x86: boot protocol updates
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / i386 / boot.txt
index d01b7a2a0f2eea6bdfa219fb88490fcbb6b80a0e..2eb16100bb3fef7658799f5f7f4d259be644b537 100644 (file)
@@ -2,7 +2,7 @@
                     ----------------------------
 
                    H. Peter Anvin <hpa@zytor.com>
-                       Last update 2007-05-07
+                       Last update 2007-05-23
 
 On the i386 platform, the Linux kernel uses a rather complicated boot
 convention.  This has evolved partially due to historical aspects, as
@@ -52,7 +52,8 @@ zImage kernels, typically looks like:
 0A0000 +------------------------+
        |  Reserved for BIOS     |      Do not use.  Reserved for BIOS EBDA.
 09A000 +------------------------+
-       |  Stack/heap/cmdline    |      For use by the kernel real-mode code.
+       |  Command line          |
+       |  Stack/heap            |      For use by the kernel real-mode code.
 098000 +------------------------+      
        |  Kernel setup          |      The kernel real-mode code.
 090200 +------------------------+
@@ -73,10 +74,9 @@ zImage kernels, typically looks like:
 When using bzImage, the protected-mode kernel was relocated to
 0x100000 ("high memory"), and the kernel real-mode block (boot sector,
 setup, and stack/heap) was made relocatable to any address between
-0x10000 and end of low memory. Unfortunately, in protocols 2.00 and
-2.01 the command line is still required to live in the 0x9XXXX memory
-range, and that memory range is still overwritten by the early kernel.
-The 2.02 protocol resolves that problem.
+0x10000 and end of low memory. Unfortunately, in protocols 2.00 and
+2.01 the 0x90000+ memory range is still used internally by the kernel;
+the 2.02 protocol resolves that problem.
 
 It is desirable to keep the "memory ceiling" -- the highest point in
 low memory touched by the boot loader -- as low as possible, since
@@ -93,6 +93,35 @@ zImage or old bzImage kernels, which need data written into the
 0x90000 segment, the boot loader should make sure not to use memory
 above the 0x9A000 point; too many BIOSes will break above that point.
 
+For a modern bzImage kernel with boot protocol version >= 2.02, a
+memory layout like the following is suggested:
+
+       ~                        ~
+        |  Protected-mode kernel |
+100000  +------------------------+
+       |  I/O memory hole       |
+0A0000 +------------------------+
+       |  Reserved for BIOS     |      Leave as much as possible unused
+       ~                        ~
+       |  Command line          |      (Can also be below the X+10000 mark)
+X+10000        +------------------------+
+       |  Stack/heap            |      For use by the kernel real-mode code.
+X+08000        +------------------------+      
+       |  Kernel setup          |      The kernel real-mode code.
+       |  Kernel boot sector    |      The kernel legacy boot sector.
+X       +------------------------+
+       |  Boot loader           |      <- Boot sector entry point 0000:7C00
+001000 +------------------------+
+       |  Reserved for MBR/BIOS |
+000800 +------------------------+
+       |  Typically used by MBR |
+000600 +------------------------+ 
+       |  BIOS use only         |
+000000 +------------------------+
+
+... where the address X is as low as the design of the boot loader
+permits.
+
 
 **** THE REAL-MODE KERNEL HEADER
 
@@ -139,6 +168,10 @@ Offset     Proto   Name            Meaning
 0234/1 2.05+   relocatable_kernel Whether kernel is relocatable or not
 0235/3 N/A     pad2            Unused
 0238/4 2.06+   cmdline_size    Maximum size of the kernel command line
+023C/4 2.07+   hardware_subarch Hardware subarchitecture
+0240/8 2.07+   hardware_subarch_data Subarchitecture-specific data
+0248/4 2.08+   payload_offset  Offset of kernel payload
+024C/4 2.08+   payload_length  Length of kernel payload
 
 (1) For backwards compatibility, if the setup_sects field contains 0, the
     real value is 4.
@@ -160,29 +193,147 @@ e.g. protocol version 2.01 will contain 0x0201 in this field.  When
 setting fields in the header, you must make sure only to set fields
 supported by the protocol version in use.
 
