Linux 下不经过BIOS重启（i386）

前段时间有个项目，要求在Linux下不经过BIOS重启，i386平台。

 

一、可行性分析

 

　　众所周知，BIOS中包含了CPU及其他各种设备的初始化代码，Linux系统运行之后是否能够将各种用到的设备返回到刚被BIOS初始化后的状态是是否可行的关键。

 

　　从项目的条件来看，外设并不是问题。因为要首先开起来的那个Linux只会用到磁盘系统。而通用的磁盘系统是不存在与启动相关的关键状态的。

 

　　另外就是核心系统（CPU、内存初始化数据分布等）。CPU的状态时可以设置的，因此问题貌似也不大，将CPU返回实模式即可。内存中的BIOS数据也不会被Linux改动，因此也不会有问题。

 

二、Linux如何重启x86系统

 

　　查阅Linux内核（2.6.33）中i386的关机代码（arch/x86/kernel/reboot.c），该文件与重启相关的关键点有三个（按代码的先后顺序）：第一个是static int __init reboot_setup(char *str)函数和__setup("reboot=", reboot_setup);宏，这是在Linux启动时通过内核参数reboot=设置启动方式，记录到reboot_type变量中，默认为BOOT_KBD，即键盘启动。第二个是从static const unsigned long long real_mode_gdt_entries [3] = ... 一直到 void machine_real_restart(const unsigned char *code, int length)函数，这是专门为x86系统设计的不通过电源系统快速重启（直接跳到BIOS中重启）。第三个是static void native_machine_emergency_restart(void)函数，这是关机重启的最后阶段，且与前面的reboot_type呼应。要注意的是系统执行到这儿已经关闭了诸如中断控制器、重置了时钟、关闭了所有AP并确保接下来的代码都在唯一的BSP上执行。

 

　　首先将第一和第三点。第一点是启动时的reboot_type设置，它影响到了第三点中实际restart操作的行为。native_machine_emergency_restart函数是重启过程中最后的步骤，i386系统重启最后都会走到这里来。这个函数的结构是一个死循环中包含一个switch(reboot_type)分支结构，如果reboot_type选定的那种重启方式执行失败了（正常情况下，这里调用的函数如果成功就不会返回了，直接导致系统重启。如果失败就会返回），那么就把reboot_type设置为默认的BOOT_KBD，再来重启一次。

 

　　键盘方式看来是最稳妥最原始的重启方式，它的步骤是这样的：

for (i = 0; i < 10; i++) {kb_wait();udelay(50);outb(0xfe, 0x64); /* pulse reset low */udelay(50);}

0x64端口是i8042键盘控制器的控制端口，0xfe命令字的意思是将P32-P21三个针脚拉为低电平，持续6usec。这段代码的实际效果就相当于你按下机箱上的 RESET 键。

 

　　在那些重启方式中，还有一种方式是BOOT_BIOS，调用的就是第二个关键点中的machine_real_restart函数，它将CPU返回到实模式，然后跳到CPU上电后的那个地址（FFFF:0000），BIOS会在这个地址处放一个jump，跳到BIOS真正的开始处。

 

　　显然我就可以直接拿这个函数开刀，把它改造成项目所需要的样子，如此一来，省去了再去写代码进行实模式切换的麻烦，直接用现成的。

 

三、分析和改造machine_real_restart函数

 

　　为了尽量少更改原有的代码，另开了一个文件，将machine_real_restart函数和相关的结构体拷贝过来，然后慢慢改。当然，这个reboot文件也是要改的，就是再增加一种启动方式，我将它命名为BOOT_MBR，在第一点和第三点相关的地方增加一种启动方式即可。

 

