Linux内核阅读1·启动与初始化（2）

博客主要为《Linux内核设计的艺术》（以下简称《设计艺术》）和《Linux内核完全注释》（以下简称《完全注释》），以及非常好的Linux内核视频 - Linux内核精讲内容的搬运和阅读笔记，以及相关博客链接的整理。代码来源于《完全注释》配套代码。
写着玩儿的，如有错误，欢迎指正。

main.c调用了大量初始化函数。

让我们来到一切的起点，来看main()的第一个片段：

 // 此时中断仍被禁止着，做完必要的设置后就将其开启。
 
	// 下面这段代码用于保存：
	// 根设备号 -> ROOT_DEV； 高速缓存末端地址 -> buffer_memory_end；
	// 机器内存数 -> memory_end；主内存开始地址 -> main_memory_start；
 	ROOT_DEV = ORIG_ROOT_DEV;
 	drive_info = DRIVE_INFO;
	memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);// 内存大小=1Mb 字节+扩展内存(k)*1024 字节。
	memory_end &= 0xfffff000;			// 忽略不到4Kb（1 页）的内存数。
	if (memory_end > 16*1024*1024)		// 如果内存超过16Mb，则按16Mb 计。
		memory_end = 16*1024*1024;
	if (memory_end > 12*1024*1024)		// 如果内存>12Mb，则设置缓冲区末端=4Mb
		buffer_memory_end = 4*1024*1024;
	else if (memory_end > 6*1024*1024)	// 否则如果内存>6Mb，则设置缓冲区末端=2Mb
		buffer_memory_end = 2*1024*1024;
	else
		buffer_memory_end = 1*1024*1024;// 否则则设置缓冲区末端=1Mb
	main_memory_start = buffer_memory_end;// 主内存起始位置=缓冲区末端；
#ifdef RAMDISK	// 如果定义了虚拟盘，则主内存将减少。
	main_memory_start += rd_init(main_memory_start, RAMDISK*1024);
#endif

根设备和文件系统有关，与硬件相关的我都不做深究，这部分主要就是划分内存区域。
这里还涉及到1M以下的地址为内核地址，管理方式与1M以上的地址是不同的。

// 以下是内核进行所有方面的初始化工作。阅读时最好跟着调用的程序深入进去看，实在看
// 不下去了，就先放一放，看下一个初始化调用-- 这是经验之谈:)
	mem_init(main_memory_start,memory_end);
	trap_init();	// 陷阱门（硬件中断向量）初始化。（kernel/traps.c）
	blk_dev_init();	// 块设备初始化。（kernel/blk_dev/ll_rw_blk.c）
	chr_dev_init();	// 字符设备初始化。（kernel/chr_dev/tty_io.c）空，为以后扩展做准备。
	tty_init();		// tty 初始化。（kernel/chr_dev/tty_io.c）
	time_init();	// 设置开机启动时间 -> startup_time。
	sched_init();	// 调度程序初始化(加载了任务0 的tr, ldtr) （kernel/sched.c）
	buffer_init(buffer_memory_end);// 缓冲管理初始化，建内存链表等。（fs/buffer.c）
	hd_init();		// 硬盘初始化。（kernel/blk_dev/hd.c）
	floppy_init();	// 软驱初始化。（kernel/blk_dev/floppy.c）
	sti();			// 所有初始化工作都做完了，开启中断。

这部分是各种初始化配置，这些函数在《设计艺术》中都有较为详细的讲解，主要关注几个小点。

第一个是trap_init()（kernel/traps.c）的定义：

// 下面是异常（陷阱）中断程序初始化子程序。设置它们的中断调用门（中断向量）。
// set_trap_gate()与set_system_gate()的主要区别在于前者设置的特权级为0，后者是3。因此
// 断点陷阱中断int3、溢出中断overflow 和边界出错中断bounds 可以由任何程序产生。
// 这两个函数均是嵌入式汇编宏程序(include/asm/system.h,第36 行、39 行)。
void trap_init(void)
{
	int i;

