Linux内核引导

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Garry Xu 3月 21, 2022

以下笔记来自阅读：https://www.kernel.org/doc/html/latest/x86/boot.html

Linux/x86 引导协议

    在x86平台上，Linux使用一个很复杂的引导协议。形成这种状况的原因有很多，包括：各种历史原因、早期期望内核本身就是一个可以启动的 image、复杂的PC内存模型、以及实模式消亡后PC工业界的变化等等。

    目前，存在如下版本的 Linux/x86 引导协议：

版本 说明
老内核 只支持 zImage/Imgge。有些早期内核甚至不支持命令行。
2.00 （内核 1.3.73）增加 bzImage 和 initrd 支持；bootloader 可以和内核通过形式化的方式通信；setup.S 可以重定向，原有的 setup 区域依然支持写入。
2.01 （内核 1.3.76）增加堆溢出警告。
2.02 （内核 2.4.0-tet3-pre3）新的命令行协议；降低引导程序可以使用的内存上限；不覆盖传统 setup 区域，因此可以支持使用 SMM EBDA 或者使用32比特BIOS入口。
2.03 （内核 2.4.18-pre1）initrd 可以访问的最高地址对 bootloader 显式可见。
2.04 （内核 2.6.14）拓展 syssize 字段到4字节。
2.05 （内核 2.6.20）保护模式内核支持重定位；添加 relocatable_kernel 和 kernel_alignment 字段。
2.06 （内核 2.6.22）添加包含启动命令行大小的字段。
2.07 （内核 2.6.24）增加半虚拟化引导协议。在 load_flags 增加 hardware_subarch、hardware_subarch_data 和 KEEP_SEGMENTS 三个标志。
2.08 （内核 2.6.26）增加 crc32 校验码和 ELF 格式 payload 支持；增加 payload_offset 和 payload_length 字段以方便定位 payload。
2.09 （内核 2.6.31）在 kernel_alignment 之外增加宽松对齐协议；增加 init_size 和 pref_address 字段。增加扩展的 bootloader ID。
2.11 （内核 3.6）增加描述EFI handover 协议 入口偏移地址的字段
2.12 （内核 3.8）boot_params 结构增加 xloadflags 和其他扩展字段，用以支持在64位系统4G以上地址加载 bzImage 或者 ramdisk。
2.13 （内核 3.14）为支持从32位 EFI启动64位内核，支持在 xloadflags 中设置32位和64位标志。
2.15 （内核 5.5）增加 kernel_info 和 kernel_info.setup_type_max 字段。
  • 协议版本号只在setup header发生变化时增加。如果 boot_params 或者 kernel_info 没有变化，没有必要更新版本号。另外，推荐使用 xloadflags 和 kernel_info 来和 bootloader 交互内核支持的特性信息。以为在最初的 setup header 中，空间十分受限，从协议2.15开始，最主要的和 bootloader 通信的方式就是通过 kernel_info。

内存布局

    传统加载 Image 和 bzImage 的内核 loader，其内存布局如下：

    当使用bzImage时，保护模式内核将被重定向到 0x100000 （高端内存），而内核实模式部分（引导扇区,、配置、堆栈等）则可以重定向到 0x10000 到低端内存结束间的任何地址。不幸的是，在引导协议2.00和2.01版本中，内核内部仍使用0x90000+ 内存空间，直到引导协议版本2.02修复了这个问题。

    实际中， memory ceiling （在低端内存中 bootloader 可以使用的最高内存位置）越低越好，因为一些新的BIOS开始在低端内存的头部分配大量的内存（扩展BIOS数据区域EBDA）。bootloder 应该使用 INT 12h BIOS调用来确认还有多少低端内存可以使用。

    不幸的是，如果 INT 12h 报告的内存太少，通常 bootloader 除了向用户报错其他什么也做不了。因此 bootloader 应该设计成占用尽量少的低端内存。对于 zImage 或者老的 bzImage 内核而言，它们需要写到 0x90000。因此，bootloader 应该保证不要使用超过 0x9A000的内存，如果超过，很多BIOS将崩溃。

