linux-insides/Booting/linux-bootstrap-3.md

Процесс загрузки ядра. Часть 3.

Инициализация видеорежима и переход в защищённый режим

Это третья часть серии Процесса загрузки ядра. В предыдущей части мы остановились прямо перед вызовом функции set_video из main.c. В этой части мы увидим:

• Инициализацию видеорежима в коде настройки ядра,
• подготовка перед переключением в защищённый режим,
• переход в защищённый режим

ПРИМЕЧАНИЕ Если вы ничего не знаете о защищённом режиме, вы можете найти некоторую информацию о нём в предыдущей части. Также есть несколько ссылок, которые могут помочь вам.

Как я уже писал ранее, мы будем начинать с функции set_video, которая определена в arch/x86/boot/video.c. Как мы можем видеть, она начинает работу с получения видеорежима из структуры boot_params.hdr:

u16 mode = boot_params.hdr.vid_mode;

которую мы заполнили в функции copy_boot_params (вы можете прочитать об этом в предыдущем посте). vid_modeявляется обязательным полем, которое заполняется загрузчиком. Вы можете найти информацию об этом в протоколе загрузки ядра:

Offset	Proto	Name		Meaning
/Size
01FA/2	ALL	    vid_mode	Video mode control

Как мы можем прочесть из протокола загрузки ядра Linux:

vga=<mode>
	<mode> here is either an integer (in C notation, either
	decimal, octal, or hexadecimal) or one of the strings
	"normal" (meaning 0xFFFF), "ext" (meaning 0xFFFE) or "ask"
	(meaning 0xFFFD).  This value should be entered into the
	vid_mode field, as it is used by the kernel before the command
	line is parsed.

Таким образом, мы можем добавить параметр vga в конфигурационный файл GRUB или любого другого загрузчика и он передаст его в командную строку ядра. Как говорится в описании, этот параметр может иметь разные значения. Например, это может быть целым числом 0xFFFD или ask. Если передать ask в vga, вы увидите примерно такое меню:

которое попросит выбрать видеорежим. Мы посмотрим на его реализацию, но перед этим рассмотрим некоторые другие вещи.

Типы данных ядра

Ранее мы видели определения различных типов данных в коде настройки ядра, таких как u16 и т.д. Давайте взглянем на несколько типов данных, предоставляемых ядром:

Тип	char	short	int	long	u8	u16	u32	u64
Размер	1	2	4	8	1	2	4	8

Во время чтения исходного кода ядра вы будете часто встречать эти типы, так что было бы неплохо запомнить их.

API кучи

После того как мы получим vid_mode из boot_params.hdr в функции set_video, мы можем видеть вызов RESET_HEAP. RESET_HEAP представляет собой макрос, определённый в boot.h:

#define RESET_HEAP() ((void *)( HEAP = _end ))

Если вы читали вторую часть, то помните, что мы инициализировали кучу с помощью функции init_heap. У нас есть несколько полезных функций для кучи, которые определены в boot.h:

#define RESET_HEAP()

Как мы видели чуть выше, он сбрасывает кучу, установив переменную HEAP в _end, где _end просто extern char _end[];

Следующий макрос - GET_HEAP:

#define GET_HEAP(type, n) \
	((type *)__get_heap(sizeof(type),__alignof__(type),(n)))

для выделения кучи. Он вызывает внутреннюю функцию __get_heap с тремя параметрами:

• размер типа в байтах, который должен быть выделен
• __alignof__(type) показывает, как переменные этого типа выровнены
• n говорит о том, сколько элементов нужно выделить

Реализация __get_heap:

static inline char *__get_heap(size_t s, size_t a, size_t n)
{
	char *tmp;

	HEAP = (char *)(((size_t)HEAP+(a-1)) & ~(a-1));
	tmp = HEAP;
	HEAP += s*n;
	return tmp;
}

и в дальнейшем мы увидим её использование, что-то вроде:

saved.data = GET_HEAP(u16, saved.x * saved.y);

Давайте попробуем понять принцип работы __get_heap. Мы видим, что HEAP (который равен _end после RESET_HEAP()) является адресом выровненной памяти в соответсвии с параметром a. После этого мы сохраняем адрес памяти HEAP в переменную tmp, перемещаем HEAP в конец выделенного блока и возвращаем tmp, который является начальным адресом выделенной памяти.

