Pintos Kernel 启动详解（二）：内存大小检测
Pintos 内核如何使用 BIOS 中断 15h 功能 88h 来检测系统物理内存大小，以及为什么要限制在 64MB。
Pintos Kernel 启动详解（二）：内存大小检测
概述
在设置好段寄存器后，内核需要知道系统有多少物理内存。这个信息对后续的内存管理至关重要：
- 决定可以创建多少页表
- 决定可以分配多少物理页面
- 决定内存池的大小
由于此时仍在实模式下运行，我们可以使用 BIOS 提供的服务来获取内存信息。
原始代码
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#### Get memory size, via interrupt 15h function 88h (see [IntrList]),
#### which returns AX = (kB of physical memory) - 1024. This only
#### works for memory sizes <= 65 MB, which should be fine for our
#### purposes. We cap memory at 64 MB because that's all we prepare
#### page tables for, below.
movb $0x88, %ah
int $0x15
addl $1024, %eax # Total kB memory
cmp $0x10000, %eax # Cap at 64 MB
jbe 1f
mov $0x10000, %eax
1: shrl $2, %eax # Total 4 kB pages
addr32 movl %eax, init_ram_pages - LOADER_PHYS_BASE - 0x20000
前置知识
BIOS 中断服务
BIOS（Basic Input/Output System）提供了许多通过软件中断调用的服务：
| 中断号 | 功能类别 |
|---|---|
| INT 10h | 视频服务 |
| INT 13h | 磁盘服务 |
| INT 15h | 系统服务（包括内存检测） |
| INT 16h | 键盘服务 |
INT 15h, AH=88h：扩展内存大小
这是一个古老但简单的内存检测方法：
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输入：
AH = 88h
输出：
AX = 扩展内存大小（以 KB 为单位）
这是 1MB 以上的内存量
CF = 0 表示成功
CF = 1 表示错误
“扩展内存” 是什么？
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PC 内存布局的历史包袱：
0x00000 - 0x9FFFF 常规内存 (640 KB) ← "基本内存"
0xA0000 - 0xFFFFF 系统保留 (384 KB) ← VGA、ROM 等
─────────────────────────────────────────
0x100000 以上 扩展内存 ← INT 15h/88h 返回这部分
早期 PC 只有 1MB 内存，其中只有 640KB 可用（著名的 640KB 限制）。
后来的扩展内存需要特殊方式访问。
为什么这个方法只支持 65MB？
INT 15h/88h 返回的是 16 位值（AX 寄存器）：
- 最大返回值：0xFFFF = 65535
- 单位是 KB
- 65535 KB ≈ 64 MB（扩展内存）
- 加上 1MB 基本内存 ≈ 65 MB 总内存
对于更大的内存，需要使用更复杂的检测方法（如 INT 15h/E820h），但 Pintos 选择了简单的方法。
逐行详解
第 1 行：设置功能号
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movb $0x88, %ah
指令分析
| 部分 | 含义 |
|---|---|
| movb | 移动字节（8位） |
| $0x88 | 立即数 0x88（功能号） |
| %ah | AX 寄存器的高 8 位 |
AX 寄存器的结构
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AX (16 位)
┌─────┬─────┐
│ AH │ AL │
│(高8)│(低8)│
└─────┴─────┘
示例：AX = 0x1234
AH = 0x12
AL = 0x34
BIOS 中断通常使用 AH 来指定功能号，AL 或整个 AX 来传递参数或返回值。
第 2 行：调用 BIOS 中断
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int $0x15
软件中断的工作原理
flowchart TD
A["执行 int $0x15"] --> B["CPU 保存当前状态"]
B --> C["查找中断向量表<br/>地址 = 0x15 × 4 = 0x54"]
C --> D["跳转到 BIOS 中断处理程序"]
D --> E["BIOS 检测内存"]
E --> F["设置 AX = 扩展内存 KB"]
F --> G["执行 IRET 返回"]
G --> H["CPU 恢复状态<br/>继续执行下一条指令"]
BIOS 返回后 AX 的含义
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假设系统有 32 MB RAM：
总内存 = 32 MB = 32768 KB
扩展内存 = 总内存 - 1024 KB = 31744 KB
BIOS 返回：AX = 31744 = 0x7C00
第 3 行：加上基本内存
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addl $1024, %eax # Total kB memory
为什么加 1024？
BIOS 只返回 1MB 以上的内存（扩展内存）。要得到总内存，需要加上第一个 1MB：
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总内存 (KB) = 扩展内存 (KB) + 1024 KB
为什么是 1024 而不是 1MB (1048576)?
