CPU Reset → Firmware → Boot loader → start_kernel() →#

1. CPU RESET#

为了让计算机能运行我们的程序，一定会存在一些软件/硬件的约定，使CPU Reset 后，处理器处于某个确定的状态：
- 当CPU接收到复位信号(如电源接通或硬件复位)时，它首先会进入实模式，PC 指针一般指向一段 memory-mapped ROM（对于x86 CPU，这个地址通常是 0xFFFF0 (在 1MB 内存空间的最顶端，是一个 jmp 指令) (储存了厂商的firmware 即 BIOS/UEFI 的入口点)）
- 实模式(Real Mode)(16位模式)：其真实的物理地址(20位)=段寄存器*16+偏移地址，可通过 (gdb)x/i ($cs * 16 + $rip) 查看具体要执行的指令。
- Q: “0xFFFF0里的数据是怎么来的？”
  - A: 内存映射(Memory-Mapped I/O，MMIO) 加电初始化时，芯片组会将 BIOS ROM 硬件通过内存映射I/O映射到20位总线模式下的高端地址(0xFFFFF-0xF0000 共64KB大小)，CPU 读取这些地址时实际上是从 BIOS ROM 中读取的数据。
- Q: “CPU物理地址空间大小是2^N根地址线字节，为什么此时看到的是只有20位的物理地址空间(1MB)”
  - A: 这是由硬件设计的历史兼容性和启动流程决定的
    1. 首先你可以通过 cat /proc/cpuinfo | grep address | head -1 查看到你的CPU地址总线宽度，现代CPU通常大于20。但是加电复位时CPU会强制进入8086兼容状态(如：实模式+地址回绕)，从而兼容BIOS的设计模式。
    2. 大部分地址(低端区域0x00000–0x9FFFF)被映射到DRAM（内存条）：这是物理地址空间的主体。操作系统和应用程序的数据都存放在这里。
    3. 一部分地址(高端区域0xA0000–0xFFFFF)被映射到硬件设备（MMIO）：如 0xA0000-0xBFFFF映射到显卡显存，0xF0000-0xFFFFF映射到BIOS ROM。CPU访问这些地址时，数据来自设备而非DRAM，由芯片组直接路由。
    Terminal window
    1 > dmesg | grep e820 2 [ 0.000000] BIOS-provided physical RAM map: 3 [ 0.000000] [mem 0x0000000000000000-0x000000000009fbff] usable # 常规低端640KB DRAM 4 [ 0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000000009fc00-0x000000000009ffff] reserved # 扩展 BIOS 数据区(EBDA, Extended BIOS Data Area) 5 [ 0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000000f0000-0x00000000000fffff] reserved # BIOS ROM 6 [ 0.000000] BIOS-e820: [mem 0x0000000000100000-0x000000000ffdffff] usable # 解压后的Linux 内核主体 7 [ 0.000000] BIOS-e820: [mem 0x000000000ffe0000-0x000000000fffffff] reserved # 保留区域 8 [ 0.000000] BIOS-e820: [mem 0x00000000fffc0000-0x00000000ffffffff] reserved # PCI 设备映射 9 [ 0.006910] e820: update [mem 0x00000000-0x00000fff] usable ==> reserved # 实模式数据IVT&BDA 10 [ 0.007095] e820: remove [mem 0x000a0000-0x000fffff] usable # MMIO 11 [ 0.747347] e820: reserve RAM buffer [mem 0x0009fc00-0x0009ffff] # 将 EBDA 区域标记为保留缓冲区 12 [ 0.747500] e820: reserve RAM buffer [mem 0x0ffe0000-0x0fffffff] # 高端内存的一些缓冲区
此时，CPU的 CR0 寄存器处于实模式状态，大部分特性处于关闭状态（如：缓存、虚拟存储、内存保护、分页机制等），所有内存访问都是对物理地址的直接读写。软件拥有对整个 1MB 地址空间（0x00000 - 0xFFFFF）的完全控制权。

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CR0 (Control Registers)控制寄存器：
- PE (Protection Enable, 位 0) = 0：禁用保护模式。（这是 CPU 处于实模式的根本原因）
- ET (Extension Type，位 4) = 1；兼容浮点协处理器格式。（x86 CPU上通常被硬编码为 1）
- NW (Not Write-through，位 29) = 1；禁用了“通写”缓存策略。
- CD (CaChe Disable，位 30) = 1；禁用 CPU 内部缓存。
- PG (Paging Enable, 位 31) = 0：禁用分页机制。所有地址都是物理地址。
EFLAGS (Extended Flags Register)算术状态标志和控制标志
- IOPL (I/O Privilege Level，位12和13) IOPL 的值是一个介于 0 到 3 之间的数字，代表环等级(Ring Level)。Ring 0: 最高特权级，也称为内核态或超级visor模式，可以执行任何指令，访问任何硬件资源；Ring 3：最低特权级，用户态
- IOPL=0 的含义是：只有当前特权级(CPL, Current Privilege Level)为 0 的程序(即内核代码)才被允许执行与 I/O 相关的指令(IN,OUT,INS,OUTS,CLI,STI)，将操作硬件的权限完全保留给OS内核。如果 CPL > IOPL，那么任何尝试执行 I/O 指令的行为都会导致一个通用保护故障(#GP, General Protection Fault)，导致程序被操作系统终止
- IF (Interrupt Enable Flag，位9) IF=0 中断关闭。（通过 CLI(Clear Interrupt) STI(Set Interrupt)指令调整）