	set_trap_gate(0,÷_error);// 设置除操作出错的中断向量值。以下雷同。
	set_trap_gate(1,&debug);
	set_trap_gate(2,&nmi);
	set_system_gate(3,&int3);	
	set_system_gate(4,&overflow);
	set_system_gate(5,&bounds);
	set_trap_gate(6,&invalid_op);
	set_trap_gate(7,&device_not_available);
	set_trap_gate(8,&double_fault);
	set_trap_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
	set_trap_gate(10,&invalid_TSS);
	set_trap_gate(11,&segment_not_present);
	set_trap_gate(12,&stack_segment);
	set_trap_gate(13,&general_protection);
	set_trap_gate(14,&page_fault);
	set_trap_gate(15,&reserved);
	set_trap_gate(16,&coprocessor_error);
// 下面将int17-48 的陷阱门先均设置为reserved，以后每个硬件初始化时会重新设置自己的陷阱门。
	for (i=17;i<48;i++)
		set_trap_gate(i,&reserved);
	set_trap_gate(45,&irq13);// 设置协处理器的陷阱门。
	outb_p(inb_p(0x21)&0xfb,0x21);// 允许主8259A 芯片的IRQ2 中断请求。
	outb(inb_p(0xA1)&0xdf,0xA1);// 允许从8259A 芯片的IRQ13 中断请求。
	set_trap_gate(39,¶llel_interrupt);// 设置并行口的陷阱门。
}

set_trap_gate的定义：

 设置中断门函数。
// 参数：n - 中断号；addr - 中断程序偏移地址。
// &idt[n]对应中断号在中断描述符表中的偏移值；中断描述符的类型是14，特权级是0。
#define set_intr_gate(n,addr) 
_set_gate((unsigned long*)(&(idt[n])),14,0,(unsigned long)addr)
 设置陷阱门函数。
// 参数：n - 中断号；addr - 中断程序偏移地址。
// &idt[n]对应中断号在中断描述符表中的偏移值；中断描述符的类型是15，特权级是0。
#define set_trap_gate(n,addr) 
_set_gate((unsigned long*)(&(idt[n])),15,0,(unsigned long)addr)
 设置系统调用门函数。
// 参数：n - 中断号；addr - 中断程序偏移地址。
// &idt[n]对应中断号在中断描述符表中的偏移值；中断描述符的类型是15，特权级是3。
#define set_system_gate(n,addr) 
_set_gate((unsigned long*)(&(idt[n])),15,3,(unsigned long)addr)

可以看到，上面三个门都应用了同一个设置函数_set_gate：

 设置门描述符宏函数。
// 参数：gate_addr -描述符地址；type -描述符中类型域值；dpl -描述符特权层值；addr -偏移地址。
// %0 - (由dpl,type 组合成的类型标志字)；%1 - (描述符低4 字节地址)；
// %2 - (描述符高4 字节地址)；%3 - edx(程序偏移地址addr)；%4 - eax(高字中含有段选择符)。
void _inline _set_gate(unsigned long *gate_addr, 
					   unsigned short type, 
					   unsigned short dpl, 
					   unsigned long addr) 
{// c语句和汇编语句都可以通过
	gate_addr[0] = 0x00080000 + (addr & 0xffff);
	gate_addr[1] = 0x8000 + (dpl << 13) + (type << 8) + (addr & 0xffff0000);

}

关于门描述符的讲解参考博客1
当然，参考博客1中的门描述符格式与代码中有些不一致，具体格式参考参考博客2。

关于块设备见参考博客3，当然，本文对硬件驱动并不关心，不过，如果需要做嵌入式系统移植的话，就需要很关心这些硬件初始化函数。

还有门的定义参考博客4。

操作系统的初始化以创建0号和1号进程为结束标志，这里需要关注一下0号进程的手动初始化：

// 全局表中第1 个任务状态段(TSS)描述符的选择符索引号。
#define FIRST_TSS_ENTRY 4
// 全局表中第1 个局部描述符表(LDT)描述符的选择符索引号。
#define FIRST_LDT_ENTRY (FIRST_TSS_ENTRY+1)
// 宏定义，计算在全局表中第n 个任务的TSS 描述符的索引号（选择符）。
#define _TSS(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_TSS_ENTRY<<3))
// 宏定义，计算在全局表中第n 个任务的LDT 描述符的索引号。
#define _LDT(n) ((((unsigned long) n)<<4)+(FIRST_LDT_ENTRY<<3))
// 宏定义，加载第n 个任务的任务寄存器tr。
//#define ltr(n) __asm__( "ltr %%ax":: "a" (_TSS(n)))
_inline void ltr(unsigned long n)
{
	n=_TSS(n);
	_asm{
	ltr word ptr n
	}
}
// 宏定义，加载第n 个任务的局部描述符表寄存器ldtr。
//#define lldt(n) __asm__( "lldt %%ax":: "a" (_LDT(n)))
_inline void lldt(unsigned long n)
{
	n=_LDT(n);
	_asm{
	lldt word ptr n
	}
}

......