    对于现在使用 bzImage、引导协议大于等于2.02的内核，建议如下的内存布局：

实模式内核头部信息

    在后面的文本以及内核启动的流程中，“一个扇区”指代512字节，这独立于物理介质的实际扇区大小。

    加载Linux内核的第一步是加载实模式的代码（引导扇区和 setup 代码），之后检查如下在偏移 0x01f1 位置的头部信息。实模式代码最大可以占到32K，然而 bootloader 可能只选择加载前两个扇区（1K），之后检查需要的启动扇区大小。

    头部信息如下：

偏移/大小 协议 名称 含义
01F1/1 ALL(1) setup_sects 以扇区数衡量的 setup 区域大小
01F2/2 ALL root_flags 如果设置，root 将以只读挂载
01F4/4 2.04+(2) syssize 保护模式（32bit）代码的大小，单位为16个字节
01F8/2 ALL ram_size 不要使用
01FA/2 ALL vid_mode 视频模式控制
01FC/2 ALL root_dev 默认的根设备号
01FE/2 ALL boot_flag 魔数 (0xAA55)
0200/2 2.00+ jump 跳转指令
0202/4 2.00+ header 魔数（HdrS 0x53726448）
0206/2 2.00+ version 支持的引导协议版本
0208/4 2.00+ realmode_swtch bootloader hook（见后续描述）
020C/2 2.00+ start_sys_seg 已废弃
020E/2 2.00+ kernel_version 指向内核版本号字符串的指针
0210/1 2.00+ type_of_loader bootloader 标识
0211/1 2.00+ loadflags 引导协议的可选标志
0212/2 2.00+ setup_move_size 移动到高端内存的大小
0214/4 2.00+ code32_start bootloader hook
0218/4 2.00+ ramdisk_image initrd 的加载地址（由 bootloader 设置）
021C/4 2.00+ ramdisk_size initrd 的大小（由 bootloader 设置）
0220/4 2.00+ bootsect_kludge 不要使用
0224/2 2.00+ heap_end_ptr setup 结束之后的空余内存
0226/1 2.02+(3) ext_loader_ver 扩展的 bootloader 版本号
0227/1 2.02+(3) ext_loader_type 扩展的 bootloader ID
0228/4 2.02+ cmd_line_ptr 32比特指针指向内核命令行
022C/4 2.03+ initrd_addr_max 最高的合法 initrd 地址
0230/4 2.05+ kernel_alignment 内核需要的物理地址对齐
0234/1 2.05+ relocatable_kernel 内核是否支持重定向
0235/1 2.10+ min_alignment 最小对齐(1 << min_alignment)
0236/2 2.12+ xloadflags 引导协议可选标志
0238/4 2.06+ cmdline_size 内核命令行的最大大小
023C/4 2.07+ hardware_subarch 硬件子架构（半虚拟化使用，比如 0x00000002 代表Xen）
0240/8 2.07+ hardware_subarch_data 子架构数据
0248/4 2.08+ payload_offset 内核 payload 偏移
024C/4 2.08+ payload_length 内核 payload 大小
0250/8 2.09+ setup_data 64比特指针，指向 struct setup_data 链表
0258/8 2.10+ pref_address 首选加载位置
0260/4 2.10+ init_size 初始化时需要的连续内存大小
0264/4 2.11+ handover_offset handover 入口偏移地址
0268/4 2.15+ kernel_info_offset kernel_info 偏移地址
  1. 为了向后兼容，如果 setup_sects 字段是0， 真实的值是4
  2. 在2.04之前的引导协议，syssize 的前两个字节没有用，这也意味着 bzImage 内核的大小 无法确定。
  3. 对于协议版本2.02-2.09，设置是安全的，但是会被忽略。

    如果 HdrS（0x53726448）在 0x202 没有找到，引导协议就是老版本的，加载旧版本内核，并且假设如下参数：Image类型为zImage；不支持initrd；实模式内核必须加载到地址 0x90000。其他情况，version 字段将包含引导协议版本，例如：使用引导协议2.01，这个值会是0x0201。当设置头部信息的字段时，必须保证只设置当前协议支持的字段。

