1.7 内核初始化

sys/conf/Makefile.i386:
ld -elf -Bdynamic -T /usr/src/sys/conf/ldscript.i386  -export-dynamic \
-dynamic-linker /red/herring -o kernel -X locore.o \
<lots of kernel .o files>

sys/conf/ldscript.i386:
ENTRY(btext)

sys/i386/i386/locore.s:
    .text
/**********************************************************************
 *
 * This is where the bootblocks start us, set the ball rolling...
 * 入口
 */
NON_GPROF_ENTRY(btext)

sys/i386/i386/locore.s
/* 不要相信BIOS给出的EFLAGS值 */
    pushl   $PSL_KERNEL
    popfl

/*
 * 不要相信BIOS给出的%fs、%gs值。相信引导过程中设定的%cs、%ds、%es、%ss值
 */
    mov %ds, %ax
    mov %ax, %fs
    mov %ax, %gs

   testl   $CPUID_VME, R(_cpu_feature)
    jz  1f
    movl    %cr4, %eax
    orl $CR4_VME, %eax
    movl    %eax, %cr4

/* Now enable paging */
    movl    R(_IdlePTD), %eax
    movl    %eax,%cr3           /* load ptd addr into mmu */
    movl    %cr0,%eax           /* get control word */
    orl $CR0_PE|CR0_PG,%eax     /* enable paging */
    movl    %eax,%cr0           /* and let's page NOW! */

   pushl   $begin              /* jump to high virtualized address */
    ret

/* 现在跳转至KERNBASE，那里是操作系统内核被链接后真正的入口 */
begin:

sys/i386/i386/locore.s:
    movl    physfree, %esi
    pushl   %esi        /* 送给init386()的第一个参数 */
    call    _init386    /* 设置386芯片使之适应UNIX工作 */
    call    _mi_startup /* 自动配置硬件，挂接根文件系统，等 */
    hlt     /* 不再返回到这里！ */

1.7.1 init386()

　　init386()定义在 sys/i386/i386/machdep.c中， 它针对Intel 386芯片进行低级初始化。loader已将CPU切换至保护模式。 loader已经建立了最早的任务。

在这个任务中，内核将继续工作。在讨论其代码前， 我将处理器对保护模式必须完成的一系列准备工作一并列出:

• 初始化内核的可调整参数，这些参数由引导程序传来

• 准备GDT(全局描述符表)

• 准备IDT(中断描述符表)

• 初始化系统控制台

• 初始化DDB(内核的点调试器)，如果它被编译进内核的话

• 初始化TSS(任务状态段)

• 准备LDT(局部描述符表)

• 建立proc0(0号进程，即内核的进程)的pcb(进程控制块)

　　init386()首先初始化内核的可调整参数， 这些参数由引导程序传来。先设置环境指针(environment pointer, envp)调用， 再调用init_param1()。 envp指针已由loader存放在结构bootinfo中:

sys/i386/i386/machdep.c:
        kern_envp = (caddr_t)bootinfo.bi_envp + KERNBASE;

    /* 初始化基本可调整项,如hz等 */
    init_param1();

　　init_param1()定义在 sys/kern/subr_param.c之中。 这个文件里有一些sysctl项，还有两个函数， init_param1()和init_param2()。 这两个函数从init386()中调用:

sys/kern/subr_param.c
    hz = HZ;
    TUNABLE_INT_FETCH("kern.hz", &hz);

　　TUNABLE_<typename>_FETCH用来获取环境变量的值:

/usr/src/sys/sys/kernel.h
#define TUNABLE_INT_FETCH(path, var)    getenv_int((path), (var))

　　Sysctlkern.hz是系统时钟频率。同时， 这些sysctl项被init_param1()设定: kern.maxswzone, kern.maxbcache, kern.maxtsiz, kern.dfldsiz, kern.dflssiz, kern.maxssiz, kern.sgrowsiz。