因为单位已经是 KB，1MB = 1024 KB
为什么使用 addl 而不是 addw？
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addl $1024, %eax # 32 位加法，操作 EAX
addw $1024, %ax # 16 位加法，操作 AX
虽然在实模式下，但我们想要 32 位的结果以支持更大的值。 使用 EAX（32位）可以避免溢出问题。
注意：在 16 位实模式下使用 32 位操作数会自动添加操作数大小前缀（0x66）。
第 4-6 行：限制最大内存为 64MB
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cmp $0x10000, %eax # Cap at 64 MB
jbe 1f
mov $0x10000, %eax
1:
为什么限制在 64MB？
- 页表大小限制：Pintos 只准备了映射 64MB 的页表
- 简化设计：更大的内存需要更复杂的页表管理
- 教学目的：64MB 对教学操作系统来说足够了
代码逻辑详解
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0x10000 (十进制 65536) = 64 MB (以 KB 为单位)
64 MB = 64 × 1024 KB = 65536 KB = 0x10000 KB
代码流程：
if (EAX > 0x10000) { # cmp + jbe
EAX = 0x10000; # mov
}
# 1: 标签
指令详解
| 指令 | 含义 |
|---|---|
cmp $0x10000, %eax | 计算 EAX - 0x10000，设置标志位，不保存结果 |
jbe 1f | Jump if Below or Equal（如果 ≤ 则跳转）1f 表示”向前找标签 1” |
mov $0x10000, %eax | 将 64MB 值存入 EAX |
1: | 本地标签（数字标签可以重复使用） |
GAS 数字标签
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1: # 标签定义
jmp 1f # 向前（forward）跳转到下一个 1:
jmp 1b # 向后（backward）跳转到上一个 1:
第 7 行：转换为页数
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shrl $2, %eax # Total 4 kB pages
为什么右移 2 位？
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EAX 当前值 = 总内存 (KB)
要得到 4KB 页面的数量：
页数 = 总内存 (KB) ÷ 4
÷ 4 等价于右移 2 位：
EAX >> 2 = EAX ÷ 4
示例：
32 MB = 32768 KB
页数 = 32768 ÷ 4 = 8192 页
二进制: 0x8000 >> 2 = 0x2000
十进制: 32768 >> 2 = 8192 ✓
为什么页面大小是 4KB？
4KB (4096 字节) 是 x86 分页的标准页面大小。这个大小是硬件决定的：
- 页表项使用 10 位索引
- 页内偏移使用 12 位
- 2^12 = 4096 = 4KB
第 8 行：存储结果
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addr32 movl %eax, init_ram_pages - LOADER_PHYS_BASE - 0x20000
这是最复杂的一行，让我们拆解它。
目标变量 init_ram_pages
在 start.S 末尾定义了这个变量：
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.globl init_ram_pages
init_ram_pages:
.long 0
这是一个全局变量，后面 C 代码会用它来知道有多少物理内存页。
地址计算的问题
问题在于 init_ram_pages 的地址是链接时的虚拟地址，而我们现在运行在实模式下需要物理地址。
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链接器设置：
init_ram_pages 的虚拟地址 = LOADER_PHYS_BASE + 0x20000 + 偏移
= 0xC0000000 + 0x20000 + 偏移
实际物理位置：
内核加载在 0x20000
所以 init_ram_pages 的物理地址 = 0x20000 + 偏移
要得到相对于内核起始的偏移：
偏移 = 虚拟地址 - LOADER_PHYS_BASE - 0x20000
示意图
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虚拟地址空间（链接时）：
0xC0020000 ┌─────────────────────┐ ← 内核虚拟起始
│ .start 段 │
│ start: │
│ ... │
│ init_ram_pages │ ← 假设这里是 0xC0020XXX
└─────────────────────┘
物理地址空间（实际运行）：
0x00020000 ┌─────────────────────┐ ← 内核物理起始
│ .start 段 │
│ start: │
│ ... │
│ init_ram_pages │ ← 物理地址 0x00020XXX
└─────────────────────┘
转换公式：
物理地址 = 虚拟地址 - LOADER_PHYS_BASE
相对于内核起始的偏移：
偏移 = 虚拟地址 - LOADER_PHYS_BASE - 0x20000
addr32 前缀
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addr32 movl %eax, ...
在 16 位实模式下，默认地址大小是 16 位。addr32 前缀告诉 CPU 使用 32 位地址计算。
这是必要的，因为：
- 目标地址计算可能超过 16 位
- 我们需要访问内核数据区
最终效果
执行后，init_ram_pages 变量被设置为系统的物理页面数。
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// 在 C 代码中可以这样使用：
extern uint32_t init_ram_pages;
printf("System has %u pages of RAM (%u MB)\n",
init_ram_pages,
init_ram_pages * 4 / 1024);
完整流程图
flowchart TD
A["movb $0x88, %ah<br/>设置功能号"] --> B["int $0x15<br/>调用 BIOS"]
B --> C["AX = 扩展内存 KB"]
C --> D["addl $1024, %eax<br/>加上 1MB"]
D --> E{"EAX > 64MB?"}
E -->|是| F["mov $0x10000, %eax<br/>限制为 64MB"]
E -->|否| G["shrl $2, %eax<br/>转换为页数"]
F --> G
G --> H["存储到 init_ram_pages"]
style A fill:#f9f,stroke:#333
style H fill:#9f9,stroke:#333
数值示例
让我们用具体数字走一遍流程：
示例 1：32MB 系统
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初始：系统有 32 MB 物理内存
1. int $0x15 返回：
AX = 32768 - 1024 = 31744 KB
2. addl $1024, %eax：
EAX = 31744 + 1024 = 32768 KB
3. cmp $0x10000, %eax：
32768 < 65536，不跳转
4. 等等...32768 < 65536 应该跳转！
让我重新计算...
