Linux内核从QEMU启动到start_kernel.md
Linux内核从QEMU启动到start_kernel.mdLinux启动整理架构bzImage深入理解为什么叫bzImagevmlinux结构bzImage结构QEMU如何启动bzImageCPU Reset状态核心寄存器CPU Reset进入BIOS进入内核入口阶段一：16位实模式 (Setup 代码)阶段二：32位保护模式 (解压器入口)阶段三：64位长模式 (内核解压与真正入口)
Linux启动整理架构
Hardward
|
v
Bootloader(GRUD/QEMU)
|
v
bzImage
|
v
Linux arch/x86 startup code
|
v
start_kernel()
|
v
rest_init()
|
v
kernel_init()
|
v
/init
|
v
BusyBox Shell
Linux启动不是从C语言开始得，而是从汇编开始。原因CPU刚启动时CPU状态16-bit Real Mode.没有分页，虚拟地址，c运行环境，栈，内存管理所以汇编负责建立环境，c代码负责初始化Kernel。
bzImage深入理解
为什么叫bzImage
Linux Kernel编译产生vmlinux，然后vmlinux压缩bzImage（big zImage 大内核镜像）。
vmlinux结构
编译：.c -> gcc -> .o->链接->vmlinux。vmlinux就是elf executable。因此GDB调试gdb vmlinux。
bzImage结构
结构：
bzImage
+----------------+
| boot sector |
| |
+----------------+
| setup code |
+----------------+
| compressed kernel
+----------------+
| protected mode kernel
+----------------+
启动时：
BIOS/QEMU
↓
读取bzImage
↓
执行boot代码
↓
解压kernel
↓
跳转真正kernel入口
QEMU如何启动bzImage
命令：qemu-system-x86_64 -kernel bzImage
QEMU模拟：CPU,Memory,BIOS,Disk,Serial
-kernel参数实际类似Bootloader直接加载kernel。
QEMU BIOS -> load bzImage -> jump boot entry。
CPU Reset状态
CPU刚启动得时候没有虚拟内存，c语言环境，栈，中断，页表，内核空间。cpu只是一个刚复位的处理器。以x86 cpu为例当cpu收到RESET信号后内部寄存器设置为固定值，这里是根据x86的硬编码规则设置的。
核心寄存器
| 寄存器 | 作用 |
|---|
| CS | 代码段寄存器 |
| IP/RIP | 下一条执行指令地址 |
| CR0 | CPU运行模式控制 |
| CR3 | 页表地址 |
| CR4 | CPU扩展功能控制 |
| EFLAGS | CPU状态标志 |
第一条执行地址计算：Physical Address = CS × 16 + IP
# 去掉 -kernel 参数，让 QEMU 从 BIOS 开始启动
qemu-system-x86_64 \
-kernel linux-2.6.39/arch/x86/boot/bzImage \
-initrd rootfs.img \
-append"console=ttyS0 rdinit=/init nokaslr" \
-nographic \
-s-S
# 远程调试内核
gdb vmlinux
(gdb) target remote localhost:1234
(gdb) p/x $cs
$3= 0xf000
(gdb) p/x $rip
$1= 0xfff0
(gdb) p/x $cr0
$3= 0x60000010
(gdb) p/x $cr3
$4= 0x0
(gdb) p/x $cr4
$5= 0x0
(gdb) p/x $eflags
$6= 0x2
# 0xF000 × 16 + 0xFFF0 = 0xFFFF0
# 查看字节把内存原样显示 EA 5B E0 00 F0根据Intel x86指令格式EA代表JMP FAR。这里不深入分析了就是跳转指令跳转到BIOS主体代码。
(gdb) x/32bx 0xffff0
0xffff0: 0xea 0x5b 0xe0 0x00 0xf0 0x30 0x36 0x2f
0xffff8: 0x32 0x33 0x2f 0x39 0x39 0x00 0xfc 0x00
0x100000: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
0x100008: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00
# si单步跳转跳转到BIOS代码，执行后查看寄存器的值。
si
(gdb) info registers cs rip
cs 0xf000 61440
rip 0xe05b 0xe05b <global_cwq+795>
# 这里不深究BIOS源码了。
CPU Reset进入BIOS
进入内核入口
当 BIOS 或 QEMU (Bootloader) 将 bzImage 加载到内存后，CPU 控制权正式交给 Linux 内核的引导代码。这部分代码主要位于 arch/x86/boot/ 目录下。
