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
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   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

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

• BIOS POST开机预检

• BIOS 寻找启动设备

• BIOS 读取第一个扇区：传统bios启动规则，512 bytes boot sector。

• 检查boot signature

• 跳转到Linux。这里开始进入linux源码。arch/x86/boot/setup.S。注意不同版本又差异。

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,
......