LINUX I386引导协议.doc

LINUX/I386引导协议 - H. 彼得安文 最后更新于2002-01-01在i386平台上,Linux内核使用一个相当复杂的引导协定。演变至此，这一方面是由于历史方面的原因，另一方面是由于早期要求将内核本身做成可引导镜像、复杂的PC内存模型，以及因实模式的DOS作为主流操作系统的实际消亡而引发的对PC工业的预期发生的转变。 现在，存在四个版本的Linux/i386引导协议。旧内核：只支持zImage和Image。有些很早期的内核甚至不支持命令行。2.00协议：（1.3.73内核） 添加了对bzImage和initrd的支持，以及引导加载程序和内核之间通信的规范方法。尽管传统的setup区域仍然假定是可写的，但是Setup.S做成了可重定位的了。（译者注：setup区域会被旧内核的实模式代码重写，比如0x9XXXX处的命令行参数。）2.01协议：（1.3.76内核）添加了堆超出警告。2.02协议：（2.4.0-test3-pre3内核）新加的命令行协议。降低了传统的内存顶端地址。禁止重写传统的setup区域，这使得从系统管理模式（SMM）或从32位BIOS调用的入口地址那里使用扩展BIOS数据区（EBDA）的系统安全引导。zImage不建议使用，但依然支持。2.03协议：（2.4.18-pre1内核） 显式地给引导加载程序给出initrd的最高可能地址。* 内存布局 传统的Image或zImage使用的内核加载器的典型内存布局如下：| |0A0000+-+| BIOS保留 |不要使用。保留给BIOS EBDA。09A000+-+| 堆栈/堆/命令行 |内核实模式代码使用。098000+-+| 内核setup |内核实模式代码。090200+-+| 内核引导扇区 |内核遗留引导扇区。090000+-+| 保护模式内核 |内核镜像块。010000+-+| 引导加载程序 |-引导扇区入口点0000:7C00001000+-+| MBR/BIOS保留 |000800+-+| 一般由MBR使用 |000600+-+ | 仅BIOS使用 |000000+-+ 当使用zImage时，保护模式的内核要被迁移到0x100000（“高端内存”）处，内核实模式块（引导扇区、setup以及堆栈和堆）被做成可以迁移到从地址0x10000到低端内存地址末尾之间的任何位置。然而，在2.00协议和2.01协议里，命令行依然必须放在0x9XXXX的地址范围，那段范围的内存依然会被早期的内核重写。2.02协议解决了那个问题。 最好保持“内存顶端”，即低端内存中被引导加载程序触摸到的最高点，越低越好。因为一些较新的BIOS已经开始在低端内存顶部附近分配一些相当多数量的内存了，称作扩展BIOS数据区（EBDA）。引导加载程序应该用“INT 12h”BIOS调用检查有多少低端内存可以用。 但是，如果INT 21h报告说内存数量不足，那引导加载程序除了给用户报错外什么也干不了了。因此，引导加载程序要设计得当，尽量少占用低端内存空间。zImage或老的bzImage内核需要在0x90000段内写数据，引导加载程序要确保不要使用0x9A000地址以上的内存，有太多的BIOS会闯入那个地址以上。* 实模式内核头下文以及内核引导系列的任何地方，一个“扇区”指512字节。和底层媒体的实际扇区大小无关。加载Linux内核的第一步是加载实模式代码（引导扇区和setup代码）然后检测下面的内核头的偏移量0x01f1处。实模式代码最大总共可以有32K，但引导加载程序却可能只选择开始的两个扇区（1K）加载，然后检测启动扇区大小。内核头如下：偏移协议字段名释义/大小01F1/1所有setup_sectssetup以扇区计的大小01F2/2所有root_flags如果设置，表示根文件系统只读挂载01F4/2所有syssize不要使用 仅bootsect.S使用01F6/2所有swap_dev不要使用 已过时01F8/2所有ram_size不要使用 仅bootsect.S使用01FA/2所有vid_mode视频模式控制01FC/2所有root_dev默认根设备号01FE/2所有boot_flag0xAA55 幻数0200/22.00+jump跳转指令0202/42.00+header魔法签名HdrS0206/22.00+version支持的引导协议版本0208/42.00+realmode_swtch引导加载程序钩子（见下面）020C/22.00+start_sys低端加载段(0x1000) (已过时)020E/22.00+kernel_version指向内核版本字符串0210/12.00+type_of_loader引导加载程序识别号0211/12.00+loadflags引导协议选项标志0212/22.00+setup_move_size移到高端内存的大小(和钩子一块使用)0214/42.00+code32_start引导加载程序钩子（见下面）0218/42.00+ramdisk_imageinitrd加载地址（由引导加载程序设置）021C/42.00+ramdisk_sizeinitrd大小（由引导加载程序设置）0220/42.00+bootsect_kludge不要使用 仅bootsect.S使用0224/22.01+heap_end_ptr紧跟setup结尾的空闲内存大小0226/2N/A用1填充未使用0228/42.02+cmd_line_ptr32位指针指向内核命令行022C/42.03+initrd_addr_maxinitrd的最高合法地址为了向后兼容，如果setup_sects字段是0，实际值是4。