2. Linux内核启动第一阶段：从BIOS/UEFI到start_kernel

设备驱动加载前的内存管理基础，始于系统上电后内核正式接管硬件之前。第一阶段的核心任务是从固件（BIOS/UEFI）手中接过控制权，完成早期页表建立、内存区域探测和临时内存分配器的初始化，最终跳转到C语言入口 start_kernel。这一阶段的内存布局直接决定了后续DMA缓冲区的可用物理地址范围和连续性。

2.1 固件交接：实模式与保护模式切换

CPU上电后默认运行在实模式（16位），地址空间仅1MB，且无内存保护。BIOS/UEFI完成硬件自检（POST）后，将启动介质第一个扇区（MBR/GPT引导代码）加载到物理地址 0x7C00，并跳转执行。

切换保护模式的核心步骤：

1. 加载GDT（全局描述符表）：在内存中构建包含代码段、数据段描述符的GDT，并执行 lgdt 指令。
2. 设置CR0保护模式位：将CR0寄存器的PE位（bit 0）置1。
3. 远跳转刷新流水线：通过 ljmp 指令跳转到32位代码段，CPU进入保护模式。
4. 初始化段寄存器：将DS、ES、FS、GS、SS加载为平坦模型数据段选择子。

2.2 内核解压缩与早期页表建立

保护模式下的引导代码（arch/x86/boot/compressed/head_64.S）负责将内核镜像解压缩到物理内存高位区域。解压缩完成后，立即建立恒等映射（identity mapping）和内核虚拟地址映射的早期页表。

2.3 内存探测：E820与UEFI内存映射

在进入 start_kernel 之前，引导代码必须收集完整的物理内存布局。x86平台通过E820（BIOS中断0x15）或UEFI GetMemoryMap获取内存区域类型。

// arch/x86/boot/memory.c 简化逻辑
struct boot_e820_entry {
    unsigned long long addr;   // 起始物理地址
    unsigned long long size;   // 长度
    unsigned int type;         // 1=可用, 2=保留, 3=ACPI, 4=休眠, 5=损坏
};

int detect_memory_e820(void) {
    int count = 0;
    do {
        e820_entry[count].addr = ...;   // 通过int 0x15, eax=0xE820获取
        e820_entry[count].size = ...;
        e820_entry[count].type = ...;
        count++;
    } while (count < E820_MAX_ENTRIES && !done);
    return count;
}

E820返回的内存区域类型直接影响DMA可用性：

• 类型1（可用）：普通DMA缓冲区首选区域，通常位于16MB以下（ISA DMA限制）或4GB以下（32位DMA）。
• 类型2（保留）：包含ACPI表、IOAPIC、本地APIC等，DMA不可用。
• 类型3（ACPI回收）：内核启动后可回收，但DMA需谨慎。
• 类型5（损坏）：硬件标记的坏内存区域，DMA必须避开。

2.4 引导内存分配器：bootmem与memblock

在 start_kernel 早期，伙伴系统尚未就绪，内核使用引导内存分配器管理物理内存。早期内核使用 bootmem（位图分配器），现代内核已全面迁移到 memblock。

2.5 进入start_kernel：内存管理接力

当引导代码完成页表建立、内存探测和 memblock 初始化后，通过 jmp *%rax 跳转到 start_kernel（位于 init/main.c）。此时系统状态：

• CPU模式：长模式（x86_64）或保护模式（x86_32），分页启用。
• 页表：恒等映射 + 内核虚拟映射，覆盖全部物理内存。
• 内存分配器：memblock 已就绪，可分配/预留物理页。
• 内存布局：E820/UEFI映射已存储到 boot_params.e820_table。
• DMA预备：swiotlb 所需物理地址范围已计算，但尚未分配。

// init/main.c 简化入口
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
    char *command_line;
    // ... 早期CPU初始化 ...
    setup_arch(&command_line);   // 架构相关初始化，包括memblock完善
    mm_init();                   // 伙伴系统初始化，接管memblock
    // ... 中断、定时器、调度器 ...
    rest_init();                 // 创建kernel_init线程
}

setup_arch() 是DMA初始化前最重要的函数，它完成：

1. 解析 mem、crashkernel、swiotlb 等内核参数。
2. 调用 memblock_reserve() 保护固件、ACPI、IOMMU等区域。
3. 初始化 dma_ops 指针（指向 dma_direct_ops 或 dma_swiotlb_ops）。
4. 设置 zone_dma 和 zone_dma32 的物理边界。

2.6 第一阶段对DMA初始化的影响

从BIOS/UEFI到 start_kernel 的启动过程，为后续DMA初始化奠定了三个关键基础：