AP boot trampoline:把第二个核从实模式拉到长模式

x86 多核启动的规矩是:第二个核(AP,Application Processor)上电后停在 halt,等第一个核(BSP)给它发 SIPI;SIPI 里带一个向量,AP 就从「向量 × 4KB」那个物理地址开始执行,而且是从 16 位实模式开始。所以这个入口地址上,必须放着一段能把 AP 从实模式一路带到长模式的代码——这就是 trampoline(跳板)。

这段跳板在 ap_trampoline.S,BSP 把它拷到物理 0x8000,然后发 SIPI 向量 0x08(0x08 << 12 = 0x8000)。AP 醒来后经历三个阶段,每个阶段往 debugcon(端口 0xE9,落到 build/debug.log)打一个标记(1/2/3),triple fault 时就能看出走到哪步:

16 位实模式:清段寄存器、开 A20(端口 0x92,保险)、加载一个临时 GDT、置 CR0.PE,然后 ljmp 到 32 位。
32 位保护模式:置 CR4.PAE、把 BSP 准备的临时 PML4 物理地址写进 CR3、置 EFER.LME、重载 GDT(这次带上 64 位代码段)、置 CR0.PG,ljmp 到 64 位。
64 位长模式:把 BSP 塞进来的四个参数(AP 栈、内核 PML4、cpu_id、入口地址)读进寄存器,然后 jmp 到内核镜像里的 ap_entry_long。

跳板有个汇编技巧值得专门讲:它被链接在更高半的内核镜像里,却在物理 0x8000 执行。所以一个标号运行时的物理地址是 (标号 - ap_trampoline_start + 0x8000)。GAS 会把「标号减 start」这部分(两个符号都在同一个 section 里)折叠成一个常量,于是每个这样的表达式都是一个绝对立即数——不用运行时修址、不用改 linker script。访存时把这个常量装进寄存器,再用寄存器间接寻址(lgdt/mov 没法直接吃这个立即数)。

为什么要先在 0x8000 跑一段、再跳到 ap_entry_long?因为 CR3 切换有讲究。临时页表既 identity-map 了低内存(让 0x8000 这段跳板能跑),又镜像了更高半内核镜像(让 ap_entry_long 也能跑)。但 AP 一旦切到真正的内核 PML4,0x8000 就不再映射了。所以切 CR3 这一步必须在「两边都映射」的 ap_entry_long 里做,不能在 0x8000 里做:

asm

ap_entry_long:
    movq    %r12, %cr3     # 切到真正的内核页表
    movq    %rbx, %rsp     # 设好 AP 的内核栈
    call    ap_main        # 不返回

BSP 侧:怎么把 AP 喊起来

BSP 的活儿在 boot_aps()(ap_main.cpp)。它先准备两份页表和一份跳板,再逐个把 AP 喊起来。

临时页表(build_ap_temp_page_tables):分配三个页(PML4/PDPT/PD),identity-map 物理 0..64 MB(2 MB 大页),再在更高半(P4[511]/PPT[510])镜像同一份 PD——让 AP 在 0x8000 跑跳板时、以及跳到更高半 ap_entry_long 时,地址都通。这份临时页表用完就扔,AP 切到内核 PML4 后再也不碰它。

塞参数:copy_trampoline_to_lowmem 把跳板拷到 0x8000,inject_param 往跳板的数据区里写四个值——AP 栈顶、临时 CR3、内核 CR3、ap_entry_long 地址、cpu_id。BSP 知道每个 AP 该用第几号 per-CPU 块(percpu_blocks[cpu]),就把这个索引塞进去。

INIT-SIPI-SIPI:send_init → 忙等 → send_sipi(vec=0x08) → 忙等。第二条 SIPI 是兜底:只有当第一条没把 AP 带起来(看 g_aps_online 计数没涨)才补发,免得 AP 已经 online 并 halt 之后,再来一条 SIPI 让它把跳板重跑一遍、炸掉。然后 BSP 在一个有上限的循环里 pause 自旋,等这个 AP 原子地给自己 ++g_aps_online 报到。

AP 侧:ap_main 怎么接入内核

AP 进了长模式、切好 CR3 和栈,就 call ap_main(cpu_id)。这是 AP 的 C 入口,干七件事(ap_main.cpp):

锚定 GS:write_msr(GS_BASE, &percpu_blocks[cpu_id])、write_msr(KERNEL_GS_BASE, 0)。从此这个核的 percpu() 读 MSR_GS_BASE 拿到自己的块。这一步的顺序是后面迁移 GP 的关键,先记着。
装本核 GDT + 共享 IDT:gdt_blocks[cpu_id].init()(每核独立 TSS/IST)、g_idt.load()(IDT 全局共享)。
开 LAPIC:读自己的 apic_id 存进 per-CPU 块,enable(0xFF)(伪中断向量跟 BSP 一致)。LAPIC 的 MMIO 窗口是「谁访问就解码到谁的本地 APIC」,所以同一份 g_lapic 驱动能驱动每个核自己的 LAPIC。
向 BSP 报到:__atomic_add_fetch(&g_aps_online, 1, SEQ_CST)。BSP 那边正在自旋等这个计数。
等调度器就绪:cli;pause 自旋等 Scheduler::is_initialized()。注意是 cli;pause 不是 sti;hlt——因为 boot_aps 跑在 Scheduler::init 之前,init 不发 IPI,hlt 会一直睡死。init 几微秒就好,所以这个自旋极短。
建本核 idle:setup_ap_idle(cpu_id) 给这个 AP 造一个专属 idle 任务(入口 ap_idle_entry),current() 设成它。必须先有个合法的 current,第一次 context_switch 才不会被 schedule() 里「current()==nullptr 直接返回」的早出口挡掉。
切过去:context_switch(&dummy, &ap_idle->ctx),跳到 ap_idle_entry 自己的栈上,AP 再也不回 ap_main。

AP boot trampoline:把第二个核从实模式拉到长模式 ​