當(dāng)前位置:首頁(yè) > 公眾號(hào)精選 > CPP開(kāi)發(fā)者
[導(dǎo)讀]不論是在x86平臺(tái)上,還是在嵌入式平臺(tái)上,系統(tǒng)的啟動(dòng)一般都經(jīng)歷了bootloader到操作系統(tǒng),再到應(yīng)用程序,這樣的三級(jí)跳過(guò)程。每一個(gè)相互交接的過(guò)程,都是我們學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。這篇文章,我們?nèi)匀灰詘86平臺(tái)為例,一起來(lái)看一下:從上電之后,系統(tǒng)是如何一步一步的進(jìn)入應(yīng)用程序的入口地址。bo...

不論是在 x86 平臺(tái)上,還是在嵌入式平臺(tái)上,系統(tǒng)的啟動(dòng)一般都經(jīng)歷了 bootloader 到 操作系統(tǒng),再到應(yīng)用程序,這樣的三級(jí)跳過(guò)程。每一個(gè)相互交接的過(guò)程,都是我們學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。這篇文章,我們?nèi)匀灰?x86 平臺(tái)為例,一起來(lái)看一下:從上電之后,系統(tǒng)是如何一步一步的進(jìn)入應(yīng)用程序的入口地址。

bootloader 跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)

?bootloader 在進(jìn)入保護(hù)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(gè)段描述符:

只要在 GDT 中創(chuàng)建了這 3 個(gè)描述符,然后把 GDT 的地址(eg: 0x0001_0000)設(shè)置到 GDTR 寄存器中,此時(shí)就可以進(jìn)入保護(hù)模式工作了(設(shè)置 CR0 寄存器的 bit01)。假設(shè) bootloader 把操作系統(tǒng)程序讀取到內(nèi)存 0x0002_0000 的位置,示例:

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

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

這樣的話,操作系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行時(shí),就可以從 header 中準(zhǔn)確的獲取到每一個(gè)段的基地址了,然后就可以設(shè)置相應(yīng)的段寄存器,進(jìn)入正確的執(zhí)行上下文了。那么在保護(hù)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(gè)段的描述符才行。很顯然,需要借助 bootloader 才可以完成這個(gè)目標(biāo),也就是:

  1. 在 GDT 中為操作系統(tǒng)程序中的三個(gè)段,建立相應(yīng)的描述符;
  2. 把每一個(gè)段的描述符索引號(hào),寫(xiě)回到操作系統(tǒng)程序的 header 中;
注意:這里描述的僅僅是一個(gè)可能的過(guò)程,主要用來(lái)理解原理。有些系統(tǒng)可以用不同的實(shí)現(xiàn)方式,例如:在進(jìn)入操作系統(tǒng)之后,在另外一個(gè)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(lái)接收 bootloader 往其中寫(xiě)入段索引號(hào),所以 bootloaderOS 就要協(xié)商好,寫(xiě)在什么位置?可以按照之前的方式,直接覆寫(xiě)在每個(gè)段的匯編地址位置,也可以寫(xiě)在其他的位置,例如:

其中,最后的 3 個(gè)位置可以用來(lái)接收操作系統(tǒng)的三個(gè)段索引號(hào)。

建立操作系統(tǒng)的三個(gè)段描述符

bootloaderOS 加載到內(nèi)存中之后,會(huì)解析 OSheader 中數(shù)據(jù),得到每個(gè)段的基地址以及界限。雖然 header 中沒(méi)有明確的記錄每個(gè)段的界限,可以根據(jù)下一個(gè)段的開(kāi)始地址,來(lái)計(jì)算得到上一個(gè)段的長(zhǎng)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(gè)段的長(zhǎng)度。

此時(shí),bootloader 就可以利用這幾個(gè)信息:段基地址、界限、類(lèi)型以及其他屬性,來(lái)構(gòu)造出相應(yīng)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(gè)段描述符,實(shí)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(gè)段描述符在 GDT 中的索引號(hào),填寫(xiě)到 OSheader 中相應(yīng)的位置:

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

  1. 代碼段的索引號(hào);
  2. 代碼的入口地址;
因此,把入口地址和索引號(hào)放在一起,有助于 bootloader 直接使用跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句,進(jìn)入到 OSstart 標(biāo)記處開(kāi)始執(zhí)行。

操作系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序

從現(xiàn)代操作系統(tǒng)來(lái)看,這個(gè)標(biāo)題是有錯(cuò)誤的:操作系統(tǒng)是應(yīng)用程序的下層支撐,相當(dāng)于是應(yīng)用程序的 runtime,怎么能叫做跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序呢?其實(shí)我想表達(dá)的意思是:操作系統(tǒng)是如何加載、執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用程序的。既然是保護(hù)模式,那么操作系統(tǒng)就承擔(dān)起重要的職責(zé):保護(hù)系統(tǒng)不會(huì)受到每一個(gè)應(yīng)用程序的惡意破壞!