　　接下来就是着手分析改造了。首先看这部分功能包含哪些东西：

static const unsigned long longreal_mode_gdt_entries [3] ={0x0000000000000000ULL,/* Null descriptor */0x00009b000000ffffULL,/* 16-bit real-mode 64k code at 0x00000000 */0x000093000100ffffULL/* 16-bit real-mode 64k data at 0x00000100 */};static const struct desc_ptrreal_mode_gdt = { sizeof (real_mode_gdt_entries) - 1, (long)real_mode_gdt_entries },real_mode_idt = { 0x3ff, 0 };static const unsigned char real_mode_switch [] ={0x66, 0x0f, 0x20, 0xc0,/* movl %cr0,%eax */0x66, 0x83, 0xe0, 0x11,/* andl $0x00000011,%eax */0x66, 0x0d, 0x00, 0x00, 0x00, 0x60,/* orl $0x60000000,%eax */0x66, 0x0f, 0x22, 0xc0,/* movl %eax,%cr0 */0x66, 0x0f, 0x22, 0xd8,/* movl %eax,%cr3 */0x66, 0x0f, 0x20, 0xc3,/* movl %cr0,%ebx */0x66, 0x81, 0xe3, 0x00, 0x00, 0x00, 0x60,/* andl $0x60000000,%ebx */0x74, 0x02,/* jz f */0x0f, 0x09,/* wbinvd */0x24, 0x10,/* f: andb $0x10,al */0x66, 0x0f, 0x22, 0xc0/* movl %eax,%cr0 */};static const unsigned char jump_to_bios [] ={0xea, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff/* ljmp $0xffff,$0x0000 */};void machine_real_restart(const unsigned char *code, int length){local_irq_disable();spin_lock(&rtc_lock);CMOS_WRITE(0x00, 0x8f);spin_unlock(&rtc_lock);memcpy(swapper_pg_dir, swapper_pg_dir + KERNEL_PGD_BOUNDARY,sizeof(swapper_pg_dir [0]) * KERNEL_PGD_PTRS);load_cr3(swapper_pg_dir);*((unsigned short *)0x472) = reboot_mode;memcpy((void *)(0x1000 - sizeof(real_mode_switch) - 100),real_mode_switch, sizeof (real_mode_switch));memcpy((void *)(0x1000 - 100), code, length);load_idt(&real_mode_idt);load_gdt(&real_mode_gdt);__asm__ __volatile__ ("movl $0x0010,%%eax/n""/tmovl %%eax,%%ds/n""/tmovl %%eax,%%es/n""/tmovl %%eax,%%fs/n""/tmovl %%eax,%%gs/n""/tmovl %%eax,%%ss" : : : "eax");__asm__ __volatile__ ("ljmp $0x0008,%0":: "i" ((void *)(0x1000 - sizeof (real_mode_switch) - 100)));}

　　首先是准备了与实模式对应的GDT表和IDT表。其中GDT表是为段寄存器设置的。段寄存器的可见部分是16为，还有48位不可见部分为对应的GDT表项，制定了段基址和段长度。machine_real_restart只是用了第三个，即基址为0x100，长度为64K的段，该entry偏移为0x10。

 

　　接下来便是切换要用到的汇编代码real_mode_switch和jump_to_bios，这两段代码将会被拷贝并连接在一起，因此real_mode_switch最后一条指令movl  %eax,%cr0 执行完后，下一条指令就是jump_to_bios的ljmp...了。

 

　　再接着就是主角登场。执行顺序是这样的：关中断=>通知CMOS将要重启=>load_cr3重置页目录，将内核3G-4G的映射改为0G-1G=> 通知BIOS进行热启动（跳过内存检查）=> 拷贝并拼接real_mode_switch和jump_to_bios的代码=> 加载实模式IDT和GDT => 根据新的GDT设置段寄存器 => 跳到real_mode_switch处

 

　　最后阶段执行的代码是直接写的机器码。因为这段代码要拷贝到特殊位置0x1000附近，而编译器显然不会帮我们这么做。既然依靠不上编译器，那就只有自己写机器码了。

 

　　要改造这个函数，首先去掉CMOS和BIOS相关的重启通知。因为我们要绕过BIOS重启，因此不要改变他们的状态。

 

　　接下来就是要加入MBR的拷贝。为了简单起见，可以创建一个字符设备（命名为rebootmbr），在重启前将mbr拷贝到这个字符设备中（dd if=/dev/sda of=/dev/rebootmbr bs=512 count=1）。而该字符设备直接控制一块内存区。在重启的时候，将这块内存拷贝到0x7c00处，那个最后的ljmp也改为 0xea, 0x00, 0x00, 0xc0, 0x07 /* ljmp $0x07c0, $0x0000 */。   

 

　　最后就部署，然后重启吧！

 

四、问题和解决方法

 

　　现实往往是残酷的。如果就像上面那样改动，结果往往是果真没有BIOS的画面了，而且可以重新进入GRUB然后看着Linux启动到图形界面，但是鼠标和键盘无法使用。而且无法启动Windows。

 

问题一：鼠标键盘无法使用

 

