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linux 記憶體探測和初始化

阿新 • • 發佈：2019-01-10
1、記憶體探測

    linux在被bootloader載入到記憶體後， cpu最初執行的核心程式碼是arch/x86/boot/header.S彙編檔案中的_start例程，設定好頭部header，其中包括大量的bootloader引數。接著是其中的start_of_setup例程，這個例程在做了一些準備工作後會通過call main跳轉到arch/x86/boot/main.c:main()函式處執行，這就是眾所周知的x86下的main函式，它們都工作在真實模式下。在這個main函式中我們可以第一次看到與記憶體管理相關的程式碼，這段程式碼呼叫detect_memory()函式檢測系統實體記憶體。如下：

  1. void main(void)  
  2. {  
  3.     /* First, copy the boot header into the "zeropage" */
  4.     copy_boot_params(); /* 把頭部各引數複製到boot_params變數中 */
  5.     /* End of heap check */
  6.     init_heap();  
  7.     /* Make sure we have all the proper CPU support */
  8.     if (validate_cpu()) {  
  9.         puts("Unable to boot - please use a kernel appropriate "
  10.              "for your CPU.\n");  
  11.         die();  
  12.     }  
  13.     /* Tell the BIOS what CPU mode we intend to run in. */
  14.     set_bios_mode();  
  15.     /* Detect memory layout */
  16.     detect_memory(); /* 記憶體探測函式 */
  17.     /* Set keyboard repeat rate (why?) */
  18.     keyboard_set_repeat();  
  19.     /* Query MCA information */
  20.     query_mca();  
  21.     /* Query Intel SpeedStep (IST) information */
  22.     query_ist();  
  23.     /* Query APM information */
  24. #if defined(CONFIG_APM) || defined(CONFIG_APM_MODULE)
  25.     query_apm_bios();  
  26. #endif
  27.     /* Query EDD information */
  28. #if defined(CONFIG_EDD) || defined(CONFIG_EDD_MODULE)
  29.     query_edd();  
  30. #endif
  31.     /* Set the video mode */
  32.     set_video();  
  33.     /* Parse command line for 'quiet' and pass it to decompressor. */
  34.     if (cmdline_find_option_bool("quiet"))  
  35.         boot_params.hdr.loadflags |= QUIET_FLAG;  
  36.     /* Do the last things and invoke protected mode */
  37.     go_to_protected_mode();  
  38. }  
    記憶體探測的實現在arch/x86/boot/memory.c中，如下：
  1. int detect_memory(void)  
  2. {  
  3.     int err = -1;  
  4.     if (detect_memory_e820() > 0)  
  5.         err = 0;  
  6.     if (!detect_memory_e801())  
  7.         err = 0;  
  8.     if (!detect_memory_88())  
  9.         err = 0;  
  10.     return err;  
  11. }  
    由上面的程式碼可知，linux核心會分別嘗試呼叫detect_memory_e820()、detcct_memory_e801()、detect_memory_88()獲得系統實體記憶體佈局，這3個函式都在memory.c中實現，它們內部其實都會以內聯彙編的形式呼叫bios中斷以取得記憶體資訊，該中斷呼叫形式為int 0x15，同時呼叫前分別把AX暫存器設定為0xe820h、0xe801h、0x88h，關於0x15號中斷有興趣的可以去查詢相關手冊。下面分析detect_memory_e820()的程式碼，其它程式碼基本一樣。
  1. #define SMAP    0x534d4150  /* ASCII "SMAP" */
  2. staticint detect_memory_e820(void)  
  3. {  
  4.     int count = 0; /* 用於記錄已檢測到的實體記憶體數目 */
  5.     struct biosregs ireg, oreg;  
  6.     struct e820entry *desc = boot_params.e820_map;  
  7.     staticstruct e820entry buf; /* static so it is zeroed */
  8.     initregs(&ireg); /* 初始化ireg中的相關暫存器 */
  9.     ireg.ax  = 0xe820;  
  10.     ireg.cx  = sizeof buf; /* e820entry資料結構大小 */
  11.     ireg.edx = SMAP; /* 標識 */
  12.     ireg.di  = (size_t)&buf; /* int15返回值的存放處 */
  13.     /* 
  14.      * Note: at least one BIOS is known which assumes that the 
  15.      * buffer pointed to by one e820 call is the same one as 
  16.      * the previous call, and only changes modified fields.  Therefore, 
  17.      * we use a temporary buffer and copy the results entry by entry. 
  18.      * 
  19.      * This routine deliberately does not try to account for 
  20.      * ACPI 3+ extended attributes.  This is because there are 
  21.      * BIOSes in the field which report zero for the valid bit for 
  22.      * all ranges, and we don't currently make any use of the 
  23.      * other attribute bits.  Revisit this if we see the extended 
  24.      * attribute bits deployed in a meaningful way in the future. 
  25.      */
  26.     do {  
  27.         /* 在執行這條內聯彙編語句時輸入的引數有：  
  28.         eax暫存器=0xe820  
  29.         dx暫存器=’SMAP’  
  30.         edi暫存器=desc  
  31.         ebx暫存器=next  
  32.         ecx暫存器=size  
  33.          返回給c語言程式碼的引數有：  
  34.         id=eax暫存器 
  35.         rr=edx暫存器  
  36.         ext=ebx暫存器 
  37.         size=ecx暫存器  
  38.         desc指向的記憶體地址在執行0x15中斷呼叫時被設定  
  39.         */
  40.         intcall(0x15, &ireg, &oreg);  
  41.         ireg.ebx = oreg.ebx; /* 選擇下一個 */
  42.         /* BIOSes which terminate the chain with CF = 1 as opposed 
  43.            to %ebx = 0 don't always report the SMAP signature on 
  44.            the final, failing, probe. */
  45.         if (oreg.eflags & X86_EFLAGS_CF)  
  46.             break;  
  47.         /* Some BIOSes stop returning SMAP in the middle of 
  48.            the search loop.  We don't know exactly how the BIOS 
  49.            screwed up the map at that point, we might have a 
  50.            partial map, the full map, or complete garbage, so 
  51.            just return failure. */
  52.         if (oreg.eax != SMAP) {  
  53.             count = 0;  
  54.             break;  
  55.         }  
  56.         *desc++ = buf; /* 將buf賦值給desc */
  57.         count++; /* 探測數加一 */
  58.     } while (ireg.ebx && count < ARRAY_SIZE(boot_params.e820_map));  
  59.     /* 將記憶體塊數保持到變數中 */
  60.     return boot_params.e820_entries = count;  
  61. }  
    由於歷史原因，一些I/O裝置也會佔據一部分記憶體實體地址空間，因此係統可以使用的實體記憶體空間是不連續的，系統記憶體被分成了很多段，每個段的屬性也是不一樣的。int 0x15查詢實體記憶體時每次返回一個記憶體段的資訊，因此要想返回系統中所有的實體記憶體，我們必須以迭代的方式去查詢。detect_memory_e820()函式把int 0x15放到一個do-while迴圈裡，每次得到的一個記憶體段放到struct e820entry裡，而struct e820entry的結構正是e820返回結果的結構。像其它啟動時獲得的結果一樣，最終都會被放到boot_params裡，探測到的各個記憶體段情況被放到了boot_params.e820_map。
    這裡存放中斷返回值的e820entry結構，以及表示記憶體圖的e820map結構均位於arch/x86/include/asm/e820.h中，如下：
  1. struct e820entry {  
  2.     __u64 addr; /* 記憶體段的開始 */
  3.     __u64 size; /* 記憶體段的大小 */
  4.     __u32 type; 

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