如果在偏移0x202处没有找到HdrS (0x53726448) 魔法签名，引导协议版本是“旧版本”。加载老内核时，要假定以下参数：Image type = zImage不支持initrd实模式内核必须加载到0x90000。 否则，若“version”字段包含协议版本，例如：2.01版协议的该字段包含0x0201。当设置内核头的字段时，你必须确保只设置在用的协议版本所支持的字段。 “kernel_version”字段，如果设置成非零值，包含一个指向以零结尾的人们可读取的内核版本号的字符串的指针，再减去0x200。这个可以用来给用户显示内核版本。该值应该小于（0x200*setup_sects）。例如：如果这个值设置成0x1c00，内核版本号字符串可以在内核文件偏移0x1e00的地方找到，当且仅当“setup_sects”字段包含的值大于等于14时该值才有效。 大部分引导加载程序简单的直接加载内核到它的目标地址。这样的引导加载程序不需要考虑填写内核头里的大部分字段，但下面的字段应当填写。 vid_mode:请看特殊命令行选项一节。 type_of_loader:如果你的引导加载程序分配了id（见下表），在这里输入0xTV，其中T是引导加载程序识别号，V是版本号。否则，在这里输入0xFF.已分配的引导加载程序id:0 LILO1 Loadlin2 bootsect-loader3 SYSLINUX4 EtherBoot5 ELILO7 GRuB8 U-BOOT如果你需要分配一个新的引导加载程序ID值，请联系 loadflags, heap_end_ptr:如果协议版本是2.01或以上，在heap_end_ptr里输入setup堆的偏移量界限并在loadflags里设置0x80位(CAN_USE_HEAP)，heap_end_ptr 从相对于setup开始处（0x0200）看的。 setup_move_size: 当使用协议2.00 or 2.01,如果实模式内核没有加载到0x90000，它在后面的加载步骤里将被移到那里。如果除了实模式内核本身外你想要移动额外的数据（像内核命令行），填写这个字段。 ramdisk_image, ramdisk_size:如果引导加载程序已经加载了初始RAM盘（initrd），设置指向ramdisk数据的32位指针到ramdisk_image，设置ramdisk数据的大小到ramdisk_size。 Initrd通常要加载到尽量高的内存里，要不然，它将被早期内核初始化过程重写。但是，它不能加载到大于由initrd_addr_max字段指出的地址，initrd要至少以4K字节的页对齐。 cmd_line_ptr: 如果协议版本是2.02或以上，这是一个指向内核命令行的32位指针。内核命令行可以放在setup结尾到0xA0000之间的任何地方。即使你的引导加载程序不支持命令行也要填写这个字段，这时，你可以把它指向空字符串（或者指向字符串“自动”将更好）。如果保留该字段在0值，内核将认为你的引导加载程序是不支持2.02以上的协议。 ramdisk_max: （译者注：即initrd_addr_max字段） initrd的内容能占用的最大地址。2.02或更早的引导协议里没有这个字段，因此，最大地址是0x37FFFFFF。（这个地址定义为最高的安全字节的地址，因此，如果你的ramdisk恰好是131072字节长并且这个字段的值是0x37FFFFFF，你可以从0x37FE0000开始你的ramdisk。）* 内核命令行 内核命令行已成为引导加载程序和内核通信的重要手段。它的一些选项也与引导加载程序本身相关，见下面的“特殊命令行选项” 内核命令行是一个零结尾的字符串，加上最后的零字节长度不超过255字节。 如果引导协议时2.02或以上，内核命令行地址由内核头cmd_line_ptr字段给出（见前面）。如果内核版本不是2.02或以上，命令行由以下协议输入： 在偏移0x0020处，“cmd_line_magic”字段（字），输入幻数0xA33F。 在偏移0x0022处，“cmd_line_offset”字段（字），输入内核命令行偏移量（相对于实模式内核开始处）。 内核命令行必须在setup_move_size覆盖的内存区以内，所以你可能需要调整这个字段。译者注：命令行的内容有些是针对引导加载程序的，有些是针对内核的，用户输入后，引导加载程序分析，如果是给自己的，就解析使用，如果是给内核的就传递。