// 这是内核执行头程序 // Created by longjin. // 2022/01/20 #include "common/asm.h" #include // 以下是来自 multiboot2 规范的定义 // How many bytes from the start of the file we search for the header. #define MULTIBOOT2_SEARCH 32768 #define MULTIBOOT2_HEADER_ALIGN 8 // The magic field should contain this. #define MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC 0xe85250d6 // Alignment of multiboot modules. #define MULTIBOOT2_MOD_ALIGN 0x00001000 // Alignment of the multiboot info structure. #define MULTIBOOT2_INFO_ALIGN 0x00000008 // Flags set in the 'flags' member of the multiboot header. #define MULTIBOOT2_TAG_ALIGN 8 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_END 0 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_CMDLINE 1 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_BOOT_LOADER_NAME 2 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_MODULE 3 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_BASIC_MEMINFO 4 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_BOOTDEV 5 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_MMAP 6 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_VBE 7 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_FRAMEBUFFER 8 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_ELF_SECTIONS 9 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_APM 10 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_EFI32 11 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_EFI64 12 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_SMBIOS 13 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_ACPI_OLD 14 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_ACPI_NEW 15 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_NETWORK 16 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_EFI_MMAP 17 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_EFI_BS 18 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_EFI32_IH 19 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_EFI64_IH 20 #define MULTIBOOT2_TAG_TYPE_LOAD_BASE_ADDR 21 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_END 0 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_INFORMATION_REQUEST 1 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_ADDRESS 2 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS 3 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_CONSOLE_FLAGS 4 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_FRAMEBUFFER 5 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_MODULE_ALIGN 6 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_EFI_BS 7 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS_EFI32 8 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS_EFI64 9 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_RELOCATABLE 10 #define MULTIBOOT2_ARCHITECTURE_I386 0 #define