DragonOS/kernel/head.S

// 这是内核执行头程序
// Created by longjin.
// 2022/01/20

#include "common/asm.h"


// 以下是来自 multiboot2 规范的定义
//  How many bytes from the start of the file we search for the header.
#define MULTIBOOT_SEARCH 32768
#define MULTIBOOT_HEADER_ALIGN 8

//  The magic field should contain this.
#define MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC 0xe85250d6

//  This should be in %eax.
#define MULTIBOOT2_BOOTLOADER_MAGIC 0x36d76289

//  Alignment of multiboot modules.
#define MULTIBOOT_MOD_ALIGN 0x00001000

//  Alignment of the multiboot info structure.
#define MULTIBOOT_INFO_ALIGN 0x00000008

//  Flags set in the 'flags' member of the multiboot header.

#define MULTIBOOT_TAG_ALIGN 8
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_END 0
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_CMDLINE 1
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_BOOT_LOADER_NAME 2
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_MODULE 3
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_BASIC_MEMINFO 4
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_BOOTDEV 5
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_MMAP 6
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_VBE 7
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_FRAMEBUFFER 8
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_ELF_SECTIONS 9
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_APM 10
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI32 11
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI64 12
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_SMBIOS 13
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_ACPI_OLD 14
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_ACPI_NEW 15
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_NETWORK 16
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI_MMAP 17
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI_BS 18
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI32_IH 19
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI64_IH 20
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_LOAD_BASE_ADDR 21

#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_END 0
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_INFORMATION_REQUEST 1
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ADDRESS 2
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS 3
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_CONSOLE_FLAGS 4
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_FRAMEBUFFER 5
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_MODULE_ALIGN 6
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_EFI_BS 7
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS_EFI32 8
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS_EFI64 9
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_RELOCATABLE 10

#define MULTIBOOT_ARCHITECTURE_I386 0
#define MULTIBOOT_ARCHITECTURE_MIPS32 4
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_OPTIONAL 1

#define MULTIBOOT_LOAD_PREFERENCE_NONE 0
#define MULTIBOOT_LOAD_PREFERENCE_LOW 1
#define MULTIBOOT_LOAD_PREFERENCE_HIGH 2

#define MULTIBOOT_CONSOLE_FLAGS_CONSOLE_REQUIRED 1
#define MULTIBOOT_CONSOLE_FLAGS_EGA_TEXT_SUPPORTED 2


// 以下是来自 multiboot2 规范的定义
//  How many bytes from the start of the file we search for the header.
#define MULTIBOOT_SEARCH 32768
#define MULTIBOOT_HEADER_ALIGN 8

//  The magic field should contain this.
#define MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC 0xe85250d6

//  This should be in %eax.
#define MULTIBOOT2_BOOTLOADER_MAGIC 0x36d76289

//  Alignment of multiboot modules.
#define MULTIBOOT_MOD_ALIGN 0x00001000

//  Alignment of the multiboot info structure.
#define MULTIBOOT_INFO_ALIGN 0x00000008

//  Flags set in the 'flags' member of the multiboot header.

#define MULTIBOOT_TAG_ALIGN 8
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_END 0
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_CMDLINE 1
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_BOOT_LOADER_NAME 2
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_MODULE 3
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_BASIC_MEMINFO 4
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_BOOTDEV 5
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_MMAP 6
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_VBE 7
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_FRAMEBUFFER 8
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_ELF_SECTIONS 9
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_APM 10
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI32 11
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI64 12
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_SMBIOS 13
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_ACPI_OLD 14
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_ACPI_NEW 15
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_NETWORK 16
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI_MMAP 17
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI_BS 18
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI32_IH 19
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_EFI64_IH 20
#define MULTIBOOT_TAG_TYPE_LOAD_BASE_ADDR 21

#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_END 0
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_INFORMATION_REQUEST 1
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ADDRESS 2
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS 3
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_CONSOLE_FLAGS 4
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_FRAMEBUFFER 5
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_MODULE_ALIGN 6
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_EFI_BS 7
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS_EFI32 8
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS_EFI64 9
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_RELOCATABLE 10

#define MULTIBOOT_ARCHITECTURE_I386 0
#define MULTIBOOT_ARCHITECTURE_MIPS32 4
#define MULTIBOOT_HEADER_TAG_OPTIONAL 1

#define MULTIBOOT_LOAD_PREFERENCE_NONE 0
#define MULTIBOOT_LOAD_PREFERENCE_LOW 1
#define MULTIBOOT_LOAD_PREFERENCE_HIGH 2