加载内核的余下部分

    32比特（非实模式）内核开始于内核文件(setup_sects+1) x 512 的位置，对于Image/zImage它将被加载在 0x10000 地址，对于 bzImage 则是 0x100000。

    如果引导协议大于2.00、loadflags 中标记了 0x01(LOAD_HIGH) ，就可以判定是 bzImage 内核。

    需要注意，Image/zImage 内核最大能到512K，因此使用 0x10000 - 0x90000 整个地址范围的内存空间，因而也要求实模式部分在 0x90000 加载。bzImage 内核要相对灵活。

运行内核

    内核通过 jump 到内核入口启动，内核入口在内核实模式代码的段偏移 0x20 处。也就是说，如果你加载实模式代码到 0x90000, 内核入口在 9020:0000。

这里插入一个小贴士： 实模式下的物理地址 = 段基址(16位) << 4 + 偏移（16位）

    在内核入口，ds=es=ss 指向实模式内核的开始地址（如果实模式内核加载于 0x90000，值应为0x9000）,sp 需要正确设置，一般指向堆的顶部，并且屏蔽中断。另外，为了避免内核中的bug，推荐 bootloader 设置 fs=gs=ds=es=ss。

以下是示例代码： 

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/* Note: in the case of the "old" kernel protocol, base_ptr must
   be == 0x90000 at this point; see the previous sample code */

seg = base_ptr >> 4;

cli();  /* Enter with interrupts disabled! */

/* Set up the real-mode kernel stack */
_SS = seg;
_SP = heap_end;

_DS = _ES = _FS = _GS = seg;
jmp_far(seg+0x20, 0);   /* Run the kernel */

32位引导协议

    对于有新BIOS（比如EFI、LinuxBIOS、kexec等等）的机器，基于老BIOS的内核16比特实模式代码就不能使用了。因此需要定义基于32比特的引导协议。

    在32比特引导协议中，加载内核的第一步是配置启动参数（struct boot_params，也就是一般指的 Zero Page）。struct boot_params 使用的内存空间需要分配并初始化为0。之后内核镜像位于 0x1F1 位置的头部信息将加载到 struct boot_params 并进行检查。头部信息的结束位置可以通过如下计算得到：

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0x0202 + byte value at offset 0x0201
    除了要读写、修改 struct boot_params 中16比特实模式使用的头部信息，还需要填写更多的字段，这些字段参考：Zero Page。

    在设置好struct boot_params 之后，bootloader 可以像16比特实模式协议那样，加载32/64比特内核。

    在32比特引导协议中，内核通过跳转到32比特入口地址开始执行。

    在内核入口，CPU必须配置为32位保护模式，并且关闭分页；必须加载正确的GDT，GDT中包含__BOOT_CS(0x10)和__BOOT_DS(0x18)选择子的描述符；这两个描述符都必须是4G平坦分段；__BOOT_CS(0x10)必须有读和执行的权限，__BOOT_DS(0x18)必须有读写权限；CS必须是__BOOT_CS, 而DS、ES、SS必须是__BOOT_DS； 中断需要禁用； %esi 必须存储 struct boot_params 的基地址； %ebp、%edi、%ebi 必须为0。

64位引导协议

    配置 struct boot_params 及加载头部信息的过程与32比特协议一致。

    配置 struct boot_params 后，bootloader可以像16比特实模式协议那样加载64比特内核，但是内核将加载至4G以上地址。

    在64位引导协议中，内核通过跳转到64比特入口地址执行，这个地址是64比特的跳转地址加上 0x200。

    在内核入口，CPU必须在64位模式下，并且开启分页；zero page、命令行缓存、以及从内核加载地址到 setup_header.init_size 都映射到同一个内存区域；必须加载正确的GDT，GDT中包含__BOOT_CS(0x10)和__BOOT_DS(0x18)选择子的描述符；这两个描述符都必须是4G平坦分段；__BOOT_CS(0x10)必须有读和执行的权限，__BOOT_DS(0x18)必须有读写权限；CS必须是__BOOT_CS， 而DS、ES、SS必须是__BOOT_DS； 中断需要禁用；%rsi 必须存储 struct boot_params 的基地址。