linux boot-go_to_protected_mode

/*
* Prepare the machine for transition to protected mode.
* 从实模式向保护模式跳转
* 文档：
* /arch/x86/include/asm/segment.h 【1】
* arch/x86/boot/pm.c【2】本文
* arch/x86/boot/a20.c【3】
*/
#include "boot.h"
#include <asm/segment.h>
/*
* Invoke the realmode switch hook if present; otherwise
* disable all interrupts.
*
* boot loader hooks
* 当加载器运行的环境不能布置标准内存布局时，会用到加载器hooks。这种hooks尽量不要用。
* realmode_swtch：在转到保护模式前最后时刻执行，它是16位的(默认的例程是用来禁用NMI，
* 不可屏蔽中断)。
* code32_start ：这个字段可被用作hook,在转到保护模式后第一时刻执行，并且是32位的，
* 它的执行在内核解压前。实模式开始偏移512处是内核的开始。此时ds=es=ss=实模式代码加
* 载地址。推荐是fs=gs=ds=es=ss。一般情况下加载器会将它指向正常的、被压缩内核代码处。
*/
static inline void io_delay(void)
{
//boot.h:向0x80端口写al值来消耗时间
const u16 DELAY_PORT = 0x80;
asm volatile("outb %%al,%0" : : "dN" (DELAY_PORT));
}
static void realmode_switch_hook(void)
{
/*
* 调用hook,一般hook是不会设置的,所以走else流程
* 向0x70商品写0x80关NMI
*/
if (boot_params.hdr.realmode_swtch) {
asm volatile("lcallw *%0"
: : "m" (boot_params.hdr.realmode_swtch)
: "eax", "ebx", "ecx", "edx");
} else {
asm volatile("cli");
outb(0x80, 0x70); /* Disable NMI */
io_delay();
}
}
/*
* Disable all interrupts at the legacy PIC.
* PIC相关
* 端口范围:0x20-0x3f 8259 可编程中断控制器1
* 端口范围:0xa0-0xbf 8259 可编程中断控制器2
*
*/
static void mask_all_interrupts(void)
{
outb(0xff, 0xa1); /* Mask all interrupts on the secondary PIC */
io_delay();
outb(0xfb, 0x21); /* Mask all but cascade on the primary PIC */
io_delay();
}
/*
* Reset IGNNE# if asserted in the FPU.
* 端口范围:0x0f0-0x0ff 数学协处理器访问端口
*/
static void reset_coprocessor(void)
{
outb(0, 0xf0);
io_delay();
outb(0, 0xf1);
io_delay();
}
/*
* Set up the GDT
*/
struct gdt_ptr {
u16 len; // 0-15:GDT Lmit 大小
u32 ptr; //16-47:Base address 基址
} __attribute__((packed));
/*
* 启动时使用的gdt
* 仅设置了3项cs,ds,tss,代码段cs和数据段ds的段基址都设置为0
* 任务状态段段基址设置为4096
* 由文档【1】中可知：
* GDT_ENTRY_BOOT_CS=2
* GDT_ENTRY_BOOT_DS=3
* GDT_ENTRY_BOOT_TSS=4
* 这些值表示在表中的索引,分别处于临时gdt的索引2、3、4项
* 分别有__BOOT_CS=16,__BOOT_DS=24,__BOOT_TSS=32等
* 段选择子与段描述符对应
*/
static void setup_gdt(void)
{
/* There are machines which are known to not boot with the GDT
being 8-byte unaligned. Intel recommends 16 byte alignment. */
static const u64 boot_gdt[] __attribute__((aligned(16))) = {
/* CS: code, read/execute, 4 GB, base 0 */
[GDT_ENTRY_BOOT_CS] = GDT_ENTRY(0xc09b, 0, 0xfffff),
/* DS: data, read/write, 4 GB, base 0 */
[GDT_ENTRY_BOOT_DS] = GDT_ENTRY(0xc093, 0, 0xfffff),
/* TSS: 32-bit tss, 104 bytes, base 4096 */
/* We only have a TSS here to keep Intel VT happy;
we don't actually use it for anything. */
[GDT_ENTRY_BOOT_TSS] = GDT_ENTRY(0x0089, 4096, 103),
};
/* Xen HVM incorrectly stores a pointer to the gdt_ptr, instead
of the gdt_ptr contents. Thus, make it static so it will
stay in memory, at least long enough that we switch to the
proper kernel GDT. */
static struct gdt_ptr gdt;
gdt.len = sizeof(boot_gdt)-1;
gdt.ptr = (u32)&boot_gdt + (ds() << 4);
//通过lgdtl将48位的gdt放入gdtr寄存器
asm volatile("lgdtl %0" : : "m" (gdt));
}
/*
* Set up the IDT
* 中断描述符表初始化为0,先不使用
*/
static void setup_idt(void)
{
static const struct gdt_ptr null_idt = {0, 0};
