FreeBSD系统结构详解：开发人员必备手册

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《FreeBSD系统结构手册》是一本由TheFreeBSDDocumentationProject和FreeBSD中文计划联合出版的重要技术文献，专为FreeBSD系统的开发人员设计。该手册首次发布于2000年8月，后续在2005年12月进行了更新，版权归属包括TheFreeBSDDocumentationProject和FreeBSD中文计划。作为一本开源项目的作品，它反映了FreeBSD社区的集体智慧与持续发展。手册详细介绍了FreeBSD操作系统的基础架构和内部工作原理，涵盖了核心系统、内核、文件系统、网络、安全、设备驱动等关键领域。由于其开放性，许多章节可能尚未完善，甚至存在需要更新的部分，鼓励有兴趣的读者参与到文档编写和维护中来，通过邮件列表freebsd-doc@lists.FreeBSD.org参与讨论和贡献。值得注意的是，尽管英文原版始终是最新的来源，用户可以通过FreeBSD官方网站<http://www.FreeBSD.org>获取，或者访问FreeBSD中文计划的快照站点<http://cnsnap.cn.FreeBSD.org/zh_CN>和文档快照站点<http://cnsnap.cn.FreeBSD.org/doc/zh_CN.GB2312>。此外，该手册的其他格式和压缩版本也可在FTP服务器<ftp://ftp.FreeBSD.org/pub/FreeBSD/doc/>和全球多处镜像站点找到，以适应不同用户的需求。在版权方面，FreeBSD和UNIX等商标分别属于FreeBSD基金会和OpenGroup，反映了FreeBSD在遵循开放源代码原则的同时，也尊重了业界的知识产权。《FreeBSD系统结构手册》是一本不可或缺的参考资料，对于深入理解FreeBSD操作系统的设计理念和技术细节具有重要意义，同时也是一个展示和促进开源合作的典范。

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　　btext调用例程recover_bootinfo(), identify_cpu(),create_pagetables()。这些例程也定

在locore.s之中。这些例程的功能如下：

recover_bootinfo 这个例程分析由引导程序传送给内核的参数。引导内

核有3种方式: 由loader引导(如前所述), 由老式磁盘引

导块引导,无盘引导方式。这个函数决定引导方式，并

将结构struct bootinfo 存储至内核内存。

identify_cpu 这个函数侦测CPU类型，将结果存放在变量_cpu中。

create_pagetables 这个函数为分页表在内核内存空间顶部分配一块空

间，并填写一定内容

　　下一步是开启VME(如果CPU有这个功能):

testl $CPUID_VME, R(_cpu_feature)

jz 1f

movl %cr4, %eax

orl $CR4_VME, %eax

movl %eax, %cr4

　　然后，启动分页模式:

Now enable paging

movl R(_IdlePTD), %eax

movl %eax,%cr3 /

load ptd addr into mmu

movl %cr0,%eax /

get control word

orl $CR0_PE|CR0_PG,%eax /

enable paging

movl %eax,%cr0 /

and let’s page NOW!

　　由于分页模式已经启动，原先的实地址寻址方式随即失效。随后三行代码用来跳转至虚拟地址:

pushl $begin /

jump to high virtualized address

ret

现在跳转至KERNBASE，那里是操作系统内核被链接后真正的入口

begin:

　　函数init386()被调用；随参数传递的是一个指针，指向第一个空闲物理页。随后执

行mi_startup()。init386是一个与硬件系统相关的初始化函数，mi_startup()是个与硬件系统无关的函

数(前缀’mi_’表示Machine Independent，不依赖于机器)。内核不再从mi_startup()里返回；调用这个函数

后，内核完成引导:

sys/i386/i386/locore.s:

movl physfree, %esi

pushl %esi /

送给init386()的第一个参数

call _init386 /

设置386芯片使之适应UNIX工作

call _mi_startup /

自动配置硬件，挂接根文件系统，等

hlt /

不再返回到这里！

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1.7.1 init386()