#define MULTIBOOT_CONSOLE_FLAGS_CONSOLE_REQUIRED 1
#define MULTIBOOT_CONSOLE_FLAGS_EGA_TEXT_SUPPORTED 2



// 直接用 -m64 编译出来的是 64 位代码，
// 但是启动后的机器是 32 位的，相当于在 32 位机器上跑 64 位程序。
// 得加一层跳转到 64 位的 -m32 代码，开启 long 模式后再跳转到以 -m64 编译的代码中
// 对于 x86_64，需要在启动阶段进入长模式(IA32E)，这意味着需要一个临时页表
// See https://wiki.osdev.org/Creating_a_64-bit_kernel: 
// With a 32-bit bootstrap in your kernel

// 这部分是从保护模式启动 long 模式的代码
// 工作在 32bit
// 声明这一段代码以 32 位模式编译
.code32

// multiboot2 文件头
// 计算头长度
.SET HEADER_LENGTH, multiboot_header_end - multiboot_header
// 计算校验和
.SET CHECKSUM, -(MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC + MULTIBOOT_ARCHITECTURE_I386 + HEADER_LENGTH)
// 8 字节对齐
.align MULTIBOOT_HEADER_ALIGN
// 声明所属段
.section .multiboot_header
multiboot_header:
    // 魔数
    .long MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC
    // 架构
    .long MULTIBOOT_ARCHITECTURE_I386
    // 头长度
    .long HEADER_LENGTH
    // 校验和
    .long CHECKSUM
    // 添加其它内容在此，详细信息见 Multiboot2 Specification version 2.0.pdf

// 设置帧缓冲区
.align 8
framebuffer_tag_start:
    .short MULTIBOOT_HEADER_TAG_FRAMEBUFFER
    .short MULTIBOOT_HEADER_TAG_OPTIONAL
    .long framebuffer_tag_end - framebuffer_tag_start
    .long 1440
    .long 900
    .long 32
framebuffer_tag_end:
.align 8
	.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_END
    // 结束标记
    .short 0
    .long 8
multiboot_header_end:


// 临时页表 4KB/页
.section .data
.align 0x1000
pml4:
    .skip 0x1000
pdpt:
    .skip 0x1000
pd:
    .skip 0x1000
pt:
    .skip 0x1000

// 临时 GDT
.align 16
gdt64:
null_desc:
    .short 0xFFFF
    .short 0
    .byte 0
    .byte 0
    .byte 0
    .byte 0
code_desc:
    .short 0
    .short 0
    .byte 0
    .byte 0x9A
    .byte 0x20
    .byte 0
data_desc:
    .short 0
    .short 0
    .byte 0
    .byte 0x92
    .byte 0
    .byte 0
user_code_desc:
    .short 0
    .short 0
    .byte 0
    .byte 0xFA
    .byte 0x20
    .byte 0
user_data_desc:
    .short 0
    .short 0
    .byte 0
    .byte 0xF2
    .byte 0
    .byte 0
gdt64_pointer:
    .short gdt64_pointer-gdt64-1
    .quad gdt64
gdt64_pointer64:
    .short gdt64_pointer-gdt64-1
    .quad gdt64

.section .text
.global _start
.type _start, @function
# 在 multiboot2.cpp 中定义
.extern boot_info_addr
.extern multiboot2_magic
.extern _start64
_start:
    // 关中断
    cli
    // multiboot2_info 结构体指针
    mov %ebx, boot_info_addr
    // 魔数
    mov %eax, multiboot2_magic
    / 从保护模式跳转到长模式
    // 1. 允许 PAE
    mov %cr4, %eax
    or $(1<<5), %eax
    mov %eax, %cr4
    // 2. 设置临时页表
    // 最高级
    mov $pml4, %eax
    mov $pdpt, %ebx
    or $0x3, %ebx
    mov %ebx, 0(%eax)

    // 次级
    mov $pdpt, %eax
    mov $pd, %ebx
    or $0x3, %ebx
    mov %ebx, 0(%eax)

    // 次低级
    mov $pd, %eax
    mov $pt, %ebx
    or $0x3, %ebx
    mov %ebx, 0(%eax)

