Linux 0.11（一）：进入内核前的底层机制剖析
导言
在操作系统的演进历程中，Linux 0.11作为经典版本，其启动过程蕴含着深刻的底层设计哲学。从计算机通电到内核正式接管系统，这一阶段涉及硬件初始化、实模式与保护模式切换、内存重定位等核心环节，每一步都堪称现代操作系统启动流程的缩影。
一、BIOS 加载阶段：启动流程的初始阶段
1.1 启动区加载：系统引导的关键区域
计算机启动时，BIOS 首先读取硬盘主引导记录（MBR），即硬盘 0 盘 0 道 1 扇区。该扇区大小为 512 字节，包含启动代码及分区表信息。启动代码被加载至内存 0x7c00 地址，扇区末尾的 0x55AA 签名作为有效性验证标识。此验证机制确保 BIOS 仅执行合法的启动代码，从而保障系统启动的安全性与可靠性。
1.2 启动代码执行：系统初始化的开端
位于 0x7c00 的 bootsect.s 代码作为启动流程的初始执行模块，承担系统启动初期的环境准备工作。该模块主要负责基本硬件检测、内存环境初始化等基础功能，为后续系统启动奠定基础。
二、内存数据搬运：系统资源的迁移过程
2.1 第一次搬运：启动代码重定位
bootsect.s 执行后，首要任务是将自身从 0x7c00 地址重定位至 0x90000 地址。此次数据迁移旨在释放初始加载区域，为后续代码加载预留空间，并优化代码执行的内存布局。
2.2 第二次搬运：辅助模块加载
随后，BIOS 将硬盘 2 - 5 扇区的 setup.s 代码加载至内存 0x90200 地址。该模块主要负责获取硬件配置信息、初始化系统参数等任务，进一步完善系统启动环境。
2.3 第三次搬运：核心模块加载
最后，硬盘 6 - 245 扇区的 system 模块被加载至内存 0x10000 地址。该模块包含操作系统内核的核心代码与数据，是系统启动的关键组件。
三、寄存器初始化：系统运行环境配置
3.1 段寄存器设置：内存分段管理
在寄存器初始化过程中，段寄存器配置实现内存分段管理。ds/es/fs/gs 寄存器被设置为 0x10（数据段描述符），cs 寄存器设置为 0x08（代码段描述符），ss:esp 指向 user_stack 数组末端。通过上述配置，系统实现了代码段、数据段及堆栈段的逻辑划分，为程序执行提供内存访问基础。
3.2 特殊寄存器配置：系统运行控制
cr0、cr3、gdtr、idtr 等特殊寄存器对系统运行起着关键作用。cr0 寄存器的 PE=1 位开启保护模式，PG=1 位开启分页模式；cr3 寄存器指向页目录表；gdtr 和 idtr 寄存器分别指向全局描述符表和中断描述符表。这些配置为系统提供内存管理与中断处理机制支持。
四、保护模式切换：系统运行模式升级
4.1 前期准备：模式切换基础配置
在从实模式向保护模式切换前，系统需完成多项准备工作。通过开启 A20 地址线突破 1MB 内存寻址限制，配置全局描述符表（GDT）和中断描述符表（IDT），为保护模式下的内存访问与中断处理提供支持。
4.2 模式切换操作：运行模式转换
通过执行 mov ax,#0x0001 和 lmsw ax 指令，将 CR0 寄存器的 PE 位置 1，实现从实模式到保护模式的切换。此操作使系统具备更强大的内存管理与安全保护能力。
4.3 地址转换机制：内存访问管理
在保护模式下，地址转换采用分段与分页相结合的机制。逻辑地址首先通过分段机制转换为线性地址，再经分页机制转换为物理地址。该机制通过二级页表实现对物理内存的高效管理与访问。
五、分页机制设置：内存管理优化
5.1 页表结构设计：内存管理框架
分页机制通过页目录表和页表构建内存管理体系。页目录表包含 1024 个条目，每个条目指向一个页表；每个页表同样包含 1024 个条目，每个条目对应 4KB 大小的物理页。这种层级结构实现了对物理内存的高效管理与访问。
5.2 地址映射关系：内存空间映射
在系统初始化阶段，线性地址 0 - 16MB 与物理地址 0 - 16MB 建立直接映射关系。该映射关系为系统启动初期的内存访问提供基础支持，并可根据运行需求动态调整。
5.3 分页机制激活：内存管理启用
通过执行 mov eax,cr0 和 or eax,80000000h 指令，将 CR0 寄存器的 PG 位置 1，正式启用分页机制。此操作使系统能够实现高效的内存分配、回收与访问管理。
六、进入 main 函数：内核初始化开始
6.1 执行权转移：程序控制交接
在进入 main 函数前，通过 push _main 和 push L6 指令将 main 函数地址压入堆栈，再通过 ret 指令实现执行权转移。该过程确保系统执行流程顺利过渡到内核初始化阶段。
6.2 内核初始化：系统核心启动
main 函数作为内核初始化的入口，从内存 0 地址开始执行。该函数负责初始化系统关键组件，包括内存管理、进程调度、设备驱动等模块，为操作系统的正常运行提供基础支持。
七、核心数据结构：系统运行基础
7.1 全局描述符表 (GDT)：内存访问管理
GDT 定义了代码段、数据段、任务状态段（TSS）、局部描述符表（LDT）等条目。通过段选择子与段描述符的对应关系，GDT 为内存访问提供地址转换依据，确保程序正确执行。
7.2 中断描述符表 (IDT)：中断处理管理
IDT 包含 256 个中断处理程序地址。当系统发生中断事件时，通过中断号在 IDT 中查找对应的中断描述符，从而调用相应的中断处理程序，保障系统的稳定运行。
7.3 页表结构：内存映射管理
页表结构通过页目录表和页表实现线性地址到物理地址的转换。该机制不仅提高了内存利用率，还为系统提供内存保护功能，确保内核与用户程序的内存空间安全。
八、内存布局：系统资源分配
计算机启动完成后，内存空间被划分为多个功能区域：代码区（0 - 0x80000）存储 system 模块代码；数据区（0x90000 - 0x90200）存储设备信息；栈区（0x9FF00 附近）用于函数调用与局部变量存储；页表区从 0 地址开始，存放页目录表和页表。这种内存布局设计确保系统资源的合理分配与高效利用。
计算机启动全流程与内核初始化涉及硬件与软件的深度交互，其每个环节均经过严谨设计与实现。深入理解该过程不仅有助于掌握计算机系统底层运行原理，还对系统开发、维护与优化具有重要指导意义。