// 调度程序的初始化子程序。
void sched_init (void)
{
	int i;
	struct desc_struct *p;	// 描述符表结构指针。

	if (sizeof (struct sigaction) != 16)	// sigaction 是存放有关信号状态的结构。
		panic ("Struct sigaction MUST be 16 bytes");
// 设置初始任务（任务0）的任务状态段描述符和局部数据表描述符(include/asm/system.h,65)。
	set_tss_desc (gdt + FIRST_TSS_ENTRY, &(init_task.task.tss));
	set_ldt_desc (gdt + FIRST_LDT_ENTRY, &(init_task.task.ldt));
// 清任务数组和描述符表项（注意i=1 开始，所以初始任务的描述符还在）。
	p = gdt + 2 + FIRST_TSS_ENTRY;
	for (i = 1; i < NR_TASKS; i++)
	{
		task[i] = NULL;
		p->a = p->b = 0;
		p++;
		p->a = p->b = 0;
		p++;
	}

// NT 标志用于控制程序的递归调用(Nested Task)。当NT 置位时，那么当前中断任务执行
// iret 指令时就会引起任务切换。NT 指出TSS 中的back_link 字段是否有效。
//  __asm__ ("pushfl ; andl $0xffffbfff,(%esp) ; popfl");	// 复位NT 标志。
	_asm pushfd; _asm and dword ptr ss:[esp],0xffffbfff; _asm popfd;
	ltr (0);			// 将任务0 的TSS 加载到任务寄存器tr。
	lldt (0);			// 将局部描述符表加载到局部描述符表寄存器。
// 注意！！是将GDT 中相应LDT 描述符的选择符加载到ldtr。只明确加载这一次，以后新任务
// LDT 的加载，是CPU 根据TSS 中的LDT 项自动加载。
// 下面代码用于初始化8253 定时器。
	outb_p (0x36, 0x43);		
	outb_p (LATCH & 0xff, 0x40);	// 定时值低字节。
	outb (LATCH >> 8, 0x40);	// 定时值高字节。
  // 设置时钟中断处理程序句柄（设置时钟中断门）。
	set_intr_gate (0x20, &timer_interrupt);
  // 修改中断控制器屏蔽码，允许时钟中断。
	outb (inb_p (0x21) & ~0x01, 0x21);
  // 设置系统调用中断门。
	set_system_gate (0x80, &system_call);
}

TSS用于保存程序运行时一些寄存器的值，没有struct i387_struct i387;的话刚好104个字节（在sched.h的tss_struct里，我亲自数了数，刚好27个long），但我并没有找到i387的作用是什么。TSS段描述符见《设计艺术》P69。

进程描述结构体在sched.h的task_struct里，不过它们的存储位置在操作系统数据段。

关于task_union，它在sched.c中：

union task_union
{				// 定义任务联合(任务结构成员和stack 字符数组程序成员)。
	struct task_struct task;	// 因为一个任务数据结构与其堆栈放在同一内存页中，所以
	char stack[PAGE_SIZE];	// 从堆栈段寄存器ss 可以获得其数据段选择符。
};

我的理解是，分配了一个页的大小，但是只有前956B作为任务结构体的init，剩下的部分作为内核的堆栈，这里堆栈的长度被精心规划，以避免覆盖任务结构。

但是我感觉并没有看明白的一点是，如果task[64]中的每一项都是956B，那么总共岂不是达到近64KB的存储空间，但上图中内核的数据区似乎不大？这个坑以后来填。

最后创建进程：

// 下面过程通过在堆栈中设置的参数，利用中断返回指令切换到任务0。
	move_to_user_mode();	// 移到用户模式。（include/asm/system.h）
	if (!fork()) {		
		init();
	}
	
	for(;;) pause();
} // end main

这里move_to_user_mode()也值得关注

_asm { 
	_asm mov eax,esp 
	_asm push 00000017h 
	_asm push eax 
	_asm pushfd 
	_asm push 0000000fh 
	_asm push offset l1 
	_asm iretd 
_asm l1: mov eax,17h 
	_asm mov ds,ax 
	_asm mov es,ax 
	_asm mov fs,ax 
	_asm mov gs,ax 
}

由于是0进程（其他进程创建的时候只要fork父进程就行了），所以需要手动创建。

另外，linux是只允许进程在特权级为3的情况下fork新的进程，所以在中断返回时（这是特权级翻转的常用手段，低特权向高特权则需采用系统调用（int 80h）来实现），0号进程的特权级为3。特权级翻转的一些细节见参考博客5。