-The "kernel_version" field, if set to a nonzero value, contains a
-pointer to a null-terminated human-readable kernel version number
-string, less 0x200.  This can be used to display the kernel version to
-the user.  This value should be less than (0x200*setup_sects).  For
-example, if this value is set to 0x1c00, the kernel version number
-string can be found at offset 0x1e00 in the kernel file.  This is a
-valid value if and only if the "setup_sects" field contains the value
-14 or higher.
-
-Most boot loaders will simply load the kernel at its target address
-directly.  Such boot loaders do not need to worry about filling in
-most of the fields in the header.  The following fields should be
-filled out, however:
-
-  vid_mode:
-       Please see the section on SPECIAL COMMAND LINE OPTIONS.
-
-  type_of_loader:
-       If your boot loader has an assigned id (see table below), enter
-       0xTV here, where T is an identifier for the boot loader and V is
-       a version number.  Otherwise, enter 0xFF here.
-
-       Assigned boot loader ids:
+
+**** DETAILS OF HEADER FIELDS
+
+For each field, some are information from the kernel to the bootloader
+("read"), some are expected to be filled out by the bootloader
+("write"), and some are expected to be read and modified by the
+bootloader ("modify").
+
+All general purpose boot loaders should write the fields marked
+(obligatory).  Boot loaders who want to load the kernel at a
+nonstandard address should fill in the fields marked (reloc); other
+boot loaders can ignore those fields.
+
+The byte order of all fields is littleendian (this is x86, after all.)
+
+Field name:    setup_sects
+Type:          read
+Offset/size:   0x1f1/1
+Protocol:      ALL
+
+  The size of the setup code in 512-byte sectors.  If this field is
+  0, the real value is 4.  The real-mode code consists of the boot
+  sector (always one 512-byte sector) plus the setup code.
+
+Field name:     root_flags
+Type:           modify (optional)
+Offset/size:    0x1f2/2
+Protocol:       ALL
+
+  If this field is nonzero, the root defaults to readonly.  The use of
+  this field is deprecated; use the "ro" or "rw" options on the
+  command line instead.
+
+Field name:    syssize
+Type:          read
+Offset/size:   0x1f4/4 (protocol 2.04+) 0x1f4/2 (protocol ALL)
+Protocol:      2.04+
+
+  The size of the protected-mode code in units of 16-byte paragraphs.
+  For protocol versions older than 2.04 this field is only two bytes
+  wide, and therefore cannot be trusted for the size of a kernel if
+  the LOAD_HIGH flag is set.
+
+Field name:    ram_size
+Type:          kernel internal
+Offset/size:   0x1f8/2
+Protocol:      ALL
+
+  This field is obsolete.
+
+Field name:    vid_mode
+Type:          modify (obligatory)
+Offset/size:   0x1fa/2
+
+  Please see the section on SPECIAL COMMAND LINE OPTIONS.
+
+Field name:    root_dev
+Type:          modify (optional)
+Offset/size:   0x1fc/2
+Protocol:      ALL
+
+  The default root device device number.  The use of this field is
+  deprecated, use the "root=" option on the command line instead.
+
+Field name:    boot_flag
+Type:          read
+Offset/size:   0x1fe/2
+Protocol:      ALL
+
+  Contains 0xAA55.  This is the closest thing old Linux kernels have
+  to a magic number.
+
+Field name:    jump
+Type:          read
+Offset/size:   0x200/2
+Protocol:      2.00+
+
+  Contains an x86 jump instruction, 0xEB followed by a signed offset
+  relative to byte 0x202.  This can be used to determine the size of
+  the header.
+
+Field name:    header
+Type:          read
+Offset/size:   0x202/4
+Protocol:      2.00+
+
+  Contains the magic number "HdrS" (0x53726448).
+
+Field name:    version
+Type:          read
+Offset/size:   0x206/2
+Protocol:      2.00+
+
+  Contains the boot protocol version, in (major << 8)+minor format,
+  e.g. 0x0204 for version 2.04, and 0x0a11 for a hypothetical version
+  10.17.
+
+Field name:    readmode_swtch
+Type:          modify (optional)
+Offset/size:   0x208/4
+Protocol:      2.00+
+
+  Boot loader hook (see ADVANCED BOOT LOADER HOOKS below.)
+
+Field name:    start_sys
+Type:          read
+Offset/size:   0x20c/4
+Protocol:      2.00+
+
+  The load low segment (0x1000).  Obsolete.
+
+Field name:    kernel_version
+Type:          read
+Offset/size:   0x20e/2
+Protocol:      2.00+
+
+  If set to a nonzero value, contains a pointer to a NUL-terminated
+  human-readable kernel version number string, less 0x200.  This can
+  be used to display the kernel version to the user.  This value
+  should be less than (0x200*setup_sects).
+
+  For example, if this value is set to 0x1c00, the kernel version
+  number string can be found at offset 0x1e00 in the kernel file.
+  This is a valid value if and only if the "setup_sects" field
+  contains the value 15 or higher, as:
+
+       0x1c00  < 15*0x200 (= 0x1e00) but
+       0x1c00 >= 14*0x200 (= 0x1c00)
+
+       0x1c00 >> 9 = 14, so the minimum value for setup_secs is 15.
+
+Field name:    type_of_loader
+Type:          write (obligatory)
+Offset/size:   0x210/1
+Protocol:      2.00+
+
+  If your boot loader has an assigned id (see table below), enter
+  0xTV here, where T is an identifier for the boot loader and V is
+  a version number.  Otherwise, enter 0xFF here.
+
+  Assigned boot loader ids:
        0  LILO                 (0x00 reserved for pre-2.00 bootloader)
        1  Loadlin
        2  bootsect-loader      (0x20, all other values reserved)
@@ -193,61 +344,202 @@ filled out, however:
        8  U-BOOT
        9  Xen
        A  Gujin
+       B  Qemu
 