2. Firmware （BIOS/UEFI）将用户数据加载到内存#

BIOS (basic I/O system)(基本输入输出系统): 固件，负责硬件检测、硬件初始化、上电自检(POST, Power-On Self-Test)，然后寻找可启动设备（如硬盘、光盘、USB、网络等）（“可启动”的判断标准是：第一个扇区最后两个字节是否为魔数 0x55和 0xAA）

CPU从 0xFFFFFFF0(在实模式下表现为 0xFFF0) jmp到BIOS固件代码，BIOS代码执行到最后寻找到可启动设备，会将磁盘引导扇区读取并加载到内存中的特定地址 0x7c00。（这个过程是BIOS通过磁盘I/O中断(如 INT 0x13)调用自身的例程来完成的）
此时，主引导扇区 MBR (Master Boot Record)（512Bytes）就载入了内存0x7c00（watchpoint 触发）, 将控制权交给 Bootloader

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Q: “为什么BIOS要把主引导扇区数据载入内存0x7c00，而不是选择像CPU Reset一样直接做内存映射I/O？”
- A: 磁盘存储的数据量很大（通常以扇区为单位），而且磁盘访问速度较慢，因此磁盘内容通常不直接映射到内存地址空间供CPU执行，而是加载到内存供CPU读取。

3. Bootloader#

MBR是Bootloader的第一阶段。但由于MBR只有512字节，无法容纳复杂逻辑，所以它通常只负责分区扫描(64Bytes分区表)、磁盘读取(通过BIOS磁盘中断(INT 13h)，加载并跳转Bootloader第二阶段，即磁盘的其他扇区)和错误处理。
- Bootloader仍在实模式下运行，MBR后续扇区可能会完成一些基本设置（如文件系统解析、多系统引导、硬件检测与初始化等）。
最后加载内核到内存，传递好启动参数 struct boot_params，将CPU切换到保护模式(32位)或长模式(64位)(取决于内核)，跳转到内核入口点

今天的 boot loader 面临麻烦得多的硬件：

指纹锁、不知名厂商网卡上的网络启动、USB上的蓝牙转接器连接的蓝牙键盘、……

Secure Boot 签名

1
实模式下CPU通过地址总线能访问的`物理地址空间`布局示例图（1MB，包括MMIO）
2
0xFFFFF +--------------------+
3
        | BIOS ROM (64KB)    |
4
0xF0000 +--------------------+
5
        | 各种MMIO (192KB)   |
6
0xC0000 +--------------------+
7
        | 显存 (128KB)       |
8
0xA0000 +--------------------+ ← MMIO 跟 DRAM 的分界
9
        | 自由内存 (680.5KB)  |
10
0x7E00  +--------------------+
11
        | MBR代码 (512B)     |
12
0x7C00  +--------------------+  ← 引导扇区加载点
13
        | 自由区域 (29.75KB) |
14
0x0500 +--------------------+
15
        | BIOS数据区 (256B)  |
16
0x0400 +--------------------+
17
        | 中断向量表IVT (1KB) |
18
0x0000 +--------------------+

1
/ > dmesg | grep node
2
[    0.000000] Faking a node at [mem 0x0000000000000000-0x000000000ffdffff]
3
[    0.000000] Movable zone start for each node
4
[    0.000000] Early memory node ranges
5
[    0.000000]   node   0: [mem 0x0000000000001000-0x000000000009efff] # 实模式MMIO区域之前的DRAM空间
6
[    0.000000]   node   0: [mem 0x0000000000100000-0x000000000ffdffff] # 解压后的内核，避开1MB一下的MMIO
7
[    0.000000] Initmem setup node 0 [mem 0x0000000000001000-0x000000000ffdffff]
8
# 下面开始初始化节点node0的内存管理系统...

start_kernel()#

Linux start_kernel code
这是Linux内核的入口函数，位于init/main.c。内核开始执行时，会进行一系列初始化操作（如设置内存管理、中断、时钟、进程调度器、设备驱动等）。
内核最终会移交控制权，并启动用户空间的第一个进程，init程序。

init#

内核启动后，它会执行用户空间的init进程。这是第一个用户进程，进程ID为1。
init进程负责进一步启动系统服务和管理运行级别。 Linux 寻找默认init的逻辑

1
if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
2
    !try_to_run_init_process("/etc/init") ||
3
    !try_to_run_init_process("/bin/init") ||
4
    !try_to_run_init_process("/bin/sh"))
5
  return 0;
6
panic("No working init found.  Try passing init= option to kernel. "
7
      "See Linux Documentation/admin-guide/init.rst for guidance.");

从此以后，Linux Kernel 就进入后台，成为 “中断/异常处理程序”

1
init─┬─httpd
2
     ├─mysh─┬─pstree
3
     │      └─{mysh}
4
     └─nc

CPU Reset → Firmware → Boot loader → start_kernel() →#

1. CPU RESET#

2. Firmware （BIOS/UEFI） 将用户数据加载到内存#

3. ​​Bootloader​​#

start_kernel()​​#

init#

2. Firmware （BIOS/UEFI）将用户数据加载到内存#

3. Bootloader#

start_kernel()#