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Linux 下不经过BIOS重启(i386)

  有个项目,要求在Linux下不经过BIOS重启,i386平台。

一、可行性分析


  众所周知,BIOS中包含了CPU及其他各种设备的初始化代码,Linux系统运行之后是否能够将各种用到的设备返回到刚被BIOS初始化后的状态是是否可行的关键。


  从项目的条件来看,外设并不是问题。因为要首先开起来的那个Linux只会用到磁盘系统。而通用的磁盘系统是不存在与启动相关的关键状态的。


  另外就是核心系统(CPU、内存初始化数据分布等)。CPU的状态时可以设置的,因此问题貌似也不大,将CPU返回实模式即可。内存中的BIOS数据也不会被Linux改动,因此也不会有问题。


二、Linux如何重启x86系统


  查阅Linux内核(2.6.33)中i386的关机代码(arch/x86/kernel/reboot.c),该文件与重启相关的关键点有三个(按代码的先后顺序):第一个是static int __init reboot_setup(char *str)函数和__setup(“reboot=”, reboot_setup);宏,这是在Linux启动时通过内核参数reboot=设置启动方式,记录到reboot_type变量中,默认为BOOT_KBD,即键盘启动。第二个是从static const unsigned long long real_mode_gdt_entries [3] = … 一直到 void machine_real_restart(const unsigned char *code, int length)函数,这是专门为x86系统设计的不通过电源系统快速重启(直接跳到BIOS中重启)。第三个是static void native_machine_emergency_restart(void)函数,这是关机重启的最后阶段,且与前面的reboot_type呼应。要注意的是系统执行到这儿已经关闭了诸如中断控制器、重置了时钟、关闭了所有AP并确保接下来的代码都在唯一的BSP上执行。


  首先将第一和第三点。第一点是启动时的reboot_type设置,它影响到了第三点中实际restart操作的行为。native_machine_emergency_restart函数是重启过程中最后的步骤,i386系统重启最后都会走到这里来。这个函数的结构是一个死循环中包含一个switch(reboot_type)分支结构,如果reboot_type选定的那种重启方式执行失败了(正常情况下,这里调用的函数如果成功就不会返回了,直接导致系统重启。如果失败就会返回),那么就把reboot_type设置为默认的BOOT_KBD,再来重启一次。


  键盘方式看来是最稳妥最原始的重启方式,它的步骤是这样的:


  1. for (i = 0; i < 10; i++) {   

  2.     kb_wait();   

  3.     udelay(50);   

  4.     outb(0xfe, 0x64); /* pulse reset low */  

  5.     udelay(50);   

  6. }  


0x64端口是i8042键盘控制器的控制端口,0xfe命令字的意思是将P32-P21三个针脚拉为低电平,持续6usec。这段代码的实际效果就相当于你按下机箱上的 RESET 键。


  在那些重启方式中,还有一种方式是BOOT_BIOS,调用的就是第二个关键点中的machine_real_restart函数,它将CPU返回到实模式,然后跳到CPU上电后的那个地址(FFFF:0000),BIOS会在这个地址处放一个jump,跳到BIOS真正的开始处。


  显然我就可以直接拿这个函数开刀,把它改造成项目所需要的样子,如此一来,省去了再去写代码进行实模式切换的麻烦,直接用现成的。


三、分析和改造machine_real_restart函数


  为了尽量少更改原有的代码,另开了一个文件,将machine_real_restart函数和相关的结构体拷贝过来,然后慢慢改。当然,这个reboot文件也是要改的,就是再增加一种启动方式,我将它命名为BOOT_MBR,在第一点和第三点相关的地方增加一种启动方式即可。


  接下来就是着手分析改造了。首先看这部分功能包含哪些东西:


  1. static const unsigned long long  

  2. real_mode_gdt_entries [3] =   

  3. {   

  4.     0x0000000000000000ULL,  /* Null descriptor */  

  5.     0x00009b000000ffffULL,  /* 16-bit real-mode 64k code at 0x00000000 */  

  6.     0x000093000100ffffULL   /* 16-bit real-mode 64k data at 0x00000100 */  

  7. };   

  8. static const struct desc_ptr   

  9. real_mode_gdt = { sizeof (real_mode_gdt_entries) – 1, (long)real_mode_gdt_entries },   

  10. real_mode_idt = { 0x3ff, 0 };   