-       Please contact <hpa@zytor.com> if you need a bootloader ID
-       value assigned.
-
-  loadflags, heap_end_ptr:
-       If the protocol version is 2.01 or higher, enter the
-       offset limit of the setup heap into heap_end_ptr and set the
-       0x80 bit (CAN_USE_HEAP) of loadflags.  heap_end_ptr appears to
-       be relative to the start of setup (offset 0x0200).
-
-  setup_move_size: 
-       When using protocol 2.00 or 2.01, if the real mode
-       kernel is not loaded at 0x90000, it gets moved there later in
-       the loading sequence.  Fill in this field if you want
-       additional data (such as the kernel command line) moved in
-       addition to the real-mode kernel itself.
-
-       The unit is bytes starting with the beginning of the boot
-       sector.
-
-  ramdisk_image, ramdisk_size:
-       If your boot loader has loaded an initial ramdisk (initrd),
-       set ramdisk_image to the 32-bit pointer to the ramdisk data
-       and the ramdisk_size to the size of the ramdisk data.
-
-       The initrd should typically be located as high in memory as
-       possible, as it may otherwise get overwritten by the early
-       kernel initialization sequence.  However, it must never be
-       located above the address specified in the initrd_addr_max
-       field.  The initrd should be at least 4K page aligned.
-
-  cmd_line_ptr:
-       If the protocol version is 2.02 or higher, this is a 32-bit
-       pointer to the kernel command line.  The kernel command line
-       can be located anywhere between the end of setup and 0xA0000.
-       Fill in this field even if your boot loader does not support a
-       command line, in which case you can point this to an empty
-       string (or better yet, to the string "auto".)  If this field
-       is left at zero, the kernel will assume that your boot loader
-       does not support the 2.02+ protocol.
-
-  ramdisk_max:
-       The maximum address that may be occupied by the initrd
-       contents.  For boot protocols 2.02 or earlier, this field is
-       not present, and the maximum address is 0x37FFFFFF.  (This
-       address is defined as the address of the highest safe byte, so
-       if your ramdisk is exactly 131072 bytes long and this field is
-       0x37FFFFFF, you can start your ramdisk at 0x37FE0000.)
-
-  cmdline_size:
-       The maximum size of the command line without the terminating
-       zero. This means that the command line can contain at most
-       cmdline_size characters. With protocol version 2.05 and
-       earlier, the maximum size was 255.
-
+  Please contact <hpa@zytor.com> if you need a bootloader ID
+  value assigned.
+
+Field name:    loadflags
+Type:          modify (obligatory)
+Offset/size:   0x211/1
+Protocol:      2.00+
+
+  This field is a bitmask.
+
+  Bit 0 (read):        LOADED_HIGH
+       - If 0, the protected-mode code is loaded at 0x10000.
+       - If 1, the protected-mode code is loaded at 0x100000.
+
+  Bit 6 (write): KEEP_SEGMENTS
+       Protocol: 2.07+
+       - if 0, reload the segment registers in the 32bit entry point.
+       - if 1, do not reload the segment registers in the 32bit entry point.
+               Assume that %cs %ds %ss %es are all set to flat segments with
+               a base of 0 (or the equivalent for their environment).
+
+  Bit 7 (write): CAN_USE_HEAP
+       Set this bit to 1 to indicate that the value entered in the
+       heap_end_ptr is valid.  If this field is clear, some setup code
+       functionality will be disabled.
+
+Field name:    setup_move_size
+Type:          modify (obligatory)
+Offset/size:   0x212/2
+Protocol:      2.00-2.01
+
+  When using protocol 2.00 or 2.01, if the real mode kernel is not
+  loaded at 0x90000, it gets moved there later in the loading
+  sequence.  Fill in this field if you want additional data (such as
+  the kernel command line) moved in addition to the real-mode kernel
+  itself.
+
+  The unit is bytes starting with the beginning of the boot sector.
+  
+  This field is can be ignored when the protocol is 2.02 or higher, or
+  if the real-mode code is loaded at 0x90000.
+
+Field name:    code32_start
+Type:          modify (optional, reloc)
+Offset/size:   0x214/4
+Protocol:      2.00+
+
+  The address to jump to in protected mode.  This defaults to the load
+  address of the kernel, and can be used by the boot loader to
+  determine the proper load address.
+
+  This field can be modified for two purposes:
+
+  1. as a boot loader hook (see ADVANCED BOOT LOADER HOOKS below.)
+