MULTIBOOT2_ARCHITECTURE_MIPS32 4 #define MULTIBOOT2_HEADER_TAG_OPTIONAL 1 #define MULTIBOOT2_LOAD_PREFERENCE_NONE 0 #define MULTIBOOT2_LOAD_PREFERENCE_LOW 1 #define MULTIBOOT2_LOAD_PREFERENCE_HIGH 2 #define MULTIBOOT2_CONSOLE_FLAGS_CONSOLE_REQUIRED 1 #define MULTIBOOT2_CONSOLE_FLAGS_EGA_TEXT_SUPPORTED 2 // This should be in %eax. #define MULTIBOOT_BOOTLOADER_MAGIC 0x2badb002 #define MULTIBOOT2_BOOTLOADER_MAGIC 0x36d76289 // 存储到boot_entry_type的值 #define BOOT_ENTRY_TYPE_MULTIBOOT 1 #define BOOT_ENTRY_TYPE_MULTIBOOT2 2 #define BOOT_ENTRY_TYPE_LINUX_32 3 #define BOOT_ENTRY_TYPE_LINUX_64 4 #define BOOT_ENTRY_TYPE_LINUX_32_PVH 5 // 直接用 -m64 编译出来的是 64 位代码， // 但是启动后的机器是 32 位的，相当于在 32 位机器上跑 64 位程序。 // 得加一层跳转到 64 位的 -m32 代码，开启 long 模式后再跳转到以 -m64 编译的代码中 // 对于 x86_64，需要在启动阶段进入长模式(IA32E)，这意味着需要一个临时页表 // See https://wiki.osdev.org/Creating_a_64-bit_kernel: // With a 32-bit bootstrap in your kernel // 这部分是从保护模式启动 long 模式的代码 // 工作在 32bit // 声明这一段代码以 32 位模式编译 .code32 /* PVH Header with pvh_start_addr = __linux32_pvh_boot */ .pushsection .note.dragonos, "a", @note .align 4 .long 2f - 1f .long 4f - 3f .long 18 1:.asciz "Xen" 2:.align 4 3:.long __linux32_pvh_boot 4:.align 4 .popsection .section ".multiboot_header", "a" #define MB_FLAGS_FB 0x4 // reference: https://www.gnu.org/software/grub/manual/multiboot/multiboot.html#Header-graphics-fields #define MB_HEADER_GRAPHIC_MODE_LINEAR 0 #define MB_HEADER_GRAPHIC_MODE_TEXT 1 MB_MAGIC = 0x1BADB002 MB_FLAGS = MB_FLAGS_FB MB_CHECKSUM = -(MB_MAGIC + MB_FLAGS) // multiboot2 文件头 // 计算头长度 .SET MB2_HEADER_LENGTH, multiboot2_header_end - multiboot2_header // 计算校验和 .SET MB2_CHECKSUM, -(MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC + MULTIBOOT2_ARCHITECTURE_I386 + MB2_HEADER_LENGTH) // 8 字节对齐 .code32 .section .multiboot2_header .align MULTIBOOT2_HEADER_ALIGN // 声明所属段 multiboot2_header: // 魔数 .long MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC // 架构 .long MULTIBOOT2_ARCHITECTURE_I386 // 头长度 .long MB2_HEADER_LENGTH // 校验和 .long MB2_CHECKSUM // 添加其它内容在此，详细信息见 Multiboot2 Specification version 2.0.pdf // 设置帧缓冲区(同时在这里设置qemu的分辨率, 默认为: 1440*900, 还支持: 640*480, 等) .align 8 framebuffer_tag_start: .short MULTIBOOT2_HEADER_TAG_FRAMEBUFFER .short MULTIBOOT2_HEADER_TAG_OPTIONAL .long framebuffer_tag_end - framebuffer_tag_start .long 1440 // 宽 .long 900 // 高 .long 32 framebuffer_tag_end: .align 8 .short MULTIBOOT2_HEADER_TAG_END // 结束标记 .short 0 .long 8 multiboot2_header_end: // direct_linux32_boot启动的内核入口 .section .bootstrap, "a" .code32 .global __linux32_pvh_boot __linux32_pvh_boot: cli cld // start info 指针 mov %ebx, mb_entry_info mov $BOOT_ENTRY_TYPE_LINUX_32_PVH, %ebx mov %ebx, boot_entry_type jmp protected_mode_setup .code32 .global _start .type _start, @function .extern _start64 .extern boot_info_addr .extern multiboot2_magic ENTRY(_start) // 