И последняя функция:

static inline bool heap_free(size_t n)
{
	return (int)(heap_end - HEAP) >= (int)n;
}

которая вычитает значение HEAP из heap_end (мы вычисляли это в предыдущей части) и возвращает 1, если имеется достаточно памяти для n.

На этом всё. Теперь у нас есть простой API для кучи и можем перейти к настройке видеорежима.

Настройка видеорежима

Теперь мы можем перейти непосредственно к инициализации видеорежима. Мы остановились на вызове RESET_HEAP() в функции set_video. Далее идёт вызов store_mode_params который хранит параметры видеорежима в структуре boot_params.screen_info, определённой в include/uapi/linux/screen_info.h.

Если мы посмотрим на функцию store_mode_params, то увидим что она начинается с вызова store_cursor_position. Как вы можете понять из названия функции, она получает информацию о курсоре и сохраняет её.

В первую очередь store_cursor_position инициализирует две переменные, которые имеют тип biosregs с AH = 0x3, и вызывает BIOS прерывание 0x10. После того, как прерывание успешно выполнено, она возвращает строку и столбец в регистрах DL и DH. Строка и столбец будут сохранены в полях orig_x и orig_y структуры boot_params.screen_info.

После выполнения store_cursor_position вызывается функция store_video_mode. Она просто получает текущий видеорежим и сохраняет его в boot_params.screen_info.orig_video_mode.

После этого, она проверяет текущий видеорежим и устанавливает video_segment. После того, как BIOS передаёт контроль в загрузочный сектор, для видеопамяти выделяются следующие адреса:

0xB000:0x0000 	32 Кб   Видеопамять для монохромного текста
0xB800:0x0000 	32 Кб   Видеопамять для цветного текста

Таким образом, мы устанавливаем переменную video_segment в 0xB000, если текущий видеорежим MDA, HGC, или VGA в монохромном режиме и в 0xB800, если текущий видеорежим цветной. После настройки адреса видеофрагмента, размер шрифта должен быть сохранён в boot_params.screen_info.orig_video_points:

set_fs(0);
font_size = rdfs16(0x485);
boot_params.screen_info.orig_video_points = font_size;

В первую очередь мы устанавливаем регистр FS в 0 с помощью функции set_fs. В предыдущей части мы уже видели такие функции, как set_fs. Все они определены в boot.h. Далее мы читаем значение, которое находится по адресу 0x485 (эта область памяти используется для получения размера шрифта) и сохраняет размер шрифта boot_params.screen_info.orig_video_points.

 x = rdfs16(0x44a);
 y = (adapter == ADAPTER_CGA) ? 25 : rdfs8(0x484)+1;

Далее мы получаем количество столбцов по адресу 0x44a и строк по адресу 0x484 и сохраняем их в boot_params.screen_info.orig_video_cols и boot_params.screen_info.orig_video_lines. После этого выполнение store_mode_params завершается.

Далее мы видим функцию save_screen, которая просто сохраняет содержимое экрана в куче. Эта функция собирает все данные, которые мы получили в предыдущей функции, такие как количество строк и столбцов и т.д, и сохраняет их в структуре saved_screen, которая определена как:

static struct saved_screen {
	int x, y;
	int curx, cury;
	u16 *data;
} saved;

Затем она проверяет, есть ли свободное место в куче:

if (!heap_free(saved.x*saved.y*sizeof(u16)+512))
		return;

и если места в куче достаточно, выделяет его и сохраняет в нём saved_screen.

