内核临时页表建立

背景：为什么要建立内核临时页表：当内核被解压到线性地址0x100000后，为了继续启动内核，即启动内核的第一进程即swapper进程，内核需要建立一张临时页表供其使用。

当内核从16位的实模式进入到保护模式（通过在汇编代码中的setup函数中设置linux的cr0寄存器的PE位），内核要创建一个有限的地址空 间，容纳内核的代码段、数据段、初始页表和用于存放动态数据结构的共128KB大小的空间，此时通常的程序设计者假定，内核使用的段、临时页表和 128KB的内存范围可以全部放在RAM前8MB的空间内。于是我们需要做的工作是建立一个页表可以对内存的前8MB的物理地址进行寻址。

由于进程的线性地址空间分成两部分：

0x00000000到0xbfffffff(0-3G)的线性地址，无论进程运行在用户态还是内核态都可以寻址。

0xc0000000到0xffffffff（3G-4GB）的线性地址，只有内核态进程才可以寻址。

为了保证在实模式和保护模式下都可以很容易的对这8MB寻址。因此，内核必须建立两个映射。把从0x00000000到0x007fffff的线性 地址和从0xc0000000到0xc07fffff的线性地址都映射到从0x00000000到0x007fffff的物理地址中。

此时可以通过与物理地址相同的线性地址或者通过从0xc0000000开始的8MB线性地址对RAM的前8MB进行寻址。

开始建立内核临时页表

内核的临时页表是通过arch/i386/kernel/head.s汇编代码中的startup_32()函数实现的。

建立一个完整的二级页表，需要建立一个页全局目录和一个页表。由于只需要映射8MB的地址空间，一个页表可以容纳1024项，每个页大小为4k，8MB=2*1024*4k；所以只需要2个页全局目录项和一张页表即可。

页全局目录项的建立：

页全局目录项有1024项，但是我们每次寻址8MB的空间只需要2个页全局目录项即可，由于我们要同时考虑用户态和内核态的寻址所以我们需要4个页全局目录项分别寻址8MB的用户空间和8MB的内核空间。

要建立页全局目录我们首先要知道页全局目录存放的物理地址，而变量swapper_pg_dir 存放了页全局目录的线性地址

（swapper_pg_dir的线性地址可以在/boot/System.map文件中找到）通过执行swapper_pg_dir - __PAGE_OFFSET计算可以获得swapper_pg_dir 的物理地址（其中__PAGE_OFFSET为0xc0000000是内核线性空间的起始地址）。

知道了临时页全局目录的地址之后，要做的便是初始化临时页全局目录：

页全局目录的初步初始化：

417 ENTRY(swapper_pg_dir)

418 .fill 1024,4,0

这两行汇编代码执行了页全局目录的初步初始化，它的意思是从swapper_pg_dir开始，填充1024项，每项为4字节，值为0，正好是4K一个页面。

页全局目录进一步初始化：

为映射8MB地址空间，内核通过填充swapper_pg_dir中第0项，1项，768项和769项实现（768和769是通过计算内核线性地址 空间对应的页目录偏移量获得的）。前两项是给用户线性地址映射，后两项给内核线性地址映射。内核会将swapper_gp_dir的0项和768项字段设 置为pg0的物理地址（pg0中存放第一张页表的地址），而1项和769项设置为紧随pg0后的页框的物理地址（一般是pg0+4k）。

页表的建立

由于物理地址8MB=2*1024*4k，可以对应2048个页框，建立两个页表的话只需从0x00000000开始，以此将每隔0x1000的地址填入页表中的每一项中即可：0x0000,0x1000,0x2000,…0x3ff00

0x40000,0x41000,…0x7ff000

内核中有变量pg0，表示对应的页表。建立页表的过程如下：

091 page_pde_offset = (__PAGE_OFFSET >> 20);

092

093 movl $(pg0 - __PAGE_OFFSET), %edi

094 movl $(swapper_pg_dir - __PAGE_OFFSET), %edx

095 movl $0x007, %eax

096 10:

097 leal 0x007(%edi),%ecx

098 movl %ecx,(%edx)

099 movl %ecx,page_pde_offset(%edx)

100 addl $4,%edx

101 movl $1024, %ecx

102 11:

103 stosl

104 addl $0x1000,%eax

105 loop 11b

106

107

108 leal (INIT_MAP_BEYOND_END+0x007)(%edi),%ebp

109 cmpl %ebp,%eax

110 jb 10b

111 movl %edi,(init_pg_tables_end - __PAGE_OFFSET)

大致意思是从0开始，把连续的线性地址映射到物理地址。0x007正好表示PRESENT+RW+USER（在内存中，可读写，用户页面，这样在用 户态和内核 态都可读写）。由于每个页表项有32位，但其实只需保存物理地址的高20位 就够了，所以剩下的低12位可以用来表示页的属性。

结束条件:从代码中可知，当映射到当前所操作的页表项往下INIT_MAP_BEYOND_END（128K）处映射结束。

建成的页表示意图如下



这样总的页表建立之后的示意图如下



开启页面映射之后就可以引用内核的变量，但是还不能启动start_kernel,要启动swapper进程还需要设置内核堆栈

193

194 lss stack_start,%esp

然后设置中断向量表

215 call setup_idt

检查CPU类型

载入gdt(原来的gdt是临时的)和ldt

302 lgdt cpu_gdt_descr

303 lidt idt_descr

最后，调用start_kernel

327 call start_kernel

至此启动start_kernel函数