  11. static const unsigned char real_mode_switch [] =   

  12. {   

  13.     0x66, 0x0f, 0x20, 0xc0,         /*    movl  %cr0,%eax        */  

  14.     0x66, 0x83, 0xe0, 0x11,         /*    andl  $0x00000011,%eax */  

  15.     0x66, 0x0d, 0x00, 0x00, 0x00, 0x60, /*    orl   $0x60000000,%eax */  

  16.     0x66, 0x0f, 0x22, 0xc0,         /*    movl  %eax,%cr0        */  

  17.     0x66, 0x0f, 0x22, 0xd8,         /*    movl  %eax,%cr3        */  

  18.     0x66, 0x0f, 0x20, 0xc3,         /*    movl  %cr0,%ebx        */  

  19.     0x66, 0x81, 0xe3, 0x00, 0x00, 0x00, 0x60,   /*    andl  $0x60000000,%ebx */  

  20.     0x74, 0x02,             /*    jz    f                */  

  21.     0x0f, 0x09,             /*    wbinvd                 */  

  22.     0x24, 0x10,             /* f: andb  $0x10,al         */  

  23.     0x66, 0x0f, 0x22, 0xc0          /*    movl  %eax,%cr0        */  

  24. };   

  25. static const unsigned char jump_to_bios [] =   

  26. {   

  27.     0xea, 0x00, 0x00, 0xff, 0xff        /*    ljmp  $0xffff,$0x0000  */  

  28. };   

  29. void machine_real_restart(const unsigned char *code, int length)   

  30. {   

  31.     local_irq_disable();   

  32.        

  33.     spin_lock(&rtc_lock);   

  34.     CMOS_WRITE(0x00, 0x8f);   

  35.     spin_unlock(&rtc_lock);   

  36.        

  37.     memcpy(swapper_pg_dir, swapper_pg_dir + KERNEL_PGD_BOUNDARY,   

  38.         sizeof(swapper_pg_dir [0]) * KERNEL_PGD_PTRS);   

  39.        

  40.     load_cr3(swapper_pg_dir);   

  41.        

  42.     *((unsigned short *)0x472) = reboot_mode;   

  43.        

  44.     memcpy((void *)(0x1000 – sizeof(real_mode_switch) – 100),   

  45.         real_mode_switch, sizeof (real_mode_switch));   

  46.     memcpy((void *)(0x1000 – 100), code, length);   

  47.        

  48.     load_idt(&real_mode_idt);   

  49.     load_gdt(&real_mode_gdt);   

  50.        

  51.     __asm__ __volatile__ (“movl $0x0010,%%eax\n”  

  52.                 “\tmovl %%eax,%%ds\n”  

  53.                 “\tmovl %%eax,%%es\n”  

  54.                 “\tmovl %%eax,%%fs\n”  

  55.                 “\tmovl %%eax,%%gs\n”  

  56.                 “\tmovl %%eax,%%ss” : : : “eax”);   

  57.        

  58.     __asm__ __volatile__ (“ljmp $0x0008,%0”  

  59.                 :   

  60.                 : “i” ((void *)(0x1000 – sizeof (real_mode_switch) – 100)));   

  61. }  


  首先是准备了与实模式对应的GDT表和IDT表。其中GDT表是为段寄存器设置的。段寄存器的可见部分是16为,还有48位不可见部分为对应的GDT表项,制定了段基址和段长度。machine_real_restart只是用了第三个,即基址为0x100,长度为64K的段,该entry偏移为0x10。

  接下来便是切换要用到的汇编代码real_mode_switch和jump_to_bios,这两段代码将会被拷贝并连接在一起,因此real_mode_switch最后一条指令movl  %eax,%cr0 执行完后,下一条指令就是jump_to_bios的ljmp…了。


  再接着就是主角登场。执行顺序是这样的:关中断=>通知CMOS将要重启=>load_cr3重置页目录,将内核3G-4G的映射改为0G-1G=> 通知BIOS进行热启动(跳过内存检查)=> 拷贝并拼接real_mode_switch和jump_to_bios的代码=> 加载实模式IDT和GDT => 根据新的GDT设置段寄存器 => 跳到real_mode_switch处


  最后阶段执行的代码是直接写的机器码。因为这段代码要拷贝到特殊位置0x1000附近,而编译器显然不会帮我们这么做。既然依靠不上编译器,那就只有自己写机器码了。


  要改造这个函数,首先去掉CMOS和BIOS相关的重启通知。因为我们要绕过BIOS重启,因此不要改变他们的状态。


  接下来就是要加入MBR的拷贝。为了简单起见,可以创建一个字符设备(命名为rebootmbr),在重启前将mbr拷贝到这个字符设备中(dd if=/dev/sda of=/dev/rebootmbr bs=512 count=1)。而该字符设备直接控制一块内存区。在重启的时候,将这块内存拷贝到0x7c00处,那个最后的ljmp也改为 0xea, 0x00, 0x00, 0xc0, 0x07 /* ljmp $0x07c0, $0x0000 */。   


  最后就部署,然后重启吧!