Следующий вызов - probe_cards(0) из arch/x86/boot/video-mode.c. Она проходит по всем video_cards и собирает количество режимов, предоставляемых картой. Здесь интересный момент, мы можем видеть цикл:

for (card = video_cards; card < video_cards_end; card++) {
  /* Здесь собираем количество режимов */
}

но video_cards не объявлена где угодно. Ответ прост: каждый видеорежим, представленный в x86-коде настройки ядра, определён следующим образом:

static __videocard video_vga = {
	.card_name	= "VGA",
	.probe		= vga_probe,
	.set_mode	= vga_set_mode,
};

где __videocard - макрос:

#define __videocard struct card_info __attribute__((used,section(".videocards")))

который определяет структуру card_info:

struct card_info {
	const char *card_name;
	int (*set_mode)(struct mode_info *mode);
	int (*probe)(void);
	struct mode_info *modes;
	int nmodes;
	int unsafe;
	u16 xmode_first;
	u16 xmode_n;
};

которая находится в сегменте .videocards. Давайте посмотрим в скрипт компоновщика arch/x86/boot/setup.ld, в котором мы можем найти:

	.videocards	: {
		video_cards = .;
		*(.videocards)
		video_cards_end = .;
	}

Это значит, что video_cards это просто адрес в памяти и все структуры card_info размещаются в этом сегменте. Это также означает, что все структуры card_info размещаются между video_cards и video_cards_end, поэтому мы можем воспользоваться этим, чтобы пройтись по ним в цикле. После выполнения probe_cards у нас есть все структуры static __videocard video_vga с заполненными nmodes (число видеорежимов).

После завершения выполнения probe_cards, мы переходим в главный цикл функции set_video. Это бесконечный цикл, который пытается установить видеорежим с помощью функции set_mode и выводит меню, если установлен флаг vid_mode=ask командной строки ядра или видеорежим не определён.

Функция set_mode определена в video-mode.c и принимает только один параметр - mode, который определяет количество видеорежимов (мы получили его из меню или в начале setup_video, из заголовка настройки ядра).

set_mode проверяет mode и вызывает функцию raw_set_mode. raw_set_mode вызывает set_mode для выбранной карты, т.е. card->set_mode(struct mode_info*). Мы можем получить доступ к этой функции из структуры card_info. Каждый видеорежим определяет эту структуру со значениями, заполненными в зависимости от режима видео (например, для vga это функция video_vga.set_mode. См. выше пример структуры card_info для vga). video_vga.set_mode является vga_set_mode, который проверяет vga-режим и вызывает соответствующую функцию:

static int vga_set_mode(struct mode_info *mode)
{
	vga_set_basic_mode();

	force_x = mode->x;
	force_y = mode->y;

	switch (mode->mode) {
	case VIDEO_80x25:
		break;
	case VIDEO_8POINT:
		vga_set_8font();
		break;
	case VIDEO_80x43:
		vga_set_80x43();
		break;
	case VIDEO_80x28:
		vga_set_14font();
		break;
	case VIDEO_80x30:
		vga_set_80x30();
		break;
	case VIDEO_80x34:
		vga_set_80x34();
		break;
	case VIDEO_80x60:
		vga_set_80x60();
		break;
	}
	return 0;
}

Каждая функция, которая устанавливает видеорежим, просто вызывает BIOS прерывание 0x10 с определённым значением в регистре AH.

После того, как мы установили видеорежим, мы передаём его в boot_params.hdr.vid_mode.

Далее вызывается vesa_store_edid. Эта функция сохраняет информацию о EDID (Extended Display Identification Data) для использования ядром. После этого снова вызывается store_mode_params. И наконец, если установлен do_restore, экран восстанавливается в предыдущее состояние.

Теперь, когда видеорежим установлен, мы можем переключится в защищённый режим.