　　导致该问题的原因是Linux在关机的最后会关闭所有可关闭的设备，包括鼠标键盘，因此Linux关机的最后阶段键盘是无法使用的。而显然GRUB不会帮你去打开它。因此得在重启的最后阶段把键盘打开。打开的方式是设置i8042。细节可查i8042相关的资料。

 

　　即便是打开了i8042，仍然解决不了问题。这时我做了测试。自己写了一段MBR代码，然后重启进去。这段代码是死循环，永远读入键盘输入然后显示到屏幕上。其中读入键盘分为两种：从BIOS读和从i8042读。测试多遍发现：可以从i8042把刚输入的按键读出来，但是无法从BIOS服务读。原因就在于中断向量表！

 

　　Linux启动时会设置一个叫做PIC的东西，对应的函数是init_8259A(int auto_eoi)，里面有这样两段代码：

/* ICW2: 8259A-1 IR0-7 mapped to 0x30-0x37 on x86-64, to 0x20-0x27 on i386 */outb_pic(IRQ0_VECTOR, PIC_MASTER_IMR);.../* ICW2: 8259A-2 IR0-7 mapped to IRQ8_VECTOR */outb_pic(IRQ8_VECTOR, PIC_SLAVE_IMR);

而实模式的要求是IRQ0-7映射到08-0f，IRQ8-15映射到70-77。Linux启动时将8259A（PIC）设置为了保护模式的状态，而在关机时仅仅将所有的中断源Mark掉了。所以还得自己改造一段init_8259A_real_mode()并在重启的时候调用。

 

　　解决了鼠标键盘问题，就可以在GRUB中选择操作系统，并且在Linux启动的时候随意敲击键盘，然后看着启动日志排列成乱糟糟的模样。接下来如果细心些可以发现：Linux的时钟走的很慢。

 

问题二：计时有问题

 

　　Linux支持多个时钟源（clock source），在多核或多cpu构架下，Linux一般会使用APIC内的时钟，此时它会将传统的8253/8254（PIT）关掉。从此系统不再计时。在单核单cpu构架下，Linux也会设置PIT为一种慢速状态，因此不经BIOS重启后，时钟会变慢。

 

　　因此还得按照实模式下AT构架的计算机来设置PIT的0通道，使之产生一个约为18.3Hz的脉冲通向IRQ0。

 

　　解决了这两个问题，估计我的Linux重启再也用不上BIOS了。但是，尝试着重启到Windows却出现问题了——启动时蓝屏，而且错误为IRQL_NOT_EQUAL_OR_LESS。为了解决这个问题，我翻阅了大部分Linux启动、关机相关的代码，查阅了Windows资料（微软这方面资料一般是说设备或驱动有问题，让你去找Manufacturer）。期间又发现了两个看似无关、其实相关的问题：无法重启进入带CDROM驱动的DOS，而且进入了不带CDROM的DOS后CPU速度相当慢。

 

问题三：不经BIOS重启后CPU速度超级慢

 

　　我在重启后的DOS下用speed测速软件测，CPU的主频相当于只有60MHz左右，而真实情况是我的CPU是2GHz双核。翻阅了大量Intel的资料也没找出问题所在。而且发现重启后Linux解压内核的时间很长，一般是瞬间闪过的解压提示，要在那停留20多秒，但是过了那道坎Linux的速度就恢复了。

 

　　后来一次偶然的机会，我将GRUB由0.4.2升级为0.4.4，居然可以启动Windows和带CDROM的DOS，而且CPU速度恢复了！比较了GRUB源码，发现了问题所在。

 

　　原来那段real_mode_swich代码是这样来切入实模式的：andl  $0x00000011,%eax；orl   $0x60000000,%eax；movl  %eax,%cr0，注释中也有类似的说明：“ Sets CD and NW, to disable the cache on a 486, and invalidates the cache.”。以往从来没注意，那条粗体指令居然禁用了CD和NW两个位，而这两位是用来控制缓存的。也就是说，缓存被禁用后，CPU读写内存数据是直接操纵内存，测得的60MHz是禁用了整台计算机的缓存系统后的核心系统速度。去掉这段黑体指令就万事OK了。

 

　　GRUB0.4.2和Windows只开启PE和PG，而无视其他的位。Linux很聪明，将CD和NW都恢复成0了所以Linux基本不受影响，除了解压内核。

 

五、其他注意事项

 

　　解决了上面几个问题后，基本上再没发现什么问题了。在解决问题的时候还补充了多个环节，比如关掉A20等。A20只影响实模式系统，运行于保护模式的操作系统都会在启动的时候把它打开。