+  2. if a bootloader which does not install a hook loads a
+     relocatable kernel at a nonstandard address it will have to modify
+     this field to point to the load address.
+
+Field name:    ramdisk_image
+Type:          write (obligatory)
+Offset/size:   0x218/4
+Protocol:      2.00+
+
+  The 32-bit linear address of the initial ramdisk or ramfs.  Leave at
+  zero if there is no initial ramdisk/ramfs.
+
+Field name:    ramdisk_size
+Type:          write (obligatory)
+Offset/size:   0x21c/4
+Protocol:      2.00+
+
+  Size of the initial ramdisk or ramfs.  Leave at zero if there is no
+  initial ramdisk/ramfs.
+
+Field name:    bootsect_kludge
+Type:          kernel internal
+Offset/size:   0x220/4
+Protocol:      2.00+
+
+  This field is obsolete.
+
+Field name:    heap_end_ptr
+Type:          write (obligatory)
+Offset/size:   0x224/2
+Protocol:      2.01+
+
+  Set this field to the offset (from the beginning of the real-mode
+  code) of the end of the setup stack/heap, minus 0x0200.
+
+Field name:    cmd_line_ptr
+Type:          write (obligatory)
+Offset/size:   0x228/4
+Protocol:      2.02+
+
+  Set this field to the linear address of the kernel command line.
+  The kernel command line can be located anywhere between the end of
+  the setup heap and 0xA0000; it does not have to be located in the
+  same 64K segment as the real-mode code itself.
+
+  Fill in this field even if your boot loader does not support a
+  command line, in which case you can point this to an empty string
+  (or better yet, to the string "auto".)  If this field is left at
+  zero, the kernel will assume that your boot loader does not support
+  the 2.02+ protocol.
+
+Field name:    initrd_addr_max
+Type:          read
+Offset/size:   0x22c/4
+Protocol:      2.03+
+
+  The maximum address that may be occupied by the initial
+  ramdisk/ramfs contents.  For boot protocols 2.02 or earlier, this
+  field is not present, and the maximum address is 0x37FFFFFF.  (This
+  address is defined as the address of the highest safe byte, so if
+  your ramdisk is exactly 131072 bytes long and this field is
+  0x37FFFFFF, you can start your ramdisk at 0x37FE0000.)
+
+Field name:    kernel_alignment
+Type:          read (reloc)
+Offset/size:   0x230/4
+Protocol:      2.05+
+
+  Alignment unit required by the kernel (if relocatable_kernel is true.)
+
+Field name:    relocatable_kernel
+Type:          read (reloc)
+Offset/size:   0x234/1
+Protocol:      2.05+
+
+  If this field is nonzero, the protected-mode part of the kernel can
+  be loaded at any address that satisfies the kernel_alignment field.
+  After loading, the boot loader must set the code32_start field to
+  point to the loaded code, or to a boot loader hook.
+
+Field name:    cmdline_size
+Type:          read
+Offset/size:   0x238/4
+Protocol:      2.06+
+
+  The maximum size of the command line without the terminating
+  zero. This means that the command line can contain at most
+  cmdline_size characters. With protocol version 2.05 and earlier, the
+  maximum size was 255.
+
+Field name:    hardware_subarch
+Type:          write
+Offset/size:   0x23c/4
+Protocol:      2.07+
+
+  In a paravirtualized environment the hardware low level architectural
+  pieces such as interrupt handling, page table handling, and
+  accessing process control registers needs to be done differently.
+
+  This field allows the bootloader to inform the kernel we are in one
+  one of those environments.
+
+  0x00000000   The default x86/PC environment
+  0x00000001   lguest
+  0x00000002   Xen
+
+Field name:    hardware_subarch_data
+Type:          write
+Offset/size:   0x240/8
+Protocol:      2.07+
+
+  A pointer to data that is specific to hardware subarch
+
+Field name:    payload_offset
+Type:          read
+Offset/size:   0x248/4
+Protocol:      2.08+
+
+  If non-zero then this field contains the offset from the end of the
+  real-mode code to the payload.
+
+  The payload may be compressed. The format of both the compressed and
+  uncompressed data should be determined using the standard magic
+  numbers. Currently only gzip compressed ELF is used.
+  
+Field name:    payload_length
+Type:          read
+Offset/size:   0x24c/4
+Protocol:      2.08+
+
+  The length of the payload.
+
+**** THE IMAGE CHECKSUM
+
+From boot protocol version 2.08 onwards the CRC-32 is calculated over
+the entire file using the characteristic polynomial 0x04C11DB7 and an
+initial remainder of 0xffffffff.  The checksum is appended to the
+file; therefore the CRC of the file up to the limit specified in the
+syssize field of the header is always 0.
 