Последняя подготовка перед переходом в защищённый режим

We can see the last function call - go_to_protected_mode - in main.c. As the comment says: Do the last things and invoke protected mode, so let's see these last things and switch into protected mode.

go_to_protected_mode is defined in arch/x86/boot/pm.c. It contains some functions which make the last preparations before we can jump into protected mode, so let's look at it and try to understand what they do and how it works.

First is the call to the realmode_switch_hook function in go_to_protected_mode. This function invokes the real mode switch hook if it is present and disables NMI. Hooks are used if the bootloader runs in a hostile environment. You can read more about hooks in the boot protocol (see ADVANCED BOOT LOADER HOOKS).

The realmode_switch hook presents a pointer to the 16-bit real mode far subroutine which disables non-maskable interrupts. After realmode_switch hook (it isn't present for me) is checked, disabling of Non-Maskable Interrupts(NMI) occurs:

asm volatile("cli");
outb(0x80, 0x70);	/* Disable NMI */
io_delay();

At first there is an inline assembly instruction with a cli instruction which clears the interrupt flag (IF). After this, external interrupts are disabled. The next line disables NMI (non-maskable interrupt).

An interrupt is a signal to the CPU which is emitted by hardware or software. After getting the signal, the CPU suspends the current instruction sequence, saves its state and transfers control to the interrupt handler. After the interrupt handler has finished it's work, it transfers control to the interrupted instruction. Non-maskable interrupts (NMI) are interrupts which are always processed, independently of permission. It cannot be ignored and is typically used to signal for non-recoverable hardware errors. We will not dive into details of interrupts now, but will discuss it in the next posts.

Let's get back to the code. We can see that second line is writing 0x80 (disabled bit) byte to 0x70 (CMOS Address register). After that, a call to the io_delay function occurs. io_delay causes a small delay and looks like:

static inline void io_delay(void)
{
	const u16 DELAY_PORT = 0x80;
	asm volatile("outb %%al,%0" : : "dN" (DELAY_PORT));
}

To output any byte to the port 0x80 should delay exactly 1 microsecond. So we can write any value (value from AL register in our case) to the 0x80 port. After this delay realmode_switch_hook function has finished execution and we can move to the next function.

The next function is enable_a20, which enables A20 line. This function is defined in arch/x86/boot/a20.c and it tries to enable the A20 gate with different methods. The first is the a20_test_short function which checks if A20 is already enabled or not with the a20_test function:

static int a20_test(int loops)
{
	int ok = 0;
	int saved, ctr;

	set_fs(0x0000);
	set_gs(0xffff);

	saved = ctr = rdfs32(A20_TEST_ADDR);

    while (loops--) {
		wrfs32(++ctr, A20_TEST_ADDR);
		io_delay();	/* Serialize and make delay constant */
		ok = rdgs32(A20_TEST_ADDR+0x10) ^ ctr;
		if (ok)
			break;
	}

	wrfs32(saved, A20_TEST_ADDR);
	return ok;
}

First of all we put 0x0000 in the FS register and 0xffff in the GS register. Next we read the value in address A20_TEST_ADDR (it is 0x200) and put this value into the saved variable and ctr.

Next we write an updated ctr value into fs:gs with the wrfs32 function, then delay for 1ms, and then read the value from the GS register by address A20_TEST_ADDR+0x10, if it's not zero we already have enabled the A20 line. If A20 is disabled, we try to enable it with a different method which you can find in the a20.c. For example with call of 0x15 BIOS interrupt with AH=0x2041 etc.

If the enabled_a20 function finished with fail, print an error message and call function die. You can remember it from the first source code file where we started - arch/x86/boot/header.S:

die:
	hlt
	jmp	die
	.size	die, .-die

After the A20 gate is successfully enabled, the reset_coprocessor function is called:

outb(0, 0xf0);
outb(0, 0xf1);

This function clears the Math Coprocessor by writing 0 to 0xf0 and then resets it by writing 0 to 0xf1.