asm volatile("lidtl %0" : : "m" (null_idt));
}
/*
* Actual invocation sequence
* 这个函数是从boot/main()跳过来执行的,它是pm.c中最主要的函数,它控制着保护模式
* 相关函数的调用顺序。它的主要工作有：
* 1.在离开实模式的最后时刻调用加载器hook
* 2.打开A20Gate
* 3.重置数学协处理器
* 4.屏蔽所有中断
* 5.设置idt
* 6.设置gdt
* 7.执行protected_mode_jump(code32_start hook)
* 对于code32_start(document/x86/boot.txt),前面说过,它也能作为加载器hook,只是它是在进入保护模式第一时间
* 执行的。但一般情况下,加载器会把它指向未解压的内核地址,hook比较少用。
*/
void go_to_protected_mode(void)
{
/* Hook before leaving real mode, also disables interrupts */
realmode_switch_hook();
/* Enable the A20 gate */
if (enable_a20()) {
puts("A20 gate not responding, unable to boot...\n");
die();
}
/* Reset coprocessor (IGNNE#) */
reset_coprocessor();
/* Mask all interrupts in the PIC */
mask_all_interrupts();
/* Actual transition to protected mode... */
setup_idt();
setup_gdt();
/*
* boot_params在boot/main.c中定义
* ds从header.S到现在还没变,还是指向内核加载基址X所在的段。
* ds<<4+boot_params就是为boot_params找到实际的地址。
* 内核中的函数都是fastcall的,则参数1被放在eax中,参数2被放入edx中。
*/
protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,
(u32)&boot_params + (ds() << 4));
}
////////////////////////////////a20.c//////////////////////////////////////////
/*
* Enable A20 gate (return -1 on failure)
* 在80286以前,intel的CPU只有20条地址线,可访问最高地址F000:FFFF=FFFFF,这种情况
* 下20根地址线全1。80286时,有24条地址线,可访问FFFF:FFFF=10FFEFh地址(地址格式没
* 变,只是范围大了),1M以上是extend memory,1M～10FFEFh为high memory。在80268以前
* 如果给的地址大于F000:FFFF,如FFFF:FFFF=10FFEFh,那么因为地址线只有20根,高于20
* 的地址部分将被弃掉,所以访问高于FFFF:FFFF实际上还是访问0FFEF。20根地址线最高
* 是1M内存地址,所以要访问逻辑地址高于1M,都会访问1M以下的地址,这种情况被称作是
* wraparound。而80286却能访问1M以上的地址。在80286实模式访问高端地址与8086不
* 一致,这像是一个bug。所以为了它们一致,人们引入了A20Gate:利用键盘控制器8042空
* 出的一个引脚和第20根地址线相与,以控制第20根。在80286实模式时,键盘控制器的这
* 个引脚是0。
* 注意一下,逻辑地址最高是FFFF:FFFF=FFFF0+FFFF=10FFEFh,在80286实模式下,就算访
* 问这个地址,因为它被人为地置0了,就与8086一样了。最高4位,由于逻辑地址限制,最
* 大值是0001，所以只要控制最高4位的的最低1位(A20)即可,因最高3位超出了逻辑地址
* 表达的范围,它们永远是0。当然,80286以后的CPU也保留着实模式(与8088)的一致性，
* 所以A20Gate一直存在。
* 但对于80286及其以后的CPU,有了保护模式,寻址范围变大,如32位的CPU,20位以上的
* 地址不再是仅有第20位是1、其它位是0了。而A20又成了遗留问题,进保护模式后,如果
* A20还保持着实模式时的值---0，那么会导致一个地址范围找不到。所以在切换到实
* 模式之间需要将A20Gate置为1。
* A20打开的方法不限于8042一种,随着技术的发展,厂商设计出了若干种打开A20的方法
* 下面会用到8042、0x92端口、bois（int15 ax=240x)
*/
#include "boot.h"
#define MAX_8042_LOOPS 100000
#define MAX_8042_FF 32
/*
* 0x64：状态寄存器、命令寄存器
* 0x60：数据寄存器
* 如果要读8042状态,直接读0x64端口,如果要写则将命令写到0x64,将参数
* 写到0x60,然后再读0x60端口取得返回值。
* 0x60 R 读输出缓冲区
* 0x60 W 写输入缓冲区(8042 Data&8048 Command)
* 0x64 R 读状态寄存器
* 0x64 W 写输入缓冲区(8042 Command)
* 端口0x64读出的状态(8位):
* 0 0x60端口有数据,系统应该将它读出
* 1 在输入寄存器中对8042有输入,来自0x60或0x64
* 2 0:reset
* 3 输入寄存器中的值是命令(1)还是数据(0)
* 4 键盘使能(1)禁用(0)
* 5 传输超时
* 6 接收超时
* 7 奇偶校验位 1=偶,0=奇,应该是奇
*/
static int empty_8042(void)
{
u8 status;
int loops = MAX_8042_LOOPS;
int ffs = MAX_8042_FF;
while (loops--) {
io_delay();
status = inb(0x64);
if (status == 0xff) {
/* FF is a plausible, but very unlikely status */
//返回ff说明8042控制器可能不存在
if (!--ffs)
return -1; /* Assume no KBC present */
}
/*
* 最低位是1说明60h端口有数据,将其读出
*/
if (status & 1) {
/* Read and discard input data */
io_delay();
(void)inb(0x60);
} else if (!(status & 2)) {