　　然后init386() 准备全局描述符表 (Global Descriptors Table, GDT)。在x86上每个任务都运行在自己的虚拟地址空间里， 这个空间由"段址:偏移量"的数对指定。举个例子，当前将要由处理器执行的指令在 CS:EIP，那么这条指令的线性虚拟地址就是“代码段虚拟段地址CS” + EIP。 为了简便，段起始于虚拟地址0，终止于界限4G字节。所以，在这个例子中， 指令的线性虚拟地址正是EIP的值。段寄存器，如CS、DS等是选择符， 即全局描述符表中的索引(更精确的说，索引并非选择符的全部， 而是选择符中的INDEX部分)。

FreeBSD的全局描述符表为每个CPU保存着15个选择符:

sys/i386/i386/machdep.c:
union descriptor gdt[NGDT * MAXCPU];    /* 全局描述符表 */

sys/i386/include/segments.h:
/*
 * 全局描述符表(GDT)中的入口
 */
#define GNULL_SEL   0   /* 空描述符 */
#define GCODE_SEL   1   /* 内核代码描述符 */
#define GDATA_SEL   2   /* 内核数据描述符 */
#define GPRIV_SEL   3   /* 对称多处理(SMP)每处理器专有数据 */
#define GPROC0_SEL  4   /* Task state process slot zero and up, 任务状态进程 */
#define GLDT_SEL    5   /* 每个进程的局部描述符表 */
#define GUSERLDT_SEL    6   /* 用户自定义的局部描述符表 */
#define GTGATE_SEL  7   /* 进程任务切换关口 */
#define GBIOSLOWMEM_SEL 8   /* BIOS低端内存访问(必须是这第8个入口) */
#define GPANIC_SEL  9   /* 会导致全系统异常中止工作的任务状态 */
#define GBIOSCODE32_SEL 10  /* BIOS接口(32位代码) */
#define GBIOSCODE16_SEL 11  /* BIOS接口(16位代码) */
#define GBIOSDATA_SEL   12  /* BIOS接口(数据) */
#define GBIOSUTIL_SEL   13  /* BIOS接口(工具) */
#define GBIOSARGS_SEL   14  /* BIOS接口(自变量，参数) */

　　请注意，这些#defines并非选择符本身，而只是选择符中的INDEX域， 因此它们正是全局描述符表中的索引。 例如，内核代码的选择符(GCODE_SEL)的值为0x08。

　　下一步是初始化中断描述符表(Interrupt Descriptor Table, IDT)。 这张表在发生软件或硬件中断时会被处理器引用。例如，执行系统调用时， 用户应用程序提交INT 0x80 指令。这是一个软件中断， 处理器用索引值0x80在中断描述符表中查找记录。这个记录指向处理这个中断的例程。 在这个特定情形中，这是内核的系统调用关口。

中断描述符表最多可以有256 (0x100)条记录。内核分配NIDT条记录的内存给中断描述符表， 这里NIDT=256，是最大值：

sys/i386/i386/machdep.c:
static struct gate_descriptor idt0[NIDT];
struct gate_descriptor *idt = &idt0[0]; /* 中断描述符表 */

　　每个中断都被设置一个合适的中断处理程序。 系统调用关口INT 0x80也是如此:

sys/i386/i386/machdep.c:
    setidt(0x80, &IDTVEC(int0x80_syscall),
            SDT_SYS386TGT, SEL_UPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));

　　所以当一个用户应用程序提交INT 0x80指令时， 全系统的控制权会传递给函数_Xint0x80_syscall， 这个函数在内核代码段中，将被以管理员权限执行。

　　然后，控制台和DDB(调试器)被初始化:

sys/i386/i386/machdep.c:
    cninit();
/* 以下代码可能因为未定义宏DDB而被跳过 */
#ifdef DDB
    kdb_init();
    if (boothowto & RB_KDB)
        Debugger("Boot flags requested debugger");
#endif

　　任务状态段(TSS)是另一个x86保护模式中的数据结构。当发生任务切换时， 任务状态段用来让硬件存储任务现场信息。

　　局部描述符表(LDT)用来指向用户代码和数据。系统定义了几个选择符， 指向局部描述符表，它们是系统调用关口和用户代码、用户数据选择符:

/usr/include/machine/segments.h
#define LSYS5CALLS_SEL  0   /* Intel BCS强制要求的 */
#define LSYS5SIGR_SEL   1
#define L43BSDCALLS_SEL 2   /* 尚无 */
#define LUCODE_SEL  3
#define LSOL26CALLS_SEL 4   /* Solaris >=2.6版系统调用关口 */
#define LUDATA_SEL  5
/* separate stack, es,fs,gs sels ? 分别的栈、es、fs、gs选择符？ */
/* #define  LPOSIXCALLS_SEL 5*/ /* notyet, 尚无 */
#define LBSDICALLS_SEL  16  /* BSDI system call gate, BSDI系统调用关口 */
#define NLDT        (LBSDICALLS_SEL + 1)

　　然后，proc0(0号进程，即内核所处的进程)的进程控制块(Process Control Block) (struct pcb)结构被初始化。proc0是一个 struct proc 结构，描述了一个内核进程。 内核运行时，该进程总是存在，所以这个结构在内核中被定义为全局变量:

sys/kern/kern_init.c:
    struct  proc proc0;

　　结构struct pcb是proc结构的一部分， 它定义在/usr/include/machine/pcb.h之中， 内含针对i386硬件结构专有的信息，如寄存器的值。

1.7.2 mi_startup()

　　这个函数用冒泡排序算法，将所有系统初始化对象，然后逐个调用每个对象的入口:

sys/kern/init_main.c:
    for (sipp = sysinit; *sipp; sipp++) {

        /* ... 省略 ... */

        /* 调用函数 */
        (*((*sipp)->func))((*sipp)->udata);
        /* ... 省略 ... */
    }

　　尽管sysinit框架已经在《FreeBSD开发者手册》中有所描述， 我还是在这里讨论一下其内部原理。

　　每个系统初始化对象(sysinit对象)通过调用宏建立。 让我们以announce sysinit对象为例。 这个对象打印版权信息:

sys/kern/init_main.c:
static void
print_caddr_t(void *data __unused)
{
    printf("%s", (char *)data);
}
SYSINIT(announce, SI_SUB_COPYRIGHT, SI_ORDER_FIRST, print_caddr_t, copyright)

　　这个对象的子系统标识是SI_SUB_COPYRIGHT(0x0800001)， 数值刚好排在SI_SUB_CONSOLE(0x0800000)后面。 所以，版权信息将在控制台初始化之后就被很早的打印出来。

　　让我们看一看宏SYSINIT()到底做了些什么。 它展开成宏C_SYSINIT()。 宏C_SYSINIT()然后展开成一个静态结构 struct sysinit。结构里申明里调用了另一个宏 DATA_SET:

/usr/include/sys/kernel.h:
      #define C_SYSINIT(uniquifier, subsystem, order, func, ident) \
      static struct sysinit uniquifier ## _sys_init = { \ subsystem, \
      order, \ func, \ ident \ }; \ DATA_SET(sysinit_set,uniquifier ##
      _sys_init);

#define SYSINIT(uniquifier, subsystem, order, func, ident)  \
    C_SYSINIT(uniquifier, subsystem, order,         \
    (sysinit_cfunc_t)(sysinit_nfunc_t)func, (void *)ident)

　　宏DATA_SET()展开成MAKE_SET()， 宏MAKE_SET()指向所有隐含的sysinit幻数:

/usr/include/linker_set.h
#define MAKE_SET(set, sym)                      \
    static void const * const __set_##set##_sym_##sym = &sym;   \
    __asm(".section .set." #set ",\"aw\"");             \
    __asm(".long " #sym);                       \
    __asm(".previous")
#endif
#define TEXT_SET(set, sym) MAKE_SET(set, sym)
#define DATA_SET(set, sym) MAKE_SET(set, sym)

　　回到我们的例子中，经过宏的展开过程，将会产生如下声明:

static struct sysinit announce_sys_init = {
    SI_SUB_COPYRIGHT,
    SI_ORDER_FIRST,
    (sysinit_cfunc_t)(sysinit_nfunc_t)  print_caddr_t,
    (void *) copyright
};

static void const *const __set_sysinit_set_sym_announce_sys_init =
    &announce_sys_init;
__asm(".section .set.sysinit_set" ",\"aw\"");
__asm(".long " "announce_sys_init");
__asm(".previous");

