/* * Prepare the machine for transition to protected mode. * 从实模式向保护模式跳转 * 文档： * /arch/x86/include/asm/segment.h 【1】 * arch/x86/boot/pm.c【2】本文 * arch/x86/boot/a20.c【3】 */#include "boot.h"#include <asm/segment.h>/** Invoke the realmode switch hook if present; otherwise* disable all interrupts.** boot loader hooks* 当加载器运行的环境不能布置标准内存布局时，会用到加载器hooks。这种hooks尽量不要用。* realmode_swtch：在转到保护模式前最后时刻执行，它是16位的(默认的例程是用来禁用NMI，* 不可屏蔽中断)。* code32_start ： 这个字段可被用作hook,在转到保护模式后第一时刻执行，并且是32位的，* 它的执行在内核解压前。实模式开始偏移512处是内核的开始。此时ds=es=ss=实模式代码加* 载地址。推荐是fs=gs=ds=es=ss。一般情况下加载器会将它指向正常的、被压缩内核代码处。*/static inline void io_delay(void){//boot.h:向0x80端口写al值来消耗时间 const u16 DELAY_PORT = 0x80; asm volatile("outb %%al,%0" : : "dN" (DELAY_PORT));}static void realmode_switch_hook(void){/* * 调用hook,一般hook是不会设置的,所以走else流程 * 向0x70商品写0x80关NMI */if (boot_params.hdr.realmode_swtch) {asm volatile("lcallw *%0": : "m" (boot_params.hdr.realmode_swtch): "eax", "ebx", "ecx", "edx");} else {asm volatile("cli");outb(0x80, 0x70); /* Disable NMI */io_delay();}}/* * Disable all interrupts at the legacy PIC. * PIC相关 * 端口范围:0x20-0x3f 8259 可编程中断控制器1 * 端口范围:0xa0-0xbf 8259 可编程中断控制器2 * */static void mask_all_interrupts(void){outb(0xff, 0xa1); /* Mask all interrupts on the secondary PIC */io_delay();outb(0xfb, 0x21); /* Mask all but cascade on the primary PIC */io_delay();}/* * Reset IGNNE# if asserted in the FPU. * 端口范围:0x0f0-0x0ff 数学协处理器访问端口 */static void reset_coprocessor(void){outb(0, 0xf0);io_delay();outb(0, 0xf1);io_delay();}/** Set up the GDT*/struct gdt_ptr {u16 len;// 0-15:GDT Lmit 大小u32 ptr;//16-47:Base address 基址} __attribute__((packed));/* * 启动时使用的gdt * 仅设置了3项cs,ds,tss,代码段cs和数据段ds的段基址都设置为0 * 任务状态段段基址设置为4096 * 由文档【1】中可知： *GDT_ENTRY_BOOT_CS=2 *GDT_ENTRY_BOOT_DS=3 *GDT_ENTRY_BOOT_TSS=4 * 这些值表示在表中的索引,分别处于临时gdt的索引2、3、4项 * 分别有__BOOT_CS=16,__BOOT_DS=24,__BOOT_TSS=32等 * 段选择子与段描述符对应 */static void setup_gdt(void){/* There are machines which are known to not boot with the GDTbeing 8-byte unaligned. Intel recommends 16 byte alignment. */static const u64 boot_gdt[] __attribute__((aligned(16))) = {/* CS: code, read/execute, 4 GB, base 0 */[GDT_ENTRY_BOOT_CS] = GDT_ENTRY(0xc09b, 0, 0xfffff),/* DS: data, read/write, 4 GB, base 0 */[GDT_ENTRY_BOOT_DS] = GDT_ENTRY(0xc093, 0, 0xfffff),/* TSS: 32-bit tss, 104 bytes, base 4096 *//* We only have a TSS here to keep Intel VT happy;we don't actually use it for anything. */[GDT_ENTRY_BOOT_TSS] = GDT_ENTRY(0x0089, 4096, 103),};/* Xen HVM incorrectly stores a pointer to the gdt_ptr, insteadof the gdt_ptr contents. Thus, make it static so it willstay in memory, at least long enough that we switch to theproper kernel GDT. */static struct gdt_ptr gdt;gdt.len = sizeof(boot_gdt)-1;gdt.ptr = (u32)&boot_gdt + (ds() << 4);//通过lgdtl将48位的gdt放入gdtr寄存器asm volatile("lgdtl %0" : : "m" (gdt));}/** Set up the IDT* 中断描述符表初始化为0,先不使用*/static void setup_idt(void){static const struct gdt_ptr null_idt = {0, 0};asm volatile("lidtl %0" : : "m" (null_idt));}/* * Actual invocation sequence * 这个函数是从boot/main()跳过来执行的,它是pm.c中最主要的函数,它控制着保护模式 * 相关函数的调用顺序。