x86 Linux 內核啟動：分頁機制啟用全過程解析

Linux 內核啟動早期運行在實模式，隨後切換到保護模式並啟用分頁機制。本文基於 arch/i386/kernel/head.S 中的 startup_32 入口點，詳細解析頁表初始化、頁目錄構建、CR0/CR3 寄存器設置及從物理地址跳轉到虛擬地址的關鍵過程。

1. 頁表初步初始化（pg0、pg1）

內核在 0x102000（pg0）和 0x103000（pg1）構建兩個頁表，映射物理內存前 8MB（2048 頁）：

movl $pg0-__PAGE_OFFSET, %edi   // pg0 物理地址
movl $0x007, %eax               // PRESENT | RW | USER
2: stosl
addl $0x1000, %eax              // 下一個物理頁
cmpl $empty_zero_page-__PAGE_OFFSET, %edi
jne 2b

• 每個頁表項屬性為 0x007（用戶態、可寫、存在）
• 映射物理頁框 0、1、2... 對應虛擬地址 0、4KB、8MB...
• 緊接著是 empty_zero_page（零頁），存放啟動參數

2. 頁目錄構建：swapper_pg_dir

.org 0x1000
ENTRY(swapper_pg_dir)
.long 0x00102007   // 第 0 項 → pg0
.long 0x00103007   // 第 1 項 → pg1
.fill 766, 4, 0    // 第 2-767 項：用戶空間 3GB，暫不映射
.long 0x00102007   // 第 768 項 → pg0（內核空間映射）
.long 0x00103007   // 第 769 項 → pg1
.fill 254, 4, 0    // 第 770-1023 項：內核空間剩餘 1GB

映射佈局：

• 用戶空間（0-3GB）：僅前兩項映射 8MB
• 內核空間（3-4GB）：第 768、769 項同樣映射前 8MB
• 實現「同一物理內存雙重映射」：用戶空間低 8MB = 內核空間低 8MB

3. 啟用分頁機制

movl $swapper_pg_dir-__PAGE_OFFSET, %eax
movl %eax, %cr3              // 載入頁目錄物理地址
movl %cr0, %eax
orl $0x80000000, %eax        // 設置 PG 位（第 31 位）
movl %eax, %cr0              // 啟用分頁
jmp 1f                       // 刷新預取隊列
1: movl $1f, %eax
jmp *%eax                    // 絕對跳轉到虛擬地址

關鍵點解析

1. CR3 載入頁目錄物理地址：此時分頁未啟用，地址仍為物理地址
2. CR0 PG 位置 1：瞬間開啟分頁機制
3. 雙重跳轉技巧：
   • 第一個 jmp 1f 是短跳轉，僅刷新流水線，EIP 仍是物理地址
   • 第二個 movl $1f, %eax; jmp *%eax 將虛擬地址載入 EIP，完成進入內核虛擬空間
4. 為什麼映射用戶空間低 8MB？：啟用分頁瞬間 CPU 仍在低物理地址執行，若無用戶空間映射，取指將觸發頁錯誤導致崩潰

總結

Linux 通過精心設計的臨時頁表（swapper_pg_dir），實現了從實模式物理地址執行到保護模式虛擬地址執行的平滑過渡。這 8MB 的身份映射是啟動早期內核安全運行的基石，後續 start_kernel 會根據實際內存大小重建完整頁表。