　　第一个__asm指令在内核可执行文件中建立一个ELF节(section)。 这发生在内核链接的时候。这一节将被命令为.set.sysinit_set。 这一节的内容是一个32位值——announce_sys_init结构的地址，这个结构正是第二个 __asm指令所定义的。第三个__asm指令标记节的结束。 如果前面有名字相同的节定义语句，节的内容(那个32位值)将被填加到已存在的节里， 这样就构造出了一个32位指针数组。

　　用objdump察看一个内核二进制文件， 也许你会注意到里面有这么几个小的节:

% objdump -h /kernel
  7 .set.cons_set 00000014  c03164c0  c03164c0  002154c0  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  8 .set.kbddriver_set 00000010  c03164d4  c03164d4  002154d4  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  9 .set.scrndr_set 00000024  c03164e4  c03164e4  002154e4  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 10 .set.scterm_set 0000000c  c0316508  c0316508  00215508  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 11 .set.sysctl_set 0000097c  c0316514  c0316514  00215514  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 12 .set.sysinit_set 00000664  c0316e90  c0316e90  00215e90  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA

　　这一屏信息显示表明节.set.sysinit_set有0x664字节的大小， 所以0x664/sizeof(void *)个sysinit对象被编译进了内核。 其它节，如.set.sysctl_set表示其它链接器集合。

　　通过定义一个类型为struct linker_set的变量， 节.set.sysinit_set将被“收集”到那个变量里:

sys/kern/init_main.c:
      extern struct linker_set sysinit_set; /* XXX */

　　struct linker_set定义如下:

/usr/include/linker_set.h:
  struct linker_set {
    int ls_length;
    void    *ls_items[1];       /* ls_length个项的数组, 以NULL结尾 */
};

　　

第一项是sysinit对象的数量，第二项是一个以NULL结尾的数组， 数组中是指向那些对象的指针。

　　回到对mi_startup()的讨论， 我们清楚了sysinit对象是如何被组织起来的。 函数mi_startup()将它们排序， 并调用每一个对象。最后一个对象是系统调度器:

/usr/include/sys/kernel.h:
enum sysinit_sub_id {
    SI_SUB_DUMMY        = 0x0000000,    /* 不被执行，仅供链接器使用 */
    SI_SUB_DONE     = 0x0000001,    /* 已被处理*/
    SI_SUB_CONSOLE      = 0x0800000,    /* 控制台*/
    SI_SUB_COPYRIGHT    = 0x0800001,    /* 最早使用控制台的对象 */
...
    SI_SUB_RUN_SCHEDULER    = 0xfffffff /* 调度器:不返回 */
};

　　系统调度器sysinit对象定义在文件sys/vm/vm_glue.c中， 这个对象的入口点是scheduler()。 这个函数实际上是个无限循环，它表示那个进程标识(PID)为0的进程——swapper进程。 前面提到的proc0结构正是用来描述这个进程。

　　第一个用户进程是init， 由sysinit对象init建立:

sys/kern/init_main.c:
static void
create_init(const void *udata __unused)
{
    int error;
    int s;

    s = splhigh();
    error = fork1(&proc0, RFFDG | RFPROC, &initproc);
    if (error)
        panic("cannot fork init: %d\n", error);
    initproc->p_flag |= P_INMEM | P_SYSTEM;
    cpu_set_fork_handler(initproc, start_init, NULL);
    remrunqueue(initproc);
    splx(s);
}
SYSINIT(init,SI_SUB_CREATE_INIT, SI_ORDER_FIRST, create_init, NULL)

　　create_init()通过调用fork1() 分配一个新的进程，但并不将其标记为可运行。当这个新进程被调度器调度执行时， start_init()将会被调用。 那个函数定义在init_main.c中。 它尝试装载并执行二进制代码init， 先尝试/sbin/init，然后是/sbin/oinit， /sbin/init.bak，最后是/stand/sysinstall:

sys/kern/init_main.c:
static char init_path[MAXPATHLEN] =
#ifdef  INIT_PATH
    __XSTRING(INIT_PATH);
#else
    "/sbin/init:/sbin/oinit:/sbin/init.bak:/stand/sysinstall";
#endif