.org/wiki/Parent_process) и [дочерние](https://en.wikipedia.org/wiki/Child_process) процессы. На самом деле родительский и дочерний процесс различаются в стеке. Для нового процесса выделяется новый стек ядра. В ядре Linux этот стек представлен [объединением (union)](https://en.wikipedia.org/wiki/Union_type#C.2FC.2B.2B) со структурой `thread_info`.
Как мы видим, `init_thread_union` представлен [объединением](https://en.wikipedia.org/wiki/Union_type#C.2FC.2B.2B) `thread_union`. Раньше это объединение выглядело следующим образом:
но начиная с версии `4.9-rc1``thread_info` была перемещена в структуру `task_struct`, представляющую потоки. На данный момент `thread_union` выглядит так:
где `CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK` - параметр конфигурации ядра, включённый для архитектуры `x86_64`. Поскольку в этой книге мы рассматриваем только архитектуру `x86_64`, экземпляр `thread_union` будет содержать только стек, а структура `thread_info` будет помещена в `task_struct`.
где символ `initial_stack` указывает на начало массива `thread_union.stack` + `THREAD_SIZE`, который равен 16 килобайтам и - 8 байт. Здесь нам нужно вычесть `8` байт в верхней части стека. Это необходимо для обеспечения незаконного доступа следующей страницы памяти.
После настройки начального загрузочного стека, необходимо обновить [глобальную таблицу дескрипторов](https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Descriptor_Table) с помощью инструкции `lgdt`:
Это необходимо, поскольку теперь ядро работает в нижних адресах пользовательского пространства, но вскоре ядро будет работать в своём собственном пространстве. Теперь давайте посмотрим на определение `early_gdt_descr`. Глобальная таблица дескриптор содержит `32` записи:
в файле [arch/x86/include/asm/desc.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/include/asm/desc.h). Она содержит одно поле `gdt`, которое является массивом структур `desc_struct`:
и представляет собой знакомый нам дескриптор `GDT`. Также мы можем отметить, что структура `gdt_page` выровнена по `PAGE_SIZE`, равному `4096` байтам. Это значит, что `gdt` займёт одну страницу. Теперь попробуем понять, что такое `INIT_PER_CPU_VAR`. `INIT_PER_CPU_VAR` это макрос, определённый в [arch/x86/include/asm/percpu.h](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/include/asm/percpu.h), который просто совершает конкатенацию `init_per_cpu__`с заданным параметром:
После того, как макрос `INIT_PER_CPU_VAR` будет раскрыт, мы будем иметь `init_per_cpu__gdt_page`. Мы можем видеть это в [скрипте компоновщика](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S):
После того как макросы `INIT_PER_CPU_VAR` и `INIT_PER_CPU` будут раскрыты до `init_per_cpu__gdt_page` мы получим смещение от `__per_cpu_load`. После этих расчётов мы получим корректный базовый адрес нового `GDT`.
Переменные, локальные для каждого процессора (`per-CPU variables`), являются особенностью ядра версии 2.6. Вы уже можете понять что это, исходя из названия. Когда мы создаём `per-CPU` переменную, каждый процессор будет иметь свою собственную копию этой переменной. Здесь мы создаём `per-CPU` переменную `gdt_page`. Существует много преимуществ для переменных этого типа, например, нет блокировок, поскольку каждый процессор работает со своей собственной копией переменной и т.д. Таким образом, каждое ядро на многопроцессорной машине будет иметь свою собственную таблицу `GDT` и каждая запись в таблице будет представлять сегмент памяти, к которому можно получить доступ из потока, который запускался на ядре. Подробнее о`per-CPU` переменных можно почитать в статье [Concepts/linux-cpu-1](../Concepts/linux-cpu-1.md).