　　init386()定义在sys/i386/i386/machdep.c中，它针对Intel 386芯片进行低级初始化。loader已

将CPU切换至保护模式。loader已经建立了最早的任务。

译译译者者者注注注: 每个"任务"都是与其它“任务”相对独立的执行环境。任务之间可以分时切换，这为并发进程/线程的实现

提供了必要基础。对于Intel 80x86任务的描述，详见Intel公司关于80386 CPU及后续产品的资料，或者在清华大

学图书馆 (http://www.lib.tsinghua.edu.cn/) 馆藏记录中用"80386"作为关键词所查找到的系统结构方面的书目。

在这个任务中，内核将继续工作。在讨论其代码前，我将处理器对保护模式必须完成的一系列准备工作一

并列出:

• 初始化内核的可调整参数，这些参数由引导程序传来

• 准备GDT(全局描述符表)

• 准备IDT(中断描述符表)

• 初始化系统控制台

• 初始化DDB(内核的点调试器)，如果它被编译进内核的话

• 初始化TSS(任务状态段)

• 准备LDT(局部描述符表)

• 建立proc0(0号进程，即内核的进程)的pcb(进程控制块)

　　init386()首先初始化内核的可调整参数，这些参数由引导程序传来。先设置环境指针(environment

pointer, envp)调用，再调用init_param1()。envp指针已由loader存放在结构bootinfo中:

sys/i386/i386/machdep.c:

kern_envp = (caddr_t)bootinfo.bi_envp + KERNBASE;

初始化基本可调整项,如hz等

init_param1();

　　init_param1()定义在sys/kern/subr_param.c之中。这个文件里有一些sysctl项，还有两个函

数，init_param1()和init_param2()。这两个函数从init386()中调用:

sys/kern/subr_param.c

hz = HZ;

TUNABLE_INT_FETCH("kern.hz", &hz);

　　TUNABLE_<typename>_FETCH用来获取环境变量的值:

/usr/src/sys/sys/kernel.h

#define TUNABLE_INT_FETCH(path, var) getenv_int((path), (var))

　　Sysctlkern.hz是系统时钟频率。同时，这些sysctl项被init_param1()设定: kern.maxswzone,

kern.maxbcache, kern.maxtsiz, kern.dfldsiz, kern.maxdsiz, kern.dflssiz, kern.maxssiz,

kern.sgrowsiz。

　　然后init386() 准备全局描述符表(Global Descriptors Table, GDT)。在x86上每个任务都运行在自己的

虚拟地址空间里，这个空间由"段址:偏移量"的数对指定。举个例子，当前将要由处理器执行的指令

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在CS:EIP，那么这条指令的线性虚拟地址就是“代码段虚拟段地址CS” + EIP。为了简便，段起始于虚拟地

址0，终止于界限4G字节。所以，在这个例子中，指令的线性虚拟地址正是EIP的值。段寄存器，

如CS、DS等是选择符，即全局描述符表中的索引(更精确的说，索引并非选择符的全部，而是选择符中

的INDEX部分)。

译译译者者者注注注: 对于80386，选择符有16位，INDEX部分是其中的高13位。

FreeBSD的全局描述符表为每个CPU保存着15个选择符:

sys/i386/i386/machdep.c:

union descriptor gdt[NGDT

MAXCPU]; /

全局描述符表

sys/i386/include/segments.h:

全局描述符表(GDT)中的入口

#define GNULL_SEL 0 /

空描述符

#define GCODE_SEL 1 /

内核代码描述符

#define GDATA_SEL 2 /

内核数据描述符

#define GPRIV_SEL 3 /

对称多处理(SMP)每处理器专有数据

#define GPROC0_SEL 4 /

Task state process slot zero and up, 任务状态进程

#define GLDT_SEL 5 /

每个进程的局部描述符表

#define GUSERLDT_SEL 6 /

用户自定义的局部描述符表

#define GTGATE_SEL 7 /

进程任务切换关口

#define GBIOSLOWMEM_SEL 8 /

BIOS低端内存访问(必须是这第8个入口)

#define GPANIC_SEL 9 /

会导致全系统异常中止工作的任务状态

#define GBIOSCODE32_SEL 10 /

BIOS接口(32位代码)

