三級跳過程詳解-從?bootloader?到?操作系統(tǒng)，再到應用程序

不論是在 x86 平臺上，還是在嵌入式平臺上，系統(tǒng)的啟動一般都經(jīng)歷了 bootloader 到 操作系統(tǒng)，再到應用程序，這樣的三級跳過程。每一個相互交接的過程，都是我們學習的重點。這篇文章，我們?nèi)匀灰?x86 平臺為例，一起來看一下：從上電之后，系統(tǒng)是如何一步一步的進入應用程序的入口地址。

bootloader 跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)

?bootloader 在進入保護模式之后，在地址 0x0001_0000 處創(chuàng)建了全局描述符表(GDT)，表中創(chuàng)建了 3 個段描述符：

只要在 GDT 中創(chuàng)建了這 3 個描述符，然后把 GDT 的地址(eg: 0x0001_0000)設置到 GDTR 寄存器中，此時就可以進入保護模式工作了(設置 CR0 寄存器的 bit0 為 1)。假設 bootloader 把操作系統(tǒng)程序讀取到內(nèi)存 0x0002_0000 的位置，示例：

關于文件頭 header 的內(nèi)容，與實模式下是不同的。在實模式下，header 的布局如下圖：

bootloader 在把操作系統(tǒng)，從硬盤加載到內(nèi)存中之后，從 header 中取得 3 個段的匯編地址(即：段的開始地址相對于文件開始的偏移量)，然后計算得到段的基地址，最后把段基地址寫回到 header 的這 3 個段地址空間中。

這樣的話，操作系統(tǒng)開始執(zhí)行時，就可以從 header 中準確的獲取到每一個段的基地址了，然后就可以設置相應的段寄存器，進入正確的執(zhí)行上下文了。那么在保護模式下呢，操作系統(tǒng)需要的就不是段的基地址了，而是要獲取到每一個段的描述符才行。很顯然，需要借助 bootloader 才可以完成這個目標，也就是：

1. 在 GDT 中為操作系統(tǒng)程序中的三個段，建立相應的描述符;
2. 把每一個段的描述符索引號，寫回到操作系統(tǒng)程序的 header 中;

注意：這里描述的僅僅是一個可能的過程，主要用來理解原理。有些系統(tǒng)可以用不同的實現(xiàn)方式，例如：在進入操作系統(tǒng)之后，在另外一個位置存放 GDT，并重新創(chuàng)建其中的段描述符。

操作系統(tǒng)的 header 布局

既然 header 需要作為媒介，來接收 bootloader 往其中寫入段索引號，所以 bootloader 與 OS 就要協(xié)商好，寫在什么位置？可以按照之前的方式，直接覆寫在每個段的匯編地址位置，也可以寫在其他的位置，例如：

其中，最后的 3 個位置可以用來接收操作系統(tǒng)的三個段索引號。

建立操作系統(tǒng)的三個段描述符

bootloader 把 OS 加載到內(nèi)存中之后，會解析 OS 的 header 中數(shù)據(jù)，得到每個段的基地址以及界限。雖然 header 中沒有明確的記錄每個段的界限，可以根據(jù)下一個段的開始地址，來計算得到上一個段的長度。我們可以聯(lián)想一下：現(xiàn)代 Linux 系統(tǒng)中 ELF 文件的格式，在文件頭部中記錄了每一個段的長度。

此時，bootloader 就可以利用這幾個信息：段基地址、界限、類型以及其他屬性，來構造出相應的段描述符了(下圖橙色部分)：

PS：這里的示例只為操作系統(tǒng)創(chuàng)建了 3 個段描述符，實際情況也許有更多的段。

OS 段描述符建立之后，bootloader 再把這 3 個段描述符在 GDT 中的索引號，填寫到 OS 的 header 中相應的位置：

上圖中，“入口地址”下面的那個 4，本質(zhì)上是不需要的，加上更有好處，好處如下：當從 bootloader 跳入到操作系統(tǒng)的入口地址時，需要告訴處理器兩件事情：

1. 代碼段的索引號;
2. 代碼的入口地址;

因此，把入口地址和索引號放在一起，有助于 bootloader 直接使用跳轉(zhuǎn)語句，進入到 OS 的 start 標記處開始執(zhí)行。

操作系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到應用程序

從現(xiàn)代操作系統(tǒng)來看，這個標題是有錯誤的：操作系統(tǒng)是應用程序的下層支撐，相當于是應用程序的 runtime，怎么能叫做跳轉(zhuǎn)到應用程序呢？其實我想表達的意思是：操作系統(tǒng)是如何加載、執(zhí)行一個應用程序的。既然是保護模式，那么操作系統(tǒng)就承擔起重要的職責：保護系統(tǒng)不會受到每一個應用程序的惡意破壞！

因此，操作系統(tǒng)：把應用程序從硬盤上復制到內(nèi)存中之后，跳入應用程序的第一條指令之前，需要為應用程序分配好內(nèi)存資源：

1. 代碼段的基地址、界限、類型和權限等信息;
2. 數(shù)據(jù)段的基地址、界限、類型和權限等信息;
3. 棧段的基地址、界限、類型和權限等信息;