32768 KB = 32 MB
65536 KB = 64 MB
32 MB < 64 MB ✓
所以会跳过 mov $0x10000, %eax
5. shrl $2, %eax：
EAX = 32768 >> 2 = 8192 页
结果：init_ram_pages = 8192
示例 2：128MB 系统
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初始：系统有 128 MB 物理内存
1. int $0x15 返回：
但是！INT 15h/88h 最多只能返回 65535...
128 MB - 1 MB = 127 MB = 130048 KB
这超过了 16 位最大值 65535！
BIOS 可能返回 65535（饱和值）
2. addl $1024, %eax：
EAX = 65535 + 1024 = 66559 KB
3. cmp $0x10000, %eax：
66559 > 65536，不跳转
4. mov $0x10000, %eax：
EAX = 65536 KB (64 MB)
5. shrl $2, %eax：
EAX = 65536 >> 2 = 16384 页
结果：init_ram_pages = 16384（被限制在 64MB）
为什么不用更现代的内存检测？
INT 15h/E820h 是更现代的内存检测方法，它可以：
- 检测任意大小的内存
- 报告内存区域的类型（可用、保留、ACPI等）
- 处理内存空洞
但 Pintos 选择 INT 15h/88h 因为：
- 简单：一条中断调用，一个返回值
- 足够：64MB 对教学目的已经足够
- 可靠：这个方法在所有 x86 系统上都支持
- 代码短：引导代码空间宝贵
常见问题
Q1: 如果系统内存小于 1MB 会怎样？
A: 在现代系统中不太可能发生。但如果发生：
- BIOS 可能返回 0 或错误
- 代码会计算出很小的页数
- 系统可能无法正常运行
Q2: 为什么使用 KB 而不是字节作为单位？
A: 历史原因。这个 BIOS 接口是为早期 PC 设计的，当时 KB 是合适的单位。如果用字节，16 位寄存器只能表示 64KB。
Q3: 内存大小信息后面怎么使用？
A: 在 init.c 的 pintos_init() 中：
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printf ("Pintos booting with %'"PRIu32" kB RAM...\n",
init_ram_pages * PGSIZE / 1024);
// 用于初始化物理页面分配器
palloc_init (user_page_limit);
Q4: 为什么要在实模式下获取内存大小？
A: 因为 BIOS 服务只能在实模式下使用。一旦切换到保护模式，就不能再调用 BIOS 了。
其他内存检测方法
供参考，这是更复杂但更强大的 E820 方法：
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# INT 15h/E820h - 获取系统内存映射
# 输入:
# EAX = 0xE820
# EBX = 继续值（第一次调用为 0）
# ECX = 缓冲区大小
# EDX = 签名 'SMAP' (0x534D4150)
# ES:DI = 缓冲区指针
# 输出:
# EAX = 'SMAP'
# EBX = 下一次调用的继续值（0 表示结束）
# ECX = 实际写入字节数
# 缓冲区包含内存区域描述符
这个方法可以完整描述系统的内存布局，包括哪些区域可用、哪些被保留。
练习思考
思考题 1
如果我们不限制内存在 64MB，需要做哪些额外的工作？
点击查看答案
需要做的工作包括： 1. **更多页表**：每 4MB 需要一个页表（1024 × 4KB = 4MB），64MB 以上需要更多页表 2. **更大的页目录**：可能需要多级页表 3. **修改临时页表创建代码**：当前代码只创建映射 64MB 的页表 4. **可能需要更多的栈空间**：页表创建需要更多内存访问 简单地提高上限不够，还需要相应增加后面创建的页表数量。思考题 2
为什么 addl $1024, %eax 而不是 addw $1024, %ax？
点击查看答案
虽然 BIOS 返回的值在 AX 中（16位），但我们想要处理完整的 32 位值： 1. 加上 1024 后可能超过 16 位最大值 65535 2. 后面的比较和右移操作需要 32 位精度 3. 使用 EAX 可以避免溢出和符号扩展问题 例如：如果 BIOS 返回 65535，加上 1024 得到 66559，这超过了 16 位范围。思考题 3
init_ram_pages 的地址计算 init_ram_pages - LOADER_PHYS_BASE - 0x20000 如果计算错误会发生什么？
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后果很严重： 1. 如果写入地址太低（如中断向量表区域）： - 可能覆盖 BIOS 数据 - 后续的 BIOS 调用可能失败 2. 如果写入地址在内核代码区域： - 可能覆盖内核指令 - 导致系统崩溃或不可预测的行为 3. 如果写入地址太高： - 可能写入不存在的内存 - 在某些系统上可能被忽略，在其他系统上可能出错 这就是为什么这行代码需要非常精确的地址计算。下一步
现在我们知道了系统有多少内存，但还有一个问题：历史遗留的 A20 地址线问题限制了我们只能访问 1MB 内存。下一篇文档将介绍如何启用 A20 地址线：A20 地址线启用
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权