 **** THE KERNEL COMMAND LINE
 
@@ -494,7 +786,7 @@ switched off, especially if the loaded kernel has the floppy driver as
 a demand-loaded module!
 
 
-**** ADVANCED BOOT TIME HOOKS
+**** ADVANCED BOOT LOADER HOOKS
 
 If the boot loader runs in a particularly hostile environment (such as
 LOADLIN, which runs under DOS) it may be impossible to follow the
@@ -519,4 +811,43 @@ IMPORTANT: All the hooks are required to preserve %esp, %ebp, %esi and
        set them up to BOOT_DS (0x18) yourself.
 
        After completing your hook, you should jump to the address
-       that was in this field before your boot loader overwrote it.
+       that was in this field before your boot loader overwrote it
+       (relocated, if appropriate.)
+
+
+**** 32-bit BOOT PROTOCOL
+
+For machine with some new BIOS other than legacy BIOS, such as EFI,
+LinuxBIOS, etc, and kexec, the 16-bit real mode setup code in kernel
+based on legacy BIOS can not be used, so a 32-bit boot protocol needs
+to be defined.
+
+In 32-bit boot protocol, the first step in loading a Linux kernel
+should be to setup the boot parameters (struct boot_params,
+traditionally known as "zero page"). The memory for struct boot_params
+should be allocated and initialized to all zero. Then the setup header
+from offset 0x01f1 of kernel image on should be loaded into struct
+boot_params and examined. The end of setup header can be calculated as
+follow:
+
+       0x0202 + byte value at offset 0x0201
+
+In addition to read/modify/write the setup header of the struct
+boot_params as that of 16-bit boot protocol, the boot loader should
+also fill the additional fields of the struct boot_params as that
+described in zero-page.txt.
+
+After setupping the struct boot_params, the boot loader can load the
+32/64-bit kernel in the same way as that of 16-bit boot protocol.
+
+In 32-bit boot protocol, the kernel is started by jumping to the
+32-bit kernel entry point, which is the start address of loaded
+32/64-bit kernel.
+
+At entry, the CPU must be in 32-bit protected mode with paging
+disabled; a GDT must be loaded with the descriptors for selectors
+__BOOT_CS(0x10) and __BOOT_DS(0x18); both descriptors must be 4G flat
+segment; __BOOS_CS must have execute/read permission, and __BOOT_DS
+must have read/write permission; CS must be __BOOT_CS and DS, ES, SS
+must be __BOOT_DS; interrupt must be disabled; %esi must hold the base
+address of the struct boot_params; %ebp, %edi and %ebx must be zero.