调试分析 Linux 0.00 引导程序

请简述 head.s 的工作原理

boot.s 通过 jmpi 0,8 刷新控制寄存器进入保护模式并跳转至 0x0008:0x0000(CS:EIP) 即物理地址 0x00000000 处进入 head.s 程序。head.s 首先初始化段寄存器 DS、SS，堆栈指针 esp 指向 head.s 中事先预留的 init_stack，随后调用函数 setup_idt、setup_gdt 初始化 IDT、GDT 表及 IDTR、GDTR。其中 IDT 的 256 个描述符被设置为指向函数 ignore_int 的中断门，该函数负责向显示终端打印字符 ‘C’，GDT 中设置了 8 个描述符，分别为空描述符[0]、内核代码段描述符[1]、内核数据段描述符[2]、显示终端所需描述符[3]、任务段描述符 TSS0[4]、LDT 描述符 LDT0[5]、任务段描述符 TSS1[6]、LDT 描述符 LDT1[7]。随后，重新设置 DS、ES 等段寄存器以确保其使用新设置的 GDT 并重置 SS:ESP 指向原始堆栈的栈底以清空堆栈，紧接着通过 outb 指令设置 8253 芯片时钟中断信号频率为 100 HZ。在此之后，改写 IDT 表中的 0x08 及 0x80 号描述符分别将其设置为时钟中断及系统中断(系统调用)。在正确设置寄存器 EFLAGS、TR、LDT 后打开中断。为模拟曾经由用户程序 task0 发出系统调用进入内核，手动在内核栈中压入 task0 对应 SS、ESP、EFLAGS、CS：EIP，随后使用 iret 指令隐式进入 task0 代码起始处执行。task0、task1 循环使用系统调用 int 0x80 分别在屏幕中打印字符 ‘A’、’B’，每当时钟中断到来时由 IDT 中 0x08 号指向的中断门陷入 timer_interrupt 中断处理函数，中断处理函数负责交替切换任务 0、1 并正确设置对应任务所需段寄存器，随后使用 iret 隐式跳转至目标任务代码继续执行。如图 1，最终效果呈现为任务 0、1 交替执行，屏幕中循环交替出现由若干个连续 ‘A’、’B’ 所组成的字符串。

请记录 head.s 的内存分布状况，写明每个数据段，代码段，栈段的起始与终止的内存地址

Symbol	Type	Start Addr	End Addr
startup_32	Code	0x00000000	0x000000ad
setup_gdt	Code	0x000000ad	0x000000b5
setup_idt	Code	0x000000b5	0x000000e5
write_char	Code	0x000000e5	0x00000114
ignore_int	Code	0x00000114	0x00000130
timer_interrupt	Code	0x0000012a	0x00000166
system_interrupt	Code	0x00000166	0x0000017d
current	Data	0x0000017d	0x00000181
scr_loc	Data	0x00000181	0x00000185
lidt_opcode	Data	0x00000186	0x0000018c
lgdt_opcode	Data	0x0000018c	0x00000192
idt	Data	0x00000198	0x00000998
gdt	Data	0x00000998	0x000009d8
end_gdt	Stack	0x000009d8	0x00000bd8
init_stack	Data	0x00000bd8	0x00000bde
ldt0	Data	0x00000be0	0x00000bf8
tss0	Data	0x00000bf8	0x00000c60
krn_stk0	Stack	0x00000c60	0x00000e60
ldt1	Data	0x00000e60	0x00000e78
tss1	Data	0x00000e78	0x00000ee0
krn_stk1	Stack	0x00000ee0	0x000010e0
task0	Code	0x000010e0	0x000010f4
task1	Code	0x000010f4	0x00001108
usr_stk1	Stack	0x00001108	0x00001308

简述 head.s 57 至 62 行在做什么？

如图 2，x86 架构在执行中断及系统调用时，会隐式将相关寄存器压栈以保存现场。对于特权级改变的中断及系统调用，硬件会依次向栈中压入调用前的 SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP 寄存器并更新 SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP 至中断处理函数起始状态，函数执行后使用 iret 命令隐式弹栈恢复 SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP 至调用前状态。为实现用户与内核间的隔离，需使用 iret 指令模拟曾经由用户程序 task0 发出系统调用进入内核，因此需手动在内核栈中压入 task0 起始状态对应 SS、ESP、EFLAGS、CS：EIP，随后使用 iret 指令进入 task0 代码起始处执行。

简述 iret 执行后， pc 如何找到下一条指令？

如图 3，iret 执行前(内核)栈中被压入 SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP，单步执行后如图 4 所示，CS:EIP 被设置为先前栈中压入的 0x000f:0x000010e0，指向 task0 代码起始地址处。

记录 iret 执行前后，栈是如何变化的？

如图 5、6，SS:ESP 由 0x10:0x00000bc4 变为先前栈中压入的 0x0017:0x00000bd8，指向 task0 用户栈栈底(同时也是先前内核程序所用栈)。

当任务进行系统调用时，即 int 0x80 时，记录栈的变化情况。

如图 7、8，task0 在执行 int 0x80 前，将欲打印字符 ‘A’ 的 ASCII 码 65 放入 eax 寄存器中作为 int 0x80 中断处理函数 system_interrupt 的参数，task0 内核栈krn_stk0 的栈顶 0x00000E60 附近未压入值。

如图 9，执行 int 0x80 中断指令后，SS:ESP 切换至 TSS0 中预设的 0x10:0x00000e60 (krn_stk0) 并压入 SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP，对应栈中的值 0x0017、0x00000bd8、0x00000246、0x000f、0x000010eb。