整个进入 start_kernel 的过程可以概括为 “三次跳跃，四种状态”： 16位实模式 \rightarrow 32位保护模式 \rightarrow 64位长模式 (解压内核) \rightarrow 64位长模式 (真正内核)。
阶段一：16位实模式 (Setup 代码)
gdb-multiarch vmlinux
target remote:1234
# 1. 告诉 GDB 当前是 16 位架构，否则汇编解析会乱码
(gdb) set architecture i8086
# 2. 在 setup 汇编入口下硬件断点 (Hardware Breakpoint)
(gdb) hb *0x10200
# 3. 运行并触发断点
(gdb) c
# 4. 查看当前 16 位汇编指令
(gdb) layout asm
(gdb) si # 单步执行
此时你正在执行 arch/x86/boot/header.S 和 main.c，内核正在调用 BIOS 中断收集硬件信息。
阶段二：32位保护模式 (解压器入口)
当 16 位代码执行完毕，开启 CR0 的 PE 位后，会长跳转到 32 位解压器代码 startup_32。这段代码通常被加载到物理内存的 1MB 处（即 0x100000）。
# 1. 切换 GDB 为 32 位架构
(gdb) set architecture i386
# 2. 在 1MB 物理地址处下硬件断点
(gdb) hb *0x100000
# 3. 运行并触发断点
(gdb) c
# 4. 打印寄存器，观察 CR0 的变化 (PE位已置1)
(gdb) info registers cr0
阶段三：64位长模式 (内核解压与真正入口)
在 32 位模式下配置好基础页表并开启 CR4.PAE 和长模式后，CPU 会跳转到解压代码的 startup_64 进行解压。解压完成后，会跳转到真正解压后的内核代码（kernel/head_64.S 的 startup_64）。
因为此时已经进入 64 位世界，并且即将跳转到 C 语言主线，我们可以加载 vmlinux 的符号表了。
# 1. 切换 GDB 为 64 位架构
(gdb) set architecture i386:x86-64
# 2. 加载未压缩内核的符号表 (包含 start_kernel 等符号)
(gdb) file vmlinux
# 3. 在 64 位内核主汇编入口下硬件断点
(gdb) hb startup_64
# 4. 在 C 语言入口下硬件断点
(gdb) hb start_kernel
# 5. 运行，依次触发 startup_64 和 start_kernel
(gdb) c
简单方式：
(gdb) target remote localhost:1234
(gdb) hb start_kernel
(gdb) c
(gdb) list
452 pgtable_cache_init();
453 vmalloc_init();
454 }
455
456 asmlinkage void __init start_kernel(void)
457 {
458 char * command_line;
459 extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
460
461 smp_setup_processor_id();
(gdb)
462
463 /*
464 * Need to run as early as possible, to initialize the
465 * lockdep hash:
466 */
467 lockdep_init();
468 debug_objects_early_init();
469
470 /*
471 * Set up the the initial canary ASAP:
(gdb)
472 */
473 boot_init_stack_canary();
474
475 cgroup_init_early();
476
477 local_irq_disable();
478 early_boot_irqs_disabled = true;
479
480 /*
481 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
(gdb)
482 * enable them
483 */
484 tick_init();
485 boot_cpu_init();
486 page_address_init();
487 printk(KERN_NOTICE "%s", linux_banner);
488 setup_arch(&command_line);
489 mm_init_owner(&init_mm, &init_task);
490 setup_command_line(command_line);
491 setup_nr_cpu_ids();
(gdb)
492 setup_per_cpu_areas();
493 smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */
494
495 build_all_zonelists(NULL);
496 page_alloc_init();
497
498 printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
499 parse_early_param();
500 parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,
501 __stop___param - __start___param,
......