После всех этих шагов мы настраиваем регистр `gs`, указывающий на `irqstack`, который представляет собой специальный стек для обработки [прерываний](https://en.wikipedia.org/wiki/Interrupt):
Нам необходимо поместить `MSR_GS_BASE` в регистр `ecx` и загрузить данные из `eax` и `edx` (которые указывают на `initial_gs`) с помощью инструкции `wrmsr`. Мы не используем регистры сегментов `cs`, `fs`, `ds` и `ss` для адресации в 64-битном режиме, но могут использоваться регистры `fs` и `gs`. `fs` и `gs` имеют скрытую часть (как мы видели в режиме реальных адресов для `cs`) и эта часть содержит дескриптор, который отображён на [моделезависимый регистр](https://en.wikipedia.org/wiki/Model-specific_register). Таким образом, выше мы можем видеть `0xc0000101` - это MSR-адрес `gs.base`. Когда произошёл [системный вызов](https://en.wikipedia.org/wiki/System_call) или [прерывание](https://en.wikipedia.org/wiki/Interrupt), в точке входа нет стека ядра, поэтому значение `MSR_GS_BASE` будет хранить адрес стека прерываний.
На следующем шаге мы помещаем адрес структуры параметров загрузки режима реальных адресов в регистр `rdi` (напомним, что `rsi` содержит указатель на эту структуру с самого начала) и переходим к коду на C:
Здесь мы помещаем адрес `initial_code` в `rax` и помещаем фейковый адрес `__KERNEL_CS` и адрес `initial_code` в стек. После этого мы видим инструкцию `lretq`, означающую что после неё адрес возврата будет извлечён из стека (теперь это адрес `initial_code`) и будет совершён переход по нему. `initial_code` определён в том же файле исходного кода и выглядит следующим образом:
Как мы видим `initial_code` содержит адрес `x86_64_start_kernel`, определённой в [arch/x86/kerne/head64.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/arch/x86/kernel/head64.c):
Мы увидим последние приготовления, прежде чем сможем перейти к "точке входа в ядро" - к функции `start_kernel` в файле [init/main.c](https://github.com/torvalds/linux/blob/16f73eb02d7e1765ccab3d2018e0bd98eb93d973/init/main.c#L489).
например, виртуальные адреса пространства модулей не меньше, чем базовый адрес кода ядра (`__STAT_KERNEL_map`), код ядра с модулями не меньше образа ядра и т.д. `BUILD_BUG_ON` является макросом и выглядит следующим образом:
Давайте попробуем понять, как работает этот трюк. Возьмём, например, первое условие: `MODULES_VADDR < __START_KERNEL_map`. `!!conditions` тоже самое что и `condition != 0`. Таким образом, если `MODULES_VADDR < __START_KERNEL_map` истинно, мы получим `1` в `!!(condition)` или ноль, если ложно. После `2*!!(condition)` мы получим или `2` или `0`. В конце вычислений мы можем получить два разных поведения:
*У нас будет ошибка компиляции, поскольку мы попытаемся получить размер `char` массива с отрицательным индексом (вполне возможно, но в нашем случае `MODULES_VADDR` не может быть меньше `__START_KERNEL_map`);
На следующем шаге мы видим вызов функции `cr4_init_shadow`, которая сохраняет копии `cr4` для каждого процессора. Переключения контекста могут изменять биты в `cr4`, поэтому нам нужно сохранить `cr4` для каждого процессора. После этого происходит вызов функции `reset_early_page_tables`, которая сбрасывает все записи глобального каталога страниц и записывает новый указатель на PGT в `cr3`:
Вскоре мы создадим новые таблицы страниц. Далее в цикле мы проходим по всему глобальному каталогу страниц (`PTRS_PER_PGD` равен `512`) и обнуляем его. После этого мы устанавливаем `next_early_pgt` в ноль (подробнее об этом в следующей статье) и записываем физический адрес `early_level4_pgt` в `cr3`. `__pa_nodebug` - макрос, который выглядит следующим образом:
После этого мы очищаем `_bss` от `__bss_stop` до `__bss_start` и следующим шагом будет настройка начальных обработчиков `IDT`. Это большой раздел, поэтому мы увидим его в следующей статье.
**От переводчика: пожалуйста, имейте в виду, что английский - не мой родной язык, и я очень извиняюсь за возможные неудобства. Если вы найдёте какие-либо ошибки или неточности в переводе, пожалуйста, пришлите pull request в [linux-insides-ru](https://github.com/proninyaroslav/linux-insides-ru).**