Learning resource of bootstraping linux kernel on x86.

1. Kernel Bootstrap
Kai Sasaki(@Lewuathe)

2. 今日のお話
• BIOS
• Bootloader
• header.S
• main.c
※アーキテクチャはx86

3. まず電源ボタンを押します

4. マザーボード
1.マザーボードに十分な電力が与えられる
2.CPUを走らせるためにすべてのregisterを初期化
3.Real modeで起動を開始する
IP 0xfff0
CS base 0xffff0000

5. Real Mode
• x86互換のCPUでの起動時の動作モード
• メモリを20bit(1MB)の空間で分割
• すべてのプログラムが直接的に
メモリにアクセス可能

6. Real Mode
Mem
メモリバスは20bit
CPU
register
registerは16bit

7. Real Mode
Mem
メモリバスは20bit
CPU
register
registerは16bit
メモリ空間は1MB(2^20)あるのに16bit registerしかない

8. Real Mode
65535
65535
…
CP:IP
base address offset

9. Real Mode
65535
65535
…
CP:IP
0x2000 0x0010
(0x2000 << 4) + 0x1000
対象のアドレスは

10. Reset Vector
IP 0xfff0
CS base 0xffff0000
0xffff0000:0xfff0
Logical Address

11. Reset Vector
IP 0xfff0
CS base 0xffff0000
0xffff0000:0xfff0
Logical Address
これをReset Vectorといい、すべての初期化が
終わった段階で最初に行う命令がこのアドレスに入っている

12. jump命令
• Reset Vectorの先にはjump命令が入っている
• 多くはBIOSへと飛ぶ無条件分岐命令
.section ".reset"
.code16
.globl reset_vector
reset_vector:
.byte 0xe9
.int _start - ( . + 2 )
...
coreboot(http://www.coreboot.org/) より

13. BIOS
• ハードウェアの初期化、チェックを行い
次にブート可能なデバイスを探す
• マザーボード毎に実装され、通常はROMなどの
不揮発性メモリの上に乗っている

14. BIOS
• ブートセクターを探す
• デバイス毎にブートプログラムを可能している
• 通常そのデバイスの先頭512byteに格納
P1 P2 P3BS
5120

15. Master Boot Record
• ブートセクタにおいてあるプログラム
• BIOSは先頭512byteの
ロードのみ保証
• そのためこのプログラムが
後続のプログラムを次々に
ロードしていく形になる
http://ja.wikipedia.org/wiki/マスターブートレコード

16. Bootloader
• MBRにインストールされているソフトウェア
• GRUBやLILOが一般的
• BIOSはBootloaderを選択し処理を受け渡す
• このBootloaderとして利用可能なプログラムは
Kernelの を実装しているBoot Protocol
https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/x86/boot.txt

17. GRUB
stage1(boot.img)
BIOS
stage2
(diskboot.img)
grub_main

18. header
• Boot Protocolでヘッダの設定が規定されている
• Bootloaderはこれらの設定を行う必要がある
https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/header.S#L280-L288

19. kernel loading
• Boot Protocolに従いカーネルをメモリにロードする
https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/x86/boot.txt

20. kernel setup
• loadが完了すると処理がkernelに移る
• kernelのsetupは_startからはじまる
• ここのメモリ上のoffsetはBootloaderは知っている
https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/header.S#L293

21. header.S
1. label 1へのjump
2. headerのsetup
3. start_of_setup
1. segment registerの検証 : dsとesの両segment registerを同じ箇所を指すようにする
2. スタックの設定 :
3. bssの設定 : 静的なデータ領域の設定を行う
4. main.cへのjump
.byte 0xeb
.byte start_of_setup-1f

22. main.c
https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/boot/main.c
ここからはC
お疲れ様でした

23. Reference
• linux-internals
• http://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/index.html