    // 最低级
    // 循环 512 次，填满一页
    mov $512, %ecx
    mov $pt, %eax
    mov $0x3, %ebx
.fill_pt:
    mov %ebx, 0(%eax)
    add $0x1000, %ebx
    add $8, %eax
    loop .fill_pt

    // 填写 CR3
    mov $pml4, %eax
    mov %eax, %cr3

    // 3. 切换到 long 模式
    mov $0xC0000080, %ecx
    rdmsr
    or $(1<<8), %eax
    wrmsr

    // 4. 开启分页
    mov %cr0, %eax
    or $(1<<31), %eax
    mov %eax, %cr0

    // 5. 重新设置 GDT
    mov $gdt64_pointer, %eax
    lgdt 0(%eax)

    // 6. 跳转到 64 位代码执行
    jmp $0x8, $_start64
    hlt
    ret


.section .text

.code64
.global _start64
.type _start64, @function
.extern Start_Kernel
ENTRY(_start64)
    // 初始化寄存器
    mov $0x10, %ax
    mov %ax, %ds
    mov %ax, %es
    mov %ax, %fs
    mov %ax, %ss

    mov $0x7e00, %esp

// === 加载GDTR ====
    lgdt GDT_POINTER(%rip) //这里我没搞明白rip相对寻址, 看了文档，大概是用来实现PIC的（position independent code）
// === 加载IDTR ====
    lidt IDT_POINTER(%rip)
    mov $0x10, %ax
    mov %ax, %ds
    mov %ax, %es
    mov %ax, %fs
    mov %ax, %ss
    mov %ax, %gs
    
    movq $0x7e00, %rsp
    
    // 2. 设置临时页表
    // 最高级
    mov $__PML4E, %eax
    mov $__PDPTE, %ebx
    or $0x7, %ebx
    mov %ebx, 0(%eax)

    // 次级
    mov $__PDPTE, %eax
    mov $__PDE, %ebx
    or $0x7, %ebx
    mov %ebx, 0(%eax)


// ==== 加载CR3寄存器
    movq $__PML4E, %rax //设置页目录基地址
    movq %rax, %cr3

    movq switch_seg(%rip), %rax
    // 由于ljmp和lcall在GAS中不受支持，因此我们需要先伪造函数调用现场，通过lret的方式，给它跳转过去。才能更新cs寄存器
    // 实在是太妙了！Amazing！
    pushq $0x08 //段选择子
    pushq %rax
    lretq

// 64位模式的代码
switch_seg:

    .quad entry64

entry64:

    movq $0x10, %rax
    movq %rax, %ds
    movq %rax, %es
    movq %rax, %gs
    movq %rax, %ss

    movq _stack_start(%rip), %rsp //rsp的地址

setup_IDT:
    leaq m_ignore_int(%rip),  %rdx // 将ignore_int的地址暂时存到中段描述符的高8B
    movq $(0x08 << 16), %rax  // 设置段选择子。由IDT结构和段选择子结构可知，本行设置段基地址为0x100000，TI=0,RPL=0
    movw %dx, %ax

    movq $ (0x8e00 << 32), %rcx // 设置Type=1110 P=1 DPL=00 0=0
    addq %rcx, %rax

    // 把ignore_int的地址填写到正确位置, rax存低8B， rdx存高8B
    movl %edx, %ecx
    shrl $16, %ecx // 去除低16位
    shlq $48, %rcx
    addq %rcx, %rax // 填写段内偏移31:16

    shrq $32, %rdx // （已经填写了32位，故右移32）

    leaq IDT_Table(%rip), %rdi // 获取中断描述符表的首地址，存储到rdi
    mov $256, %rcx  // 初始化每个中断描述符

repeat_set_idt:
    // ====== 循环，初始化总共256个中断描述符 ===
    movq %rax, (%rdi)   // 保存低8B
    movq %rdx, 8(%rdi)  // 保存高8B

    addq $0x10, %rdi // 转到下一个IDT表项
    dec %rcx
    jne repeat_set_idt

SetUp_TSS64:
    // == 设置64位的任务状态段表 ===
    //rdx保存高8B， rax保存低8B
    leaq TSS64_Table(%rip), %rdx
    xorq %rax, %rax
    xorq %rcx, %rcx