关中断 cli // multiboot2_info/ multiboot_info 结构体指针 mov %ebx, mb_entry_info //mov %ebx, %e8 // multiboot魔数 mov %eax, mb_entry_magic mov $MULTIBOOT_BOOTLOADER_MAGIC, %ebx cmp %eax, %ebx je bl_magic_is_mb mov $MULTIBOOT2_BOOTLOADER_MAGIC, %ebx cmp %eax, %ebx je bl_magic_is_mb2 jmp halt // unreachable bl_magic_is_mb: mov $BOOT_ENTRY_TYPE_MULTIBOOT, %ebx mov %ebx, boot_entry_type jmp protected_mode_setup bl_magic_is_mb2: mov $BOOT_ENTRY_TYPE_MULTIBOOT2, %ebx mov %ebx, boot_entry_type jmp protected_mode_setup protected_mode_setup: //mov %eax, %e9 / 从保护模式跳转到长模式 // 1. 允许 PAE mov %cr4, %eax or $(1<<5), %eax mov %eax, %cr4 // 2. 设置临时页表 // 最高级 mov $pml4, %eax mov $pdpt, %ebx or $0x3, %ebx mov %ebx, 0(%eax) // 次级 mov $pdpt, %eax mov $pd, %ebx or $0x3, %ebx mov %ebx, 0(%eax) // 次低级 mov $pd, %eax mov $pt, %ebx or $0x3, %ebx mov %ebx, 0(%eax) // 最低级 // 循环 512 次，填满一页 mov $512, %ecx mov $pt, %eax mov $0x3, %ebx .fill_pt: mov %ebx, 0(%eax) add $0x1000, %ebx add $8, %eax loop .fill_pt .global enter_head_from_ap_boot enter_head_from_ap_boot: // 填写 CR3 mov $pml4, %eax mov %eax, %cr3 // 3. 切换到 long 模式 mov $0xC0000080, %ecx rdmsr or $(1<<8), %eax wrmsr // 4. 开启分页 mov %cr0, %eax or $(1<<31), %eax mov %eax, %cr0 // 5. 重新设置 GDT mov $gdt64_pointer, %eax lgdt 0(%eax) jmp $0x8, $ready_to_start_64 hlt ret .code64 .global ready_to_start_64 ready_to_start_64: mov $0x10, %ax mov %ax, %ds mov %ax, %es mov %ax, %fs mov %ax, %ss mov $0x7e00, %esp //6. 跳转到start64 movq switch_to_start64(%rip), %rax pushq $0x08 //段选择子 pushq %rax lretq switch_to_start64: .quad _start64 .code64 halt: cli hlt jmp halt .global _start64 .type _start64, @function .extern Start_Kernel ENTRY(_start64) // 初始化寄存器 mov $0x10, %ax mov %ax, %ds mov %ax, %es mov %ax, %fs mov %ax, %ss mov $0x7e00, %esp // === 加载GDTR ==== lgdt GDT_POINTER(%rip) //这里我没搞明白rip相对寻址, 看了文档，大概是用来实现PIC的（position independent code） //lgdt $GDT_POINTER // === 加载IDTR ==== lidt IDT_POINTER(%rip) //lidt $IDT_POINTER movq GDT_POINTER(%rip), %r12 // 分支，判断是否为apu movq $0x1b, %rcx // 根据IA32_APIC_BASE.BSP[8]标志位判断处理器是否为apu rdmsr bt $8, %rax jnc load_apu_cr3 // BSP处理器 movq head_stack_start(%rip), %rsp // 2. 设置临时页表 // 最高级 mov $__PML4E, %eax mov $__PDPTE, %ebx or $0x3, %ebx mov %ebx, 0(%eax) mov $__PML4E, %eax // 加256个表项, 映射高地址 add $2048, %eax mov %ebx, 0(%eax) // 次级 mov $__PDPTE, %eax mov $__PDE, %ebx or $0x3, %ebx mov %ebx, 0(%eax) // 次低级 mov $__PDE, %eax mov $50, %ecx mov $__PT_S, %ebx or $0x3, %ebx .fill_pde_64: mov %ebx, 0(%eax) add $0x1000, %ebx add $8, %eax loop .fill_pde_64 // 最低级 // 循环 512*25=12800 次，填满25页，共50M mov $12800, %ecx mov $__PT_S, %eax mov $0x3, %ebx .fill_pt_64: mov %ebx, 0(%eax) add $0x1000, %ebx add $8, %eax loop .fill_pt_64 // 50-100M填0，共25个页表 mov $12800, %ecx .fill_pt_64_2: movq $0, 0(%eax) add $8, %eax loop .fill_pt_64_2 // ==== 加载CR3寄存器 load_cr3: movq $__PML4E, %rax //设置页目录基地址 movq %rax, %cr3 jmp to_switch_seg load_apu_cr3: // 由于内存管理模块重置了页表，因此ap核心初始化的时候，需要使用新的内核页表。 // 这个页表的值由smp模块设置到__APU_START_CR3变量中 // 加载__APU_START_CR3中的值 movq $__APU_START_CR3, %rax movq 0(%rax), %rax movq %rax, %cr3 movq _apu_boot_tmp_stack_top_addr(%rip), %rsp jmp to_switch_seg to_switch_seg: movq switch_seg(%rip), %rax // 由于ljmp和lcall在GAS中不受支持，因此我们需要先伪造函数调用现场，通过lret的方式，给它跳转过去。才能更新cs寄存器 // 实在是太妙了！Amazing！ pushq $0x08 //段选择子 pushq %rax lretq // 64位模式的代码 switch_seg: .quad entry64 entry64: movq $0x10, %rax movq %rax, %ds movq %rax, %es movq %rax, %gs movq %rax, %ss // 分支，判断是否为apu,然后设置栈指针· movq $0x1b, %rcx // 根据IA32_APIC_BASE.BSP[8]标志位判断处理器是否为apu rdmsr bt $8, %rax jnc __set_ap_tmp_stack_start2 __set_bsp_stack_start2: movq head_stack_start(%rip), %rsp jmp __set_stack_start2_ok __set_ap_tmp_stack_start2: // 设置ap核心的临时栈 movq _apu_boot_tmp_stack_top_addr(%rip), %rsp jmp __set_stack_start2_ok __set_stack_start2_ok: // 重新加载GDT和IDT，加载到高地址 leaq GDT_Table(%rip), %r8 leaq GDT_END(%rip), %r9 subq %r8, %r9 movq %r9, %r13 // GDT size leaq IDT_Table(%rip), %r8 leaq IDT_END(%rip), %r9 subq %r8, %r9 movq %r9, %r12 // IDT size lgdt GDT_POINTER64(%rip) lidt IDT_POINTER64(%rip) // 分支，判断是否为apu movq $0x1b, %rcx // 根据IA32_APIC_BASE.BSP[8]标志位判断处理器是否为apu rdmsr bt $8, %rax jnc start_smp setup_IDT: // 该部分代码只在启动初期使用，后面的c文件中会重新设置IDT， leaq m_ignore_int(%rip), %rdx // 将ignore_int的地址暂时存到中段描述符的高8B movq $(0x08 << 16), %rax // 设置段选择子。由IDT结构和段选择子结构可知，本行设置段基地址为0x100000，TI=0,RPL=0 movw %dx, %ax movq $ (0x8e00 << 32), %rcx // 设置Type=1110 P=1 DPL=00 0=0 addq %rcx, %rax // 把ignore_int的地址填写到正确位置, rax存低8B， rdx存高8B movl %edx, %ecx shrl $16, %ecx // 去除低16位 shlq $48, %rcx addq %rcx, %rax // 填写段内偏移31:16 shrq $32, %rdx // （已经填写了32位，故右移32） leaq IDT_Table(%rip), %rdi // 获取中断描述符表的首地址，存储到rdi mov $256, %rcx // 初始化每个中断描述符 repeat_set_idt: // ====== 循环，初始化总共256个中断描述符 === movq %rax, (%rdi) // 保存低8B movq %rdx, 8(%rdi) // 保存高8B addq $0x10, %rdi // 转到下一个IDT表项 dec %rcx jne repeat_set_idt //now enable SSE and the like movq %cr0, %rax and $0xFFFB, %ax //clear coprocessor emulation CR0.EM or $0x2, %ax //set coprocessor monitoring CR0.MP movq %rax, %cr0 movq %cr4, %rax or $(3 << 9), %ax //set CR4.OSFXSR and CR4.OSXMMEXCPT at the same time movq %rax, %cr4 movq go_to_kernel(%rip), %rax /* movq address */ pushq $0x08 pushq %rax // 传参 movq mb_entry_info, %rdi movq mb_entry_magic, %rsi movq %r13, %rdx // GDT size movq %r12, %r10 // IDT size movq boot_entry_type, %r8 lretq go_to_kernel: .quad kernel_main start_smp: //now enable SSE and the like movq %cr0, %rax and $0xFFFB, %ax //clear coprocessor emulation CR0.EM or $0x2, %ax //set coprocessor monitoring CR0.MP movq %rax, %cr0 movq %cr4, %rax or $(3 << 9), %ax //set CR4.OSFXSR and CR4.OSXMMEXCPT at the same time movq %rax, %cr4 movq