引导加载程序也可以给内核加入命令行参数* 引导配置举例作为配置举例，假定如下实模式段的布局：0x0000-0x7FFF实模式内核0x8000-0x8FFF堆栈和堆0x9000-0x90FF内核命令行这样的引导加载程序要在内核头里输入下面的字段。unsigned long base_ptr;/* 实模式段基址 */if ( setup_sects = 0 ) setup_sects = 4;if ( protocol = 0x0200 ) type_of_loader = ;if ( loading_initrd ) ramdisk_image = ;ramdisk_size = ;if ( protocol = 0x0201 ) heap_end_ptr = 0x9000 - 0x200;loadflags |= 0x80; /* CAN_USE_HEAP */if ( protocol = 0x0202 ) cmd_line_ptr = base_ptr + 0x9000; else cmd_line_magic= 0xA33F;cmd_line_offset = 0x9000;setup_move_size = 0x9100; else /* Very old kernel */cmd_line_magic= 0xA33F;cmd_line_offset = 0x9000;/* 很老的内核必须将它的实模式代码加载到0x90000 */if ( base_ptr != 0x90000 ) /* 复制实模式内核 */memcpy(0x90000, base_ptr, (setup_sects+1)*512);/* 复制命令行 */memcpy(0x99000, base_ptr+0x9000, 256);base_ptr = 0x90000; /* Relocated */* 建议清零32K以内的内存 */memset(0x90000 + (setup_sects+1)*512, 0, (64-(setup_sects+1)*512);* 加载剩下的内核 非实模式内核从内核文件偏移（setup_sects+1）*512处开始（再次，如果setup_setcs=0，真实值是4）。如果是Image/zImage，它应被加载到地址0x10000处，如果是bzImage，加载到0x100000处。 如果协议=2.00并且loadflags字段的0x01位（LOAD_HIGH）置位，内核是bzImage的内核：is_bzImage = (protocol = 0x0200) & (loadflags & 0x01);load_address = is_bzImage ? 0x100000 : 0x10000; 注意：Image/zImage内核最大可以有512K大小，因此可以使用0x100000x90000范围的整个内存。这表示内核实模式部分加载到0x90000绝对必需。bzImage内核则允许更多灵活处理。* 特殊命令行选项 如果引导加载程序提供的命令行是由用户输入的，用户可能希望下面的命令行选项有效。正常情况下，即使它们实际上不全对内核有意义，也不能将它们从命令行删除。如果需要给引导加载程序本身添加额外的命令行选项，引导加载程序的作者要在Documentation/kernel-parameters.txt里注册它们，以确保它们没有和当前现行的以及将来的内核选项相冲突。 vga= 这里的是整数（用C表示法，十进制、八进制或十六进制）或“normal”（表示0xFFFF）、“ext”（表示0xFFFE）、“ask”（表示0xFFFD）字符串的一种。当命令行被解析之前被内核使用时，该值应当输入vid_mode字段。 mem= 是以C语法表示的整数，后面可选跟K、M或G（表示10,20,30）。它给内核定义内存的末端。这将影响initrd的安置，因为initrd应被放到内存末端附近。注意这个选项既是针对内核的也是针对引导加载程序的。 initrd= 表示要加载initrd，的含义显然和引导加载程序无关，一些引导加载程序（比如LILO）没有这个命令。 另外，一些引导加载程序给用户定义的命令行添加了如下选项： BOOT_IMAGE= 要加载的引导镜像，再次，的含义显然和引导加载程序无关。 Auto 内核加载不需要显式的用户干预。 如果引导加载程序添加了这些选项，强烈建议将它们放在前面，放在用户定义或配置定义的命令行之前。要不然，“init=/bin/sh”会混淆“auto”选项。译者注：这些选项是引导加载程序要解析使用的选项，命令行有给内核和/或给引导加载程序的差别。* 运行内核内核是通过跳转到位于从实模式内核开始，段偏移量0x20处的内核入口点开始运行的。这表示如果你加载你的实模式内核代码到0x90000，内核入口点是0x9020:0000。 在入口点，ds=es=ss应指向实模式内核代码开始处（0x9000如果代码加载到0x90000），sp要设置正确，正常应指向堆顶，中断应该关闭。还有，为了