#define GBIOSCODE16_SEL 11 /

BIOS接口(16位代码)

#define GBIOSDATA_SEL 12 /

BIOS接口(数据)

#define GBIOSUTIL_SEL 13 /

BIOS接口(工具)

#define GBIOSARGS_SEL 14 /

BIOS接口(自变量，参数)

　　请注意，这些#deﬁnes并非选择符本身，而只是选择符中的INDEX域，因此它们正是全局描述符表中的

索引。例如，内核代码的选择符(GCODE_SEL)的值为0x08。

　　下一步是初始化中断描述符表(Interrupt Descriptor Table, IDT)。这张表在发生软件或硬件中断时会被处

理器引用。例如，执行系统调用时，用户应用程序提交INT 0x80 指令。这是一个软件中断，处理器用索引

值0x80在中断描述符表中查找记录。这个记录指向处理这个中断的例程。在这个特定情形中，这是内核的

系统调用关口。

译译译者者者注注注: Intel 80386支持“调用门”，可以使得用户程序只通过一条call指令就调用内核中的例程。可

是FreeBSD并未采用这种机制，也许是因为使用软中断接口可免去动态链接的麻烦吧。另外还有一个附带的好

处：在仿真Linux时，当遇到FreeBSD内核不支持的而又并非关键性的系统调用时，内核只会显示一些出错信息，

这使得程序能够继续运行；而不是在真正执行程序之前的初始化过程中就因为动态链接失败而不允许程序运行。

中断描述符表最多可以有256 (0x100)条记录。内核分配NIDT条记录的内存给中断描述符表，这

里NIDT=256，是最大值：

sys/i386/i386/machdep.c:

static struct gate_descriptor idt0[NIDT];

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struct gate_descriptor

idt = &idt0[0]; /

中断描述符表

　　每个中断都被设置一个合适的中断处理程序。系统调用关口INT 0x80也是如此:

sys/i386/i386/machdep.c:

setidt(0x80, &IDTVEC(int0x80_syscall),

SDT_SYS386TGT, SEL_UPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));

　　所以当一个用户应用程序提交INT 0x80指令时，全系统的控制权会传递给函数_Xint0x80_syscall，

这个函数在内核代码段中，将被以管理员权限执行。

　　然后，控制台和DDB(调试器)被初始化:

sys/i386/i386/machdep.c:

cninit();

以下代码可能因为未定义宏DDB而被跳过

#ifdef DDB

kdb_init();

if (boothowto & RB_KDB)

Debugger("Boot flags requested debugger");

#endif

　　任务状态段(TSS)是另一个x86保护模式中的数据结构。当发生任务切换时，任务状态段用来让硬件存

储任务现场信息。

　　局部描述符表(LDT)用来指向用户代码和数据。系统定义了几个选择符，指向局部描述符表，它们是系

统调用关口和用户代码、用户数据选择符:

/usr/include/machine/segments.h

#define LSYS5CALLS_SEL 0 /

Intel BCS强制要求的

#define LSYS5SIGR_SEL 1

#define L43BSDCALLS_SEL 2 /

尚无

#define LUCODE_SEL 3

#define LSOL26CALLS_SEL 4 /

Solaris >=2.6版系统调用关口

#define LUDATA_SEL 5

separate stack, es,fs,gs sels ? 分别的栈、es、fs、gs选择符？

#define LPOSIXCALLS_SEL 5

/ /

notyet, 尚无

#define LBSDICALLS_SEL 16 /

BSDI system call gate, BSDI系统调用关口

#define NLDT (LBSDICALLS_SEL + 1)

　　然后，proc0(0号进程，即内核所处的进程)的进程控制块(Process Control Block) (struct pcb)结构被初

始化。proc0是一个struct proc 结构，描述了一个内核进程。内核运行时，该进程总是存在，所以这个结

构在内核中被定义为全局变量:

sys/kern/kern_init.c:

struct proc proc0;

　　结构struct pcb是proc结构的一部分，它定义在/usr/include/machine/pcb.h之中，内含针

对i386硬件结构专有的信息，如寄存器的值。

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