其余初始化函数在《设计艺术》的P59~79都有简要介绍，在此不作赘述。

void init(void)
{
	int pid,i;

// 读取硬盘参数包括分区表信息并建立虚拟盘和安装根文件系统设备。
// 该函数是在25 行上的宏定义的，对应函数是sys_setup()，在kernel/blk_drv/hd.c。
	setup((void *) &drive_info);

	(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);	// 用读写访问方式打开设备“/dev/tty0”，
										// 这里对应终端控制台。
										// 返回的句柄号0 -- stdin 标准输入设备。
	(void) dup(0);		// 复制句柄，产生句柄1 号-- stdout 标准输出设备。
	(void) dup(0);		// 复制句柄，产生句柄2 号-- stderr 标准出错输出设备。
	printf("%d buffers = %d bytes buffer spacenr",NR_BUFFERS, 
		NR_BUFFERS*BLOCK_SIZE);	// 打印缓冲区块数和总字节数，每块1024 字节。
	printf("Free mem: %d bytesnr",memory_end-main_memory_start);//空闲内存字节数。

// 下面fork()用于创建一个子进程(子任务)。对于被创建的子进程，fork()将返回0 值，
// 对于原(父进程)将返回子进程的进程号。所以if (!(pid=fork())) {...} 内是子进程执行的内容。
// 该子进程关闭了句柄0(stdin)，以只读方式打开/etc/rc 文件，并执行/bin/sh 程序，所带参数和
// 环境变量分别由argv_rc 和envp_rc 数组给出。参见后面的描述。
	if (!(pid=fork())) {
		close(0);
		if (open("/etc/rc",O_RDONLY,0))//系统配置文件，挂接了文件配置
			_exit(1);	// 如果打开文件失败，则退出(/lib/_exit.c)。
		execve("/bin/sh",argv_rc,envp_rc);	// 装入/bin/sh 程序并执行。(/lib/execve.c)  argv_rc参数  envp_rc 环境变量
		_exit(2);	// 若execve()执行失败则退出(出错码2,“文件或目录不存在”)。
	}

// 下面是父进程执行的语句。wait()是等待子进程停止或终止，其返回值应是子进程的
// 进程号(pid)。这三句的作用是父进程等待子进程的结束。&i 是存放返回状态信息的
// 位置。如果wait()返回值不等于子进程号，则继续等待。
	if (pid>0)
		while (pid != wait(&i))
		{	;}

// --
// 如果执行到这里，说明刚创建的子进程的执行已停止或终止了。下面循环中首先再创建
// 一个子进程，如果出错，则显示“初始化程序创建子进程失败”的信息并继续执行。对
// 于所创建的子进程关闭所有以前还遗留的句柄(stdin, stdout, stderr)，新创建一个
// 会话并设置进程组号，然后重新打开/dev/tty0 作为stdin，并复制成stdout 和stderr。
// 再次执行系统解释程序/bin/sh。但这次执行所选用的参数和环境数组另选了一套（见上面）。
// 然后父进程再次运行wait()等待。如果子进程又停止了执行，则在标准输出上显示出错信息
//		“子进程pid 停止了运行，返回码是i”，
// 然后继续重试下去…，形成“大”死循环。
	while (1) {
		if ((pid=fork())<0) {
			printf("Fork failed in initrn");
			continue;
		}
		if (!pid) {
			close(0);close(1);close(2);
			setsid();
			(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
			(void) dup(0);
			(void) dup(0);
			_exit(execve("/bin/sh",argv,envp));
		}
		while (1)
			if (pid == wait(&i))
				break;
		printf("nrchild %d died with code %04xnr",pid,i);
		sync();
	}
	_exit(0);	
}

这里的逻辑很简单，一直在循环创建1号进程（众所周知，1号进程是0号进程以外的所有进程的父进程）

"/etc/rc"是系统配置文件，挂接文件设置。

execve("/bin/sh",argv_rc,envp_rc);则是执行shell程序。

exit(0)与_exit(0)见参考博客6，虽然我还是没搞明白啥时候该用哪个。

如此一来，linux的启动部分的笔记暂时告一段落，由于本人的水平实在有限，多有谬误和不全之处。另外，光看代码是没用的，自己上手操作和改动才有好的效果，目前能找到的lab只有mit 6.s081，过段时间看完进程和文件管理篇试着做做吧~