它的主要工作有： * 1.在离开实模式的最后时刻调用加载器hook * 2.打开A20Gate * 3.重置数学协处理器 * 4.屏蔽所有中断 * 5.设置idt * 6.设置gdt * 7.执行protected_mode_jump(code32_start hook) * 对于code32_start(document/x86/boot.txt),前面说过,它也能作为加载器hook,只是它是在进入保护模式第一时间 * 执行的。但一般情况下,加载器会把它指向未解压的内核地址,hook比较少用。 */void go_to_protected_mode(void){/* Hook before leaving real mode, also disables interrupts */realmode_switch_hook();/* Enable the A20 gate */if (enable_a20()) {puts("A20 gate not responding, unable to boot...\n");die();}/* Reset coprocessor (IGNNE#) */reset_coprocessor();/* Mask all interrupts in the PIC */mask_all_interrupts();/* Actual transition to protected mode... */setup_idt();setup_gdt();/* * boot_params在boot/main.c中定义 * ds从header.S到现在还没变,还是指向内核加载基址X所在的段。 * ds<<4+boot_params就是为boot_params找到实际的地址。 * 内核中的函数都是fastcall的,则参数1被放在eax中,参数2被放入edx中。 */protected_mode_jump(boot_params.hdr.code32_start,(u32)&boot_params + (ds() << 4));}////////////////////////////////a20.c///////////////////////////////////////////* * Enable A20 gate (return -1 on failure) * 在80286以前,intel的CPU只有20条地址线,可访问最高地址F000:FFFF=FFFFF,这种情况 * 下20根地址线全1。80286时,有24条地址线,可访问FFFF:FFFF=10FFEFh地址(地址格式没 * 变,只是范围大了),1M以上是extend memory,1M～10FFEFh为high memory。在80268以前 * 如果给的地址大于F000:FFFF,如FFFF:FFFF=10FFEFh,那么因为地址线只有20根,高于20 * 的地址部分将被弃掉,所以访问高于FFFF:FFFF实际上还是访问0FFEF。20根地址线最高 * 是1M内存地址,所以要访问逻辑地址高于1M,都会访问1M以下的地址,这种情况被称作是 * wraparound。而80286却能访问1M以上的地址。在80286实模式访问高端地址与8086不 * 一致,这像是一个bug。所以为了它们一致,人们引入了A20Gate:利用键盘控制器8042空 * 出的一个引脚和第20根地址线相与,以控制第20根。在80286实模式时,键盘控制器的这 * 个引脚是0。 * 注意一下,逻辑地址最高是FFFF:FFFF=FFFF0+FFFF=10FFEFh,在80286实模式下,就算访 * 问这个地址,因为它被人为地置0了,就与8086一样了。最高4位,由于逻辑地址限制,最 * 大值是0001，所以只要控制最高4位的的最低1位(A20)即可,因最高3位超出了逻辑地址 * 表达的范围,它们永远是0。当然,80286以后的CPU也保留着实模式(与8088)的一致性， * 所以A20Gate一直存在。 * 但对于80286及其以后的CPU,有了保护模式,寻址范围变大,如32位的CPU,20位以上的 * 地址不再是仅有第20位是1、其它位是0了。而A20又成了遗留问题,进保护模式后,如果 * A20还保持着实模式时的值---0，那么会导致一个地址范围找不到。所以在切换到实 * 模式之间需要将A20Gate置为1。 * A20打开的方法不限于8042一种,随着技术的发展,厂商设计出了若干种打开A20的方法 * 下面会用到8042、0x92端口、bois（int15 ax=240x) */ #include "boot.h"#define MAX_8042_LOOPS 100000#define MAX_8042_FF 32/* * 0x64：状态寄存器、命令寄存器 * 0x60：数据寄存器 * 如果要读8042状态,直接读0x64端口,如果要写则将命令写到0x64,将参数 * 写到0x60,然后再读0x60端口取得返回值。 * 0x60R读输出缓冲区 * 0x60W写输入缓冲区(8042 Data&8048 Command) * 0x64R读状态寄存器 * 0x64W写输入缓冲区(8042 Command) * 端口0x64读出的状态(8位): * 0 0x60端口有数据,系统应该将它读出 * 1 在输入寄存器中对8042有输入,来自0x60或0x64 * 2 0:reset * 3 输入寄存器中的值是命令(1)还是数据(0) * 4 键盘使能(1)禁用(0) * 5 传输超时 * 6 接收超时 * 7 奇偶校验位 1=偶,0=奇,应该是奇 */static int empty_8042(void){u8 status;int loops = MAX_8042_LOOPS;int ffs = MAX_8042_FF;while (loops--) {io_delay();status = inb(0x64);if (status == 0xff) {/* FF is a plausible, but very unlikely status *///返回ff说明8042控制器可能不存在if (!--ffs)return -1; /* Assume no KBC present */}/* * 最低位是1说明60h端口有数据,将其读出 */if (status & 1) {/* Read and discard input data */io_delay();(void)inb(0x60);} else if (!(status & 2)) {/* Buffers empty, finished! *//* * if句过滤最低位1,到此说明没有数据待读,最低位=0 * 此句又过滤掉bit1的1,那status最低2位应该是00 * 00表示0x60端口既没数据待读,系统也没往8042输入 * 数据或命令,8042empty了。 */return 0;}}return -1;}/* Returns nonzero if the A20 line is enabled. The memory addressused as a test is the int $0x80 vector, which should be safe. */#define A20_TEST_ADDR (4*0x80)#define A20_TEST_SHORT 32#define A20_TEST_LONG 2097152 /* 2^21 */static int a20_test(int loops){int ok = 0;int saved, ctr;set_fs(0x0000);set_gs(0xffff);/* * fs:A20_TEST_ADDR=00000+4*0x80 =0000:0200 * gs:A20_TEST_ADDR+0x10=ffff0+4*0x80+0x10=0x100200 * wrfs32向fs写32位值,rdfs32从fs:addr处读出值 * wrfs32,rdgs32类似 * * 上面说过80286实模式的wraparound现象,就是访问高端地址 * 时,由于A20的原因,最高位的1会被抛弃。那么,上面两个地 * 址,如果A20没打开的时候,读出的数据应该是相同的,异或时 * 结果等于0(ok=0)。对于下面的代码,分别从这两个地址读数 * 据,如果异或不是0,说明A20已经打开ok!=0,如果ok=0,说明 * A20没打开。当ok!=0时,会试loops次,确保不是偶然现象,代 * 码会要求loops的每一次都保证ok!=0(A20开启）。 */saved = ctr = rdfs32(A20_TEST_ADDR);while (loops--) {wrfs32(++ctr, A20_TEST_ADDR);io_delay(); /* Serialize and make delay constant */ok = rdgs32(A20_TEST_ADDR+0x10) ^ ctr;if (ok)break;}//将rdfs32处的值恢复原状wrfs32(saved, A20_TEST_ADDR);return ok;}/* * Quick test to see if A20 is already enabled * 用一个较短的循环来探测 */static int a20_test_short(void){return a20_test(A20_TEST_SHORT);}/* * Longer test that actually waits for A20 to come on line; this * is useful when dealing with the KBC or other slow external circuitry. * 用一个较长的循环来探测,当用慢速设备(8042)打开A20时,需要用这种方法探测 */static int a20_test_long(void){return a20_test(A20_TEST_LONG);}/* * int15也可用来打开A20, * ax=0x2401 禁用 * ax=0x2402 启用 * ax=0x2403 查询A20状态 * ax=0x2404 查询A20支持情况(8042还是0x92端口) */static void enable_a20_bios(void){struct biosregs ireg;initregs(&ireg);ireg.ax = 0x2401;intcall(0x15, &ireg, NULL);}static void enable_a20_kbc(void){empty_8042();outb(0xd1, 0x64); /* Command write写命令 */empty_8042();outb(0xdf, 0x60); /* A20 on,在0x60端口写入命令值(开A20Gate)*/empty_8042();outb(0xff, 0x64); /* Null command, but UHCI wants it */empty_8042();}/* * 0x92端口是快速的A20Gate,当系统没有键盘控制器时,就用这个端口 * bit 1:1,enable; 0,disable * bit 0:1 reset; 0,no reset */static void enable_a20_fast(void){u8 port_a;port_a = inb(0x92); /* Configuration port A */port_a |= 0x02; /* Enable A20 */port_a &= ~0x01; /* Do not reset machine */outb(port_a, 0x92);}/** Actual routine to enable A20; return 0 on ok, -1 on failure*/#define A20_ENABLE_LOOPS 255 /* Number of times to try *//* * 这个函数会用三种方法来尝试打开A20Gate有一个能打开就成 */int enable_a20(void){int loops = A20_ENABLE_LOOPS;int kbc_err;while (loops--) {/* First, check to see if A20 is already enabled(legacy free, etc.) */if (a20_test_short())return 0;/* Next, try the BIOS (INT 0x15, AX=0x2401) */enable_a20_bios();if (a20_test_short())return 0;/* Try enabling A20 through the keyboard controller */kbc_err = empty_8042();//这句测试是防止bios打开A20的延时if (a20_test_short())return 0; /* BIOS worked, but with delayed reaction */if (!kbc_err) {enable_a20_kbc();if (a20_test_long())return 0;}/* Finally, try enabling the "fast A20 gate" */enable_a20_fast();if (a20_test_long())return 0;}return -1;}//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