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

  1. 代碼段的基地址、界限、類(lèi)型和權(quán)限等信息;
  2. 數(shù)據(jù)段的基地址、界限、類(lèi)型和權(quán)限等信息;
  3. 棧段的基地址、界限、類(lèi)型和權(quán)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(yīng)用程序都會(huì)有一個(gè)自己私有的局部描述符表 LDT,專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)應(yīng)用程序自己的段描述符。還記得之前討論過(guò)的下面這張圖嗎?

段寄存器的 bit2TI 標(biāo)志,就說(shuō)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(jiàn),我們就把所有的段描述符都放在 GDT 中。就猶如 bootloaderOS 創(chuàng)建段描述符一樣,OS 也以同樣的步驟為應(yīng)用程序來(lái)創(chuàng)建每一個(gè)段描述符。此時(shí)的 GDT 就是下面這樣:

從這張圖中已經(jīng)可以看出一個(gè)問(wèn)題了:如果所有應(yīng)用程序的段描述符都放在全局的 GDT 中,當(dāng)應(yīng)用程序結(jié)束之后,還得去更新 GDT,勢(shì)必給操作系統(tǒng)的代碼帶來(lái)很多麻煩。

因此,更合理的方式應(yīng)該是放在應(yīng)用程序私有的 LDT 中,這個(gè)問(wèn)題,以后還會(huì)進(jìn)一步討論到。不管怎樣,OS 啟動(dòng)應(yīng)用程序的整體流程如下:

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

應(yīng)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(yīng)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(guò)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在中斷處理器程序中,再通過(guò)一個(gè)寄存器來(lái)標(biāo)識(shí):當(dāng)前應(yīng)用程序想調(diào)用哪一個(gè)系統(tǒng)函數(shù),也就是說(shuō):每一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)都有一個(gè)固定的數(shù)字編號(hào)。

再回到我們當(dāng)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(jiǎn)單的方法就是:把所有的系統(tǒng)函數(shù)都放在一個(gè)單獨(dú)的代碼段中,把這個(gè)段的索引號(hào)以及每一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)的偏移地址告訴應(yīng)用程序。這樣的話,應(yīng)用程序就可以通過(guò)這 2 個(gè)信息調(diào)用到系統(tǒng)函數(shù)了。假如:有 2 個(gè)系統(tǒng)函數(shù) os_func1 和 ?os_func2,放在一個(gè)獨(dú)立的段中:

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

在應(yīng)用程序的 header 中,預(yù)留一個(gè)足夠大的空間來(lái)存放每一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)的跳轉(zhuǎn)信息(系統(tǒng)函數(shù)的段索引號(hào)和函數(shù)的偏移地址):

應(yīng)用程序有了這個(gè)信息之后,當(dāng)需要調(diào)用 os_func1 時(shí),就直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的 段索引號(hào):函數(shù)偏移地址,就可以調(diào)用到這個(gè)系統(tǒng)函數(shù)了。這里同樣的會(huì)引出 2 個(gè)問(wèn)題:

  1. 如果操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)函數(shù)很多,應(yīng)用程序也很多,那么操作系統(tǒng)在加載每一個(gè)應(yīng)用程序時(shí),豈不是要忙死了?而且應(yīng)用程序也不知道應(yīng)該保留多大的空間來(lái)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(shí),此時(shí)代碼段、數(shù)據(jù)段都是屬于操作系統(tǒng)的勢(shì)力范圍,但是?;泛蜅m斨羔樖褂玫娜匀皇菓?yīng)用程序擁有的棧,這樣合理嗎?
對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題,所以 Linux 中通過(guò)中斷,提供一個(gè)統(tǒng)一的調(diào)用入口地址,然后通過(guò)一個(gè)寄存器來(lái)區(qū)分是哪一個(gè)函數(shù)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題,Linux 在加載每一個(gè)應(yīng)用程序時(shí),會(huì)在內(nèi)核中建立與該應(yīng)用程序相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并且在內(nèi)核中創(chuàng)建一塊內(nèi)存空間,專(zhuān)門(mén)用作:從這個(gè)應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核中執(zhí)行代碼時(shí),所使用的??臻g。但是,還有一些問(wèn)題依然存在,例如:

  1. 應(yīng)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(duì)內(nèi)核代碼進(jìn)行保護(hù)?;
  2. Linux 為應(yīng)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(fù)雜的特權(quán)級(jí)的相關(guān)內(nèi)容了。

bootloader操作系統(tǒng),再到應(yīng)用程序,這個(gè)三級(jí)跳的最簡(jiǎn)流程就討論結(jié)束了。


- EOF -

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專(zhuān)欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車(chē)的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車(chē)技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車(chē)工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車(chē)。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車(chē) 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