go_to_smp_kernel(%rip), %rax /* movq address */ pushq $0x08 pushq %rax /* // 重新加载GDT和IDT，加载到高地址 leaq GDT_Table(%rip), %r8 leaq GDT_END(%rip), %r9 subq %r8, %r9 movq %r9, %r13 // GDT size leaq IDT_Table(%rip), %r8 leaq IDT_END(%rip), %r9 subq %r8, %r9 movq %r9, %r12 // IDT size lgdt GDT_POINTER64(%rip) lidt IDT_POINTER64(%rip) */ lretq go_to_smp_kernel: .quad smp_ap_start // ==== 异常/中断处理模块 ignore int： 忽略中断 // (该部分代码只在启动初期使用，后面的c文件中会重新设置IDT，从而重设ignore_int的中断入点) m_ignore_int: // 切换到c语言的ignore_int movq go_to_ignore_int(%rip), %rax pushq $0x08 pushq %rax lretq go_to_ignore_int: .quad ignore_int_handler ENTRY(head_stack_start) .quad BSP_IDLE_STACK_SPACE + 32768 ENTRY(_apu_boot_tmp_stack_top_addr) .quad _apu_boot_tmp_stack_start + APU_BOOT_TMP_STACK_SIZE // 初始化页表 .align 0x1000 //设置为4k对齐 __PML4E: .skip 0x1000 __PDPTE: .skip 0x1000 // 三级页表 __PDE: .skip 0x1000 // 预留50个四级页表，总共表示100M的内存空间。这50个页表占用200KB的空间 __PT_S: .skip 0x32000 .global __APU_START_CR3 __APU_START_CR3: .quad 0 // GDT表 .align 16 .global GDT_Table // 使得GDT可以被外部程序引用或者访问 GDT_Table: .quad 0x0000000000000000 // 0 空描述符 0x00 .quad 0x0020980000000000 // 1 内核64位代码段描述符 0x08 .quad 0x0000920000000000 // 2 内核64位数据段描述符 0x10 .quad 0x0000000000000000 // 3 用户32位代码段描述符 0x18 .quad 0x0000000000000000 // 4 用户32位数据段描述符 0x20 .quad 0x00cff3000000ffff // 5 用户64位数据段描述符 0x28 .quad 0x00affb000000ffff // 6 用户64位代码段描述符 0x30 .quad 0x00cf9a000000ffff // 7 内核32位代码段描述符 0x38 .quad 0x00cf92000000ffff // 8 内核32位数据段描述符 0x40 .fill 100, 8, 0 // 10-11 TSS(跳过了第9段) 重复十次填充8字节的空间，赋值为0 长模式下，每个TSS长度为128bit GDT_END: .global GDT_POINTER GDT_POINTER: GDT_LIMIT: .word GDT_END - GDT_Table - 1 // GDT的大小 GDT_BASE: .quad GDT_Table .global GDT_POINTER64 GDT_POINTER64: GDT_LIMIT64: .word GDT_END - GDT_Table - 1 // GDT的大小 GDT_BASE64: .quad GDT_Table + 0xffff800000000000 // IDT 表 .global IDT_Table IDT_Table: .fill 512, 8, 0 // 设置512*8字节的IDT表的空间 IDT_END: .global IDT_POINTER IDT_POINTER: IDT_LIMIT: .word IDT_END - IDT_Table - 1 IDT_BASE: .quad IDT_Table .global IDT_POINTER64 IDT_POINTER64: IDT_LIMIT64: .word IDT_END - IDT_Table - 1 IDT_BASE64: .quad IDT_Table + 0xffff800000000000 .section .bootstrap.data mb_entry_magic: .quad 0 mb_entry_info: .quad 0 // 引导协议类型 boot_entry_type: .quad 0 .code32 // 临时页表 4KB/页 .align 0x1000 .global pml4 pml4: .skip 0x1000 pdpt: .skip 0x1000 pd: .skip 0x1000 pt: .skip 0x1000 // 临时 GDT .align 16 gdt64: null_desc: .short 0xFFFF .short 0 .byte 0 .byte 0 .byte 0 .byte 0 code_desc: .short 0 .short 0 .byte 0 .byte 0x9A .byte 0x20 .byte 0 data_desc: .short 0 .short 0 .byte 0 .byte 0x92 .byte 0 .byte 0 user_code_desc: .short 0 .short 0 .byte 0 .byte 0xFA .byte 0x20 .byte 0 user_data_desc: .short 0 .short 0 .byte 0 .byte 0xF2 .byte 0 .byte 0 gdt64_pointer: .short gdt64_pointer-gdt64-1 .quad gdt64 gdt64_pointer64: .short gdt64_pointer-gdt64-1 .quad gdt64