    // 设置TSS描述符的47：40位为1000 1001
    movq $0x89, %rax
    shlq $40, %rax

    // 设置段基地址31:24
    movl %edx, %ecx
    shrl $24, %ecx
    shlq $56, %rcx
    addq %rcx, %rax

    xorq %rcx, %rcx

    // 设置段基地址23:00
    movl %edx, %ecx
    andl $0xffffff, %ecx // 清空ecx的中有效值的高8位（也就是上面已经赋值了的）
    shlq $16, %rcx
    addq %rcx, %rax

    addq $103, %rax // 设置段长度

    leaq GDT_Table(%rip), %rdi
    movq %rax, 80(%rdi) // 把低八B存储到GDT第10项
    shrq $32, %rdx
    movq %rdx, 88(%rdi) // 高8B存到GDT第11项

    // 装载任务状态段寄存器(已改为在main.c中使用load_TR宏进行装载)
    // mov $0x50, %ax // 设置起始地址为80
    // ltr %ax
    
    //now enable SSE and the like
    movq %cr0, %rax
    and $0xFFFB, %ax		//clear coprocessor emulation CR0.EM
    or $0x2, %ax			//set coprocessor monitoring  CR0.MP
    movq %rax, %cr0
    movq %cr4, %rax
    or $(3 << 9), %ax		//set CR4.OSFXSR and CR4.OSXMMEXCPT at the same time
    movq %rax, %cr4

    call Start_Kernel

go_to_kernel:
    .quad Start_Kernel

// ==== 异常/中断处理模块 ignore int： 忽略中断
m_ignore_int:
// 切换到c语言的ignore_int
    movq go_to_ignore_int(%rip), %rax
    pushq $0x08
    pushq %rax
    lretq

    lretq


go_to_ignore_int:
    .quad ignore_int


ENTRY(_stack_start)
    .quad initial_proc_union + 32768


// 初始化页表

.align 0x1000 //设置为8byte对齐
.org 0x1000 //设置页表位置为内核执行头程序的0x1000处

__PML4E:
    .quad 0x102007 // 用户访问，可读写，已存在， 地址在31~12位
    .fill	255,8,0
	.quad 0x102007
	.fill	255,8,0

.org	0x2000

__PDPTE:

	.quad	0x103007 // 用户访问，可读写，已存在
	.fill	511,8,0

.org	0x3000

__PDE:

	.quad	0x000087    // 用户访问，可读写，已存在
	.quad	0x200087
	.quad	0x400087
	.quad	0x600087
	.quad	0x800087
	.quad	0xe0000087		/*虚拟地址0x a00000 帧缓冲区映射到这里*/ 
	.quad	0xe0200087
	.quad	0xe0400087
	.quad	0xe0600087		/*0x1000000*/
	.quad	0xe0800087
	.quad	0xe0a00087
	.quad	0xe0c00087
	.quad	0xe0e00087
	.fill	499,8,0

// GDT表
.section .data
.align 16
.global GDT_Table // 使得GDT可以被外部程序引用或者访问

GDT_Table:
    .quad 0x0000000000000000 // 0 空描述符 0x00
    .quad 0x0020980000000000 // 1 内核64位代码段描述符 0x08
    .quad 0x0000920000000000 // 2 内核64位数据段描述符 0x10
    .quad 0x0000000000000000 // 3 用户32位代码段描述符 0x18
    .quad 0x0000000000000000 // 4 用户32位数据段描述符 0x20
    .quad 0x0020f80000000000 // 5 用户64位代码段描述符 0x28
    .quad 0x0000f20000000000 // 6 用户64位数据段描述符 0x30
    .quad 0x00cf9a000000ffff // 7 内核32位代码段描述符 0x38
    .quad 0x00cf92000000ffff // 8 内核32位数据段描述符 0x40
    .fill 10, 8, 0           // 10-11 TSS(跳过了第9段)  重复十次填充8字节的空间，赋值为0
GDT_END:

GDT_POINTER:
GDT_LIMIT: .word GDT_END - GDT_Table - 1 // GDT的大小
GDT_BASE: .quad GDT_Table

// IDT 表
.global IDT_Table

IDT_Table:
    .fill 512, 8, 0 // 设置512*8字节的IDT表的空间
IDT_END:

IDT_POINTER:
IDT_LIMIT: .word IDT_END - IDT_Table - 1
IDT_BASE: .quad IDT_Table

// 64位的TSS表
.global TSS64_Table

TSS64_Table:
    .fill 13, 8, 0
TSS64_END:

TSS64_POINTER:
TSS64_LIMIT: .word TSS64_END - TSS64_Table - 1
TSS64_BASE: .quad TSS64_Table