After this, the mask_all_interrupts function is called:

outb(0xff, 0xa1);       /* Mask all interrupts on the secondary PIC */
outb(0xfb, 0x21);       /* Mask all but cascade on the primary PIC */

This masks all interrupts on the secondary PIC (Programmable Interrupt Controller) and primary PIC except for IRQ2 on the primary PIC.

And after all of these preparations, we can see the actual transition into protected mode.

Set up Interrupt Descriptor Table

Now we set up the Interrupt Descriptor table (IDT). setup_idt:

static void setup_idt(void)
{
	static const struct gdt_ptr null_idt = {0, 0};
	asm volatile("lidtl %0" : : "m" (null_idt));
}

which sets up the Interrupt Descriptor Table (describes interrupt handlers and etc.). For now the IDT is not installed (we will see it later), but now we just the load IDT with the lidtl instruction. null_idt contains address and size of IDT, but now they are just zero. null_idt is a gdt_ptr structure, it as defined as:

struct gdt_ptr {
	u16 len;
	u32 ptr;
} __attribute__((packed));

where we can see the 16-bit length(len) of the IDT and the 32-bit pointer to it (More details about the IDT and interruptions will be seen in the next posts). __attribute__((packed)) means that the size of gdt_ptr is the minimum required size. So the size of the gdt_ptr will be 6 bytes here or 48 bits. (Next we will load the pointer to the gdt_ptr to the GDTR register and you might remember from the previous post that it is 48-bits in size).

Set up Global Descriptor Table

Next is the setup of the Global Descriptor Table (GDT). We can see the setup_gdt function which sets up GDT (you can read about it in the Kernel booting process. Part 2.). There is a definition of the boot_gdt array in this function, which contains the definition of the three segments:

	static const u64 boot_gdt[] __attribute__((aligned(16))) = {
		[GDT_ENTRY_BOOT_CS] = GDT_ENTRY(0xc09b, 0, 0xfffff),
		[GDT_ENTRY_BOOT_DS] = GDT_ENTRY(0xc093, 0, 0xfffff),
		[GDT_ENTRY_BOOT_TSS] = GDT_ENTRY(0x0089, 4096, 103),
	};

For code, data and TSS (Task State Segment). We will not use the task state segment for now, it was added there to make Intel VT happy as we can see in the comment line (if you're interested you can find commit which describes it - here). Let's look at boot_gdt. First of all note that it has the __attribute__((aligned(16))) attribute. It means that this structure will be aligned by 16 bytes. Let's look at a simple example:

#include <stdio.h>

struct aligned {
	int a;
}__attribute__((aligned(16)));

struct nonaligned {
	int b;
};

int main(void)
{
	struct aligned    a;
	struct nonaligned na;

	printf("Not aligned - %zu \n", sizeof(na));
	printf("Aligned - %zu \n", sizeof(a));

	return 0;
}

Technically a structure which contains one int field must be 4 bytes, but here aligned structure will be 16 bytes:

$ gcc test.c -o test && test
Not aligned - 4
Aligned - 16

GDT_ENTRY_BOOT_CS has index - 2 here, GDT_ENTRY_BOOT_DS is GDT_ENTRY_BOOT_CS + 1 and etc. It starts from 2, because first is a mandatory null descriptor (index - 0) and the second is not used (index - 1).

GDT_ENTRY is a macro which takes flags, base and limit and builds GDT entry. For example let's look at the code segment entry. GDT_ENTRY takes following values:

• base - 0
• limit - 0xfffff
• flags - 0xc09b

What does this mean? The segment's base address is 0, and the limit (size of segment) is - 0xffff (1 MB). Let's look at the flags. It is 0xc09b and it will be:

1100 0000 1001 1011

in binary. Let's try to understand what every bit means. We will go through all bits from left to right:

• 1 - (G) granularity bit
• 1 - (D) if 0 16-bit segment; 1 = 32-bit segment
• 0 - (L) executed in 64 bit mode if 1
• 0 - (AVL) available for use by system software
• 0000 - 4 bit length 19:16 bits in the descriptor
• 1 - (P) segment presence in memory
• 00 - (DPL) - privilege level, 0 is the highest privilege
• 1 - (S) code or data segment, not a system segment
• 101 - segment type execute/read/
• 1 - accessed bit

You can read more about every bit in the previous post or in the Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manuals 3A.

