Documentation/i386/boot.txt

   1                      THE LINUX/I386 BOOT PROTOCOL
   2                      ----------------------------
   3
   4                     H. Peter Anvin <hpa@zytor.com>
   5                         Last update 2007-05-07
   6
   7 On the i386 platform, the Linux kernel uses a rather complicated boot
   8 convention.  This has evolved partially due to historical aspects, as
   9 well as the desire in the early days to have the kernel itself be a
  10 bootable image, the complicated PC memory model and due to changed
  11 expectations in the PC industry caused by the effective demise of
  12 real-mode DOS as a mainstream operating system.
  13
  14 Currently, the following versions of the Linux/i386 boot protocol exist.
  15
  16 Old kernels:    zImage/Image support only.  Some very early kernels
  17                 may not even support a command line.
  18
  19 Protocol 2.00:  (Kernel 1.3.73) Added bzImage and initrd support, as
  20                 well as a formalized way to communicate between the
  21                 boot loader and the kernel.  setup.S made relocatable,
  22                 although the traditional setup area still assumed
  23                 writable.
  24
  25 Protocol 2.01:  (Kernel 1.3.76) Added a heap overrun warning.
  26
  27 Protocol 2.02:  (Kernel 2.4.0-test3-pre3) New command line protocol.
  28                 Lower the conventional memory ceiling.  No overwrite
  29                 of the traditional setup area, thus making booting
  30                 safe for systems which use the EBDA from SMM or 32-bit
  31                 BIOS entry points.  zImage deprecated but still
  32                 supported.
  33
  34 Protocol 2.03:  (Kernel 2.4.18-pre1) Explicitly makes the highest possible
  35                 initrd address available to the bootloader.
  36
  37 Protocol 2.04:  (Kernel 2.6.14) Extend the syssize field to four bytes.
  38
  39 Protocol 2.05:  (Kernel 2.6.20) Make protected mode kernel relocatable.
  40                 Introduce relocatable_kernel and kernel_alignment fields.
  41
  42 Protocol 2.06:  (Kernel 2.6.22) Added a field that contains the size of
  43                 the boot command line
  44
  45
  46 **** MEMORY LAYOUT
  47
  48 The traditional memory map for the kernel loader, used for Image or
  49 zImage kernels, typically looks like:
  50
  51         |                        |
  52 0A0000  +------------------------+
  53         |  Reserved for BIOS     |      Do not use.  Reserved for BIOS EBDA.
  54 09A000  +------------------------+
  55         |  Stack/heap/cmdline    |      For use by the kernel real-mode code.
  56 098000  +------------------------+
  57         |  Kernel setup          |      The kernel real-mode code.
  58 090200  +------------------------+
  59         |  Kernel boot sector    |      The kernel legacy boot sector.
  60 090000  +------------------------+
  61         |  Protected-mode kernel |      The bulk of the kernel image.
  62 010000  +------------------------+
  63         |  Boot loader           |      <- Boot sector entry point 0000:7C00
  64 001000  +------------------------+
  65         |  Reserved for MBR/BIOS |
  66 000800  +------------------------+
  67         |  Typically used by MBR |
  68 000600  +------------------------+
  69         |  BIOS use only         |
  70 000000  +------------------------+
  71
  72
  73 When using bzImage, the protected-mode kernel was relocated to
  74 0x100000 ("high memory"), and the kernel real-mode block (boot sector,
  75 setup, and stack/heap) was made relocatable to any address between
  76 0x10000 and end of low memory.  Unfortunately, in protocols 2.00 and
  77 2.01 the command line is still required to live in the 0x9XXXX memory
  78 range, and that memory range is still overwritten by the early kernel.
  79 The 2.02 protocol resolves that problem.
  80
  81 It is desirable to keep the "memory ceiling" -- the highest point in
  82 low memory touched by the boot loader -- as low as possible, since
  83 some newer BIOSes have begun to allocate some rather large amounts of
  84 memory, called the Extended BIOS Data Area, near the top of low
  85 memory.  The boot loader should use the "INT 12h" BIOS call to verify
  86 how much low memory is available.
  87
  88 Unfortunately, if INT 12h reports that the amount of memory is too
  89 low, there is usually nothing the boot loader can do but to report an
  90 error to the user.  The boot loader should therefore be designed to
  91 take up as little space in low memory as it reasonably can.  For
  92 zImage or old bzImage kernels, which need data written into the
  93 0x90000 segment, the boot loader should make sure not to use memory
  94 above the 0x9A000 point; too many BIOSes will break above that point.
  95
  96
  97 **** THE REAL-MODE KERNEL HEADER
  98
  99 In the following text, and anywhere in the kernel boot sequence, "a
 100 sector" refers to 512 bytes.  It is independent of the actual sector
 101 size of the underlying medium.
 102
 103 The first step in loading a Linux kernel should be to load the
 104 real-mode code (boot sector and setup code) and then examine the
 105 following header at offset 0x01f1.  The real-mode code can total up to
 106 32K, although the boot loader may choose to load only the first two
 107 sectors (1K) and then examine the bootup sector size.