/* Buffers empty, finished! */
/*
* if句过滤最低位1,到此说明没有数据待读,最低位=0
* 此句又过滤掉bit1的1,那status最低2位应该是00
* 00表示0x60端口既没数据待读,系统也没往8042输入
* 数据或命令,8042empty了。
*/
return 0;
}
}
return -1;
}
/* Returns nonzero if the A20 line is enabled. The memory address
used as a test is the int $0x80 vector, which should be safe. */
#define A20_TEST_ADDR (4*0x80)
#define A20_TEST_SHORT 32
#define A20_TEST_LONG 2097152 /* 2^21 */
static int a20_test(int loops)
{
int ok = 0;
int saved, ctr;
set_fs(0x0000);
set_gs(0xffff);
/*
* fs:A20_TEST_ADDR =00000+4*0x80 =0000:0200
* gs:A20_TEST_ADDR+0x10=ffff0+4*0x80+0x10=0x100200
* wrfs32向fs写32位值,rdfs32从fs:addr处读出值
* wrfs32,rdgs32类似
*
* 上面说过80286实模式的wraparound现象,就是访问高端地址
* 时,由于A20的原因,最高位的1会被抛弃。那么,上面两个地
* 址,如果A20没打开的时候,读出的数据应该是相同的,异或时
* 结果等于0(ok=0)。对于下面的代码,分别从这两个地址读数
* 据,如果异或不是0,说明A20已经打开ok!=0,如果ok=0,说明
* A20没打开。当ok!=0时,会试loops次,确保不是偶然现象,代
* 码会要求loops的每一次都保证ok!=0(A20开启）。
*/
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;
}
//将rdfs32处的值恢复原状
wrfs32(saved, A20_TEST_ADDR);
return ok;
}
/*
* Quick test to see if A20 is already enabled
* 用一个较短的循环来探测
*/
static int a20_test_short(void)
{
return a20_test(A20_TEST_SHORT);
}
/*
* Longer test that actually waits for A20 to come on line; this
* is useful when dealing with the KBC or other slow external circuitry.
* 用一个较长的循环来探测,当用慢速设备(8042)打开A20时,需要用这种方法探测
*/
static int a20_test_long(void)
{
return a20_test(A20_TEST_LONG);
}
/*
* int15也可用来打开A20,
* ax=0x2401 禁用
* ax=0x2402 启用
* ax=0x2403 查询A20状态
* ax=0x2404 查询A20支持情况(8042还是0x92端口)
*/
static void enable_a20_bios(void)
{
struct biosregs ireg;
initregs(&ireg);
ireg.ax = 0x2401;
intcall(0x15, &ireg, NULL);
}
static void enable_a20_kbc(void)
{
empty_8042();
outb(0xd1, 0x64); /* Command write写命令 */
empty_8042();
outb(0xdf, 0x60); /* A20 on,在0x60端口写入命令值(开A20Gate)*/
empty_8042();
outb(0xff, 0x64); /* Null command, but UHCI wants it */
empty_8042();
}
/*
* 0x92端口是快速的A20Gate,当系统没有键盘控制器时,就用这个端口
* bit 1:1,enable; 0,disable
* bit 0:1 reset; 0,no reset
*/
static void enable_a20_fast(void)
{
u8 port_a;
port_a = inb(0x92); /* Configuration port A */
port_a |= 0x02; /* Enable A20 */
port_a &= ~0x01; /* Do not reset machine */
outb(port_a, 0x92);
}
/*
* Actual routine to enable A20; return 0 on ok, -1 on failure
*/
#define A20_ENABLE_LOOPS 255 /* Number of times to try */
/*
* 这个函数会用三种方法来尝试打开A20Gate有一个能打开就成
*/
int enable_a20(void)
{
int loops = A20_ENABLE_LOOPS;
int kbc_err;
while (loops--) {
/* First, check to see if A20 is already enabled
(legacy free, etc.) */
if (a20_test_short())
return 0;
/* Next, try the BIOS (INT 0x15, AX=0x2401) */
enable_a20_bios();
if (a20_test_short())
return 0;
/* Try enabling A20 through the keyboard controller */
kbc_err = empty_8042();
//这句测试是防止bios打开A20的延时
if (a20_test_short())
return 0; /* BIOS worked, but with delayed reaction */
if (!kbc_err) {
enable_a20_kbc();
if (a20_test_long())
return 0;
}
/* Finally, try enabling the "fast A20 gate" */
enable_a20_fast();
if (a20_test_long())
return 0;
}
return -1;
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////