After this we get the length of the GDT with:

gdt.len = sizeof(boot_gdt)-1;

We get the size of boot_gdt and subtract 1 (the last valid address in the GDT).

Next we get a pointer to the GDT with:

gdt.ptr = (u32)&boot_gdt + (ds() << 4);

Here we just get the address of boot_gdt and add it to the address of the data segment left-shifted by 4 bits (remember we're in the real mode now).

Lastly we execute the lgdtl instruction to load the GDT into the GDTR register:

asm volatile("lgdtl %0" : : "m" (gdt));

Actual transition into protected mode

This is the end of the go_to_protected_mode function. We loaded IDT, GDT, disable interruptions and now can switch the CPU into protected mode. The last step is calling the protected_mode_jump function with two parameters:

protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start, (u32)&boot_params + (ds() << 4));

which is defined in arch/x86/boot/pmjump.S. It takes two parameters:

• address of protected mode entry point
• address of boot_params

Let's look inside protected_mode_jump. As I wrote above, you can find it in arch/x86/boot/pmjump.S. The first parameter will be in the eax register and second is in edx.

First of all we put the address of boot_params in the esi register and the address of code segment register cs (0x1000) in bx. After this we shift bx by 4 bits and add the address of label 2 to it (we will have the physical address of label 2 in the bx after this) and jump to label 1. Next we put data segment and task state segment in the cs and di registers with:

movw	$__BOOT_DS, %cx
movw	$__BOOT_TSS, %di

As you can read above GDT_ENTRY_BOOT_CS has index 2 and every GDT entry is 8 byte, so CS will be 2 * 8 = 16, __BOOT_DS is 24 etc.

Next we set the PE (Protection Enable) bit in the CR0 control register:

movl	%cr0, %edx
orb	$X86_CR0_PE, %dl
movl	%edx, %cr0

and make a long jump to protected mode:

	.byte	0x66, 0xea
2:	.long	in_pm32
	.word	__BOOT_CS

where

• 0x66 is the operand-size prefix which allows us to mix 16-bit and 32-bit code,
• 0xea - is the jump opcode,
• in_pm32 is the segment offset
• __BOOT_CS is the code segment.

After this we are finally in the protected mode:

.code32
.section ".text32","ax"

Let's look at the first steps in protected mode. First of all we set up the data segment with:

movl	%ecx, %ds
movl	%ecx, %es
movl	%ecx, %fs
movl	%ecx, %gs
movl	%ecx, %ss

If you paid attention, you can remember that we saved $__BOOT_DS in the cx register. Now we fill it with all segment registers besides cs (cs is already __BOOT_CS). Next we zero out all general purpose registers besides eax with:

xorl	%ecx, %ecx
xorl	%edx, %edx
xorl	%ebx, %ebx
xorl	%ebp, %ebp
xorl	%edi, %edi

And jump to the 32-bit entry point in the end:

jmpl	*%eax

Remember that eax contains the address of the 32-bit entry (we passed it as first parameter into protected_mode_jump).

That's all. We're in the protected mode and stop at it's entry point. We will see what happens next in the next part.

Conclusion

This is the end of the third part about linux kernel insides. In next part, we will see first steps in the protected mode and transition into the long mode.

If you have any questions or suggestions write me a comment or ping me at twitter.

Please note that English is not my first language, And I am really sorry for any inconvenience. If you find any mistakes, please send me a PR with corrections at linux-insides.

Links

• VGA
• VESA BIOS Extensions
• Data structure alignment
• Non-maskable interrupt
• A20
• GCC designated inits
• GCC type attributes
• Previous part