 108
 109 The header looks like:
 110
 111 Offset  Proto   Name            Meaning
 112 /Size
 113
 114 01F1/1  ALL(1   setup_sects     The size of the setup in sectors
 115 01F2/2  ALL     root_flags      If set, the root is mounted readonly
 116 01F4/4  2.04+(2 syssize         The size of the 32-bit code in 16-byte paras
 117 01F8/2  ALL     ram_size        DO NOT USE - for bootsect.S use only
 118 01FA/2  ALL     vid_mode        Video mode control
 119 01FC/2  ALL     root_dev        Default root device number
 120 01FE/2  ALL     boot_flag       0xAA55 magic number
 121 0200/2  2.00+   jump            Jump instruction
 122 0202/4  2.00+   header          Magic signature "HdrS"
 123 0206/2  2.00+   version         Boot protocol version supported
 124 0208/4  2.00+   realmode_swtch  Boot loader hook (see below)
 125 020C/2  2.00+   start_sys       The load-low segment (0x1000) (obsolete)
 126 020E/2  2.00+   kernel_version  Pointer to kernel version string
 127 0210/1  2.00+   type_of_loader  Boot loader identifier
 128 0211/1  2.00+   loadflags       Boot protocol option flags
 129 0212/2  2.00+   setup_move_size Move to high memory size (used with hooks)
 130 0214/4  2.00+   code32_start    Boot loader hook (see below)
 131 0218/4  2.00+   ramdisk_image   initrd load address (set by boot loader)
 132 021C/4  2.00+   ramdisk_size    initrd size (set by boot loader)
 133 0220/4  2.00+   bootsect_kludge DO NOT USE - for bootsect.S use only
 134 0224/2  2.01+   heap_end_ptr    Free memory after setup end
 135 0226/2  N/A     pad1            Unused
 136 0228/4  2.02+   cmd_line_ptr    32-bit pointer to the kernel command line
 137 022C/4  2.03+   initrd_addr_max Highest legal initrd address
 138 0230/4  2.05+   kernel_alignment Physical addr alignment required for kernel
 139 0234/1  2.05+   relocatable_kernel Whether kernel is relocatable or not
 140 0235/3  N/A     pad2            Unused
 141 0238/4  2.06+   cmdline_size    Maximum size of the kernel command line
 142
 143 (1) For backwards compatibility, if the setup_sects field contains 0, the
 144     real value is 4.
 145
 146 (2) For boot protocol prior to 2.04, the upper two bytes of the syssize
 147     field are unusable, which means the size of a bzImage kernel
 148     cannot be determined.
 149
 150 If the "HdrS" (0x53726448) magic number is not found at offset 0x202,
 151 the boot protocol version is "old".  Loading an old kernel, the
 152 following parameters should be assumed:
 153
 154         Image type = zImage
 155         initrd not supported
 156         Real-mode kernel must be located at 0x90000.
 157
 158 Otherwise, the "version" field contains the protocol version,
 159 e.g. protocol version 2.01 will contain 0x0201 in this field.  When
 160 setting fields in the header, you must make sure only to set fields
 161 supported by the protocol version in use.
 162
 163 The "kernel_version" field, if set to a nonzero value, contains a
 164 pointer to a null-terminated human-readable kernel version number
 165 string, less 0x200.  This can be used to display the kernel version to
 166 the user.  This value should be less than (0x200*setup_sects).  For
 167 example, if this value is set to 0x1c00, the kernel version number
 168 string can be found at offset 0x1e00 in the kernel file.  This is a
 169 valid value if and only if the "setup_sects" field contains the value
 170 14 or higher.
 171
 172 Most boot loaders will simply load the kernel at its target address
 173 directly.  Such boot loaders do not need to worry about filling in
 174 most of the fields in the header.  The following fields should be
 175 filled out, however:
 176
 177   vid_mode:
 178         Please see the section on SPECIAL COMMAND LINE OPTIONS.
 179
 180   type_of_loader:
 181         If your boot loader has an assigned id (see table below), enter
 182         0xTV here, where T is an identifier for the boot loader and V is
 183         a version number.  Otherwise, enter 0xFF here.
 184
 185         Assigned boot loader ids:
 186         0  LILO                 (0x00 reserved for pre-2.00 bootloader)
 187         1  Loadlin
 188         2  bootsect-loader      (0x20, all other values reserved)
 189         3  SYSLINUX
 190         4  EtherBoot
 191         5  ELILO
 192         7  GRuB
 193         8  U-BOOT
 194         9  Xen
 195         A  Gujin
 196
 197         Please contact <hpa@zytor.com> if you need a bootloader ID
 198         value assigned.
 199
 200   loadflags, heap_end_ptr:
 201         If the protocol version is 2.01 or higher, enter the
 202         offset limit of the setup heap into heap_end_ptr and set the
 203         0x80 bit (CAN_USE_HEAP) of loadflags.  heap_end_ptr appears to
 204         be relative to the start of setup (offset 0x0200).
 205
 206   setup_move_size:
 207         When using protocol 2.00 or 2.01, if the real mode
 208         kernel is not loaded at 0x90000, it gets moved there later in
 209         the loading sequence.  Fill in this field if you want
 210         additional data (such as the kernel command line) moved in
 211         addition to the real-mode kernel itself.
 212
 213         The unit is bytes starting with the beginning of the boot
 214         sector.
 215
 216   ramdisk_image, ramdisk_size:
 217         If your boot loader has loaded an initial ramdisk (initrd),
 218         set ramdisk_image to the 32-bit pointer to the ramdisk data
 219         and the ramdisk_size to the size of the ramdisk data.
 220
 221         The initrd should typically be located as high in memory as
 222         possible, as it may otherwise get overwritten by the early
 223         kernel initialization sequence.  However, it must never be
 224         located above the address specified in the initrd_addr_max
 225         field.  The initrd should be at least 4K page aligned.
 226
 227   cmd_line_ptr:
 228         If the protocol version is 2.02 or higher, this is a 32-bit
 229         pointer to the kernel command line.  The kernel command line
 230         can be located anywhere between the end of setup and 0xA0000.
 231         Fill in this field even if your boot loader does not support a
 232         command line, in which case you can point this to an empty
 233         string (or better yet, to the string "auto".)  If this field
 234         is left