以上這些信息，都以段描述符的形式，創(chuàng)建在 GDT 中。PS: 在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，應用程序都會有一個自己私有的局部描述符表 LDT，專門存儲應用程序自己的段描述符。還記得之前討論過的下面這張圖嗎？

段寄存器的 bit2 位 TI 標志，就說明了需要到 GDT 中查找段描述符？還是到 LDT 中去查找？為了方便起見，我們就把所有的段描述符都放在 GDT 中。就猶如 bootloader 為 OS 創(chuàng)建段描述符一樣，OS 也以同樣的步驟為應用程序來創(chuàng)建每一個段描述符。此時的 GDT 就是下面這樣：

從這張圖中已經(jīng)可以看出一個問題了：如果所有應用程序的段描述符都放在全局的 GDT 中，當應用程序結束之后，還得去更新 GDT，勢必給操作系統(tǒng)的代碼帶來很多麻煩。

因此，更合理的方式應該是放在應用程序私有的 LDT 中，這個問題，以后還會進一步討論到。不管怎樣，OS 啟動應用程序的整體流程如下：

1. 操作系統(tǒng)把應用程序讀取到內(nèi)存中的某個空閑位置;
2. 操作系統(tǒng)分析應用程序 header 部分的信息;
3. 操作系統(tǒng)為應用程序創(chuàng)建每一個段描述符，并且把索引號寫回到 header 中;
4. 跳轉(zhuǎn)到應用程序的入口地址，應用程序從 header 中獲取到每個段索引號，設置好自己的執(zhí)行上下文(即：設置好各種寄存器);

應用程序調(diào)用操作系統(tǒng)中的函數(shù)

這里的函數(shù)可以理解成系統(tǒng)調(diào)用，也就是操作系統(tǒng)為所有的應用程序提供的公共函數(shù)。在 Linux 系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用是通過中斷來實現(xiàn)的，在中斷處理器程序中，再通過一個寄存器來標識：當前應用程序想調(diào)用哪一個系統(tǒng)函數(shù)，也就是說：每一個系統(tǒng)函數(shù)都有一個固定的數(shù)字編號。

再回到我們當前討論的 x86 處理器中，操作系統(tǒng)提供系統(tǒng)函數(shù)的最簡單的方法就是：把所有的系統(tǒng)函數(shù)都放在一個單獨的代碼段中，把這個段的索引號以及每一個系統(tǒng)函數(shù)的偏移地址告訴應用程序。這樣的話，應用程序就可以通過這 2 個信息調(diào)用到系統(tǒng)函數(shù)了。假如：有 2 個系統(tǒng)函數(shù) os_func1 和 ?os_func2，放在一個獨立的段中：

既然 OS 中多了一個代碼段，那么 bootloader 就需要幫助它在 GDT 中多創(chuàng)建一個段描述符：

在應用程序的 header 中，預留一個足夠大的空間來存放每一個系統(tǒng)函數(shù)的跳轉(zhuǎn)信息(系統(tǒng)函數(shù)的段索引號和函數(shù)的偏移地址)：

應用程序有了這個信息之后，當需要調(diào)用 os_func1 時，就直接跳轉(zhuǎn)到相應的 段索引號：函數(shù)偏移地址，就可以調(diào)用到這個系統(tǒng)函數(shù)了。這里同樣的會引出 2 個問題：

1. 如果操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)函數(shù)很多，應用程序也很多，那么操作系統(tǒng)在加載每一個應用程序時，豈不是要忙死了？而且應用程序也不知道應該保留多大的空間來存放這些系統(tǒng)函數(shù)的跳轉(zhuǎn)信息;
2. 在執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)時，此時代碼段、數(shù)據(jù)段都是屬于操作系統(tǒng)的勢力范圍，但是?；泛蜅ｍ斨羔樖褂玫娜匀皇菓贸绦驌碛械臈?，這樣合理嗎？

對于第一個問題，所以 Linux 中通過中斷，提供一個統(tǒng)一的調(diào)用入口地址，然后通過一個寄存器來區(qū)分是哪一個函數(shù)。對于第二個問題，Linux 在加載每一個應用程序時，會在內(nèi)核中建立與該應用程序相關的數(shù)據(jù)結構，并且在內(nèi)核中創(chuàng)建一塊內(nèi)存空間，專門用作：從這個應用程序跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核中執(zhí)行代碼時，所使用的?？臻g。但是，還有一些問題依然存在，例如：

1. 應用程序雖然可以調(diào)用操作系統(tǒng)提供的函數(shù)了，但是操作系統(tǒng)如何對內(nèi)核代碼進行保護？;
2. Linux 為應用程序建立內(nèi)部棧的底層支撐是什么？

這就涉及到 x86 中復雜的特權級的相關內(nèi)容了。

從 bootloader 到操作系統(tǒng)，再到應用程序，這個三級跳的最簡流程就討論結束了。

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