四、问题和解决方法


  现实往往是残酷的。如果就像上面那样改动,结果往往是果真没有BIOS的画面了,而且可以重新进入GRUB然后看着Linux启动到图形界面,但是鼠标和键盘无法使用。而且无法启动Windows。


问题一:鼠标键盘无法使用


  导致该问题的原因是Linux在关机的最后会关闭所有可关闭的设备,包括鼠标键盘,因此Linux关机的最后阶段键盘是无法使用的。而显然GRUB不会帮你去打开它。因此得在重启的最后阶段把键盘打开。打开的方式是设置i8042。细节可查i8042相关的资料。


  即便是打开了i8042,仍然解决不了问题。这时我做了测试。自己写了一段MBR代码,然后重启进去。这段代码是死循环,永远读入键盘输入然后显示到屏幕上。其中读入键盘分为两种:从BIOS读和从i8042读。测试多遍发现:可以从i8042把刚输入的按键读出来,但是无法从BIOS服务读。原因就在于中断向量表!


  Linux启动时会设置一个叫做PIC的东西,对应的函数是init_8259A(int auto_eoi),里面有这样两段代码:


  1.     /* ICW2: 8259A-1 IR0-7 mapped to 0x30-0x37 on x86-64, to 0x20-0x27 on i386 */  

  2.     outb_pic(IRQ0_VECTOR, PIC_MASTER_IMR);   

  3. …   

  4.     /* ICW2: 8259A-2 IR0-7 mapped to IRQ8_VECTOR */  

  5.     outb_pic(IRQ8_VECTOR, PIC_SLAVE_IMR);  


而实模式的要求是IRQ0-7映射到08-0f,IRQ8-15映射到70-77。Linux启动时将8259A(PIC)设置为了保护模式的状态,而在关机时仅仅将所有的中断源Mark掉了。所以还得自己改造一段init_8259A_real_mode()并在重启的时候调用。


  解决了鼠标键盘问题,就可以在GRUB中选择操作系统,并且在Linux启动的时候随意敲击键盘,然后看着启动日志排列成乱糟糟的模样。接下来如果细心些可以发现:Linux的时钟走的很慢。

问题二:计时有问题


  Linux支持多个时钟源(clock source),在多核或多cpu构架下,Linux一般会使用APIC内的时钟,此时它会将传统的8253/8254(PIT)关掉。从此系统不再计时。在单核单cpu构架下,Linux也会设置PIT为一种慢速状态,因此不经BIOS重启后,时钟会变慢。


  因此还得按照实模式下AT构架的计算机来设置PIT的0通道,使之产生一个约为18.3Hz的脉冲通向IRQ0。


  解决了这两个问题,估计我的Linux重启再也用不上BIOS了。但是,尝试着重启到Windows却出现问题了——启动时蓝屏,而且错误为IRQL_NOT_EQUAL_OR_LESS。为了解决这个问题,我翻阅了大部分Linux启动、关机相关的代码,查阅了Windows资料(微软这方面资料一般是说设备或驱动有问题,让你去找Manufacturer)。期间又发现了两个看似无关、其实相关的问题:无法重启进入带CDROM驱动的DOS,而且进入了不带CDROM的DOS后CPU速度相当慢。


问题三:不经BIOS重启后CPU速度超级慢


  我在重启后的DOS下用speed测速软件测,CPU的主频相当于只有60MHz左右,而真实情况是我的CPU是2GHz双核。翻阅了大量Intel的资料也没找出问题所在。而且发现重启后Linux解压内核的时间很长,一般是瞬间闪过的解压提示,要在那停留20多秒,但是过了那道坎Linux的速度就恢复了。


  后来一次偶然的机会,我将GRUB由0.4.2升级为0.4.4,居然可以启动Windows和带CDROM的DOS,而且CPU速度恢复了!比较了GRUB源码,发现了问题所在。


  原来那段real_mode_swich代码是这样来切入实模式的:andl  $0x00000011,%eax;orl   $0x60000000,%eax ;movl  %eax,%cr0,注释中也有类似的说明:“ Sets CD and NW, to disable the cache on a 486, and invalidates the cache.”。以往从来没注意,那条粗体指令居然禁用了CD和NW两个位,而这两位是用来控制缓存的。也就是说,缓存被禁用后,CPU读写内存数据是直接操纵内存,测得的60MHz是禁用了整台计算机的缓存系统后的核心系统速度。去掉这段黑体指令就万事OK了。


  GRUB0.4.2和Windows只开启PE和PG,而无视其他的位。Linux很聪明,将CD和NW都恢复成0了所以Linux基本不受影响,除了解压内核。


五、其他注意事项


  解决了上面几个问题后,基本上再没发现什么问题了。在解决问题的时候还补充了多个环节,比如关掉A20等。A20只影响实模式系统,运行于保护模式的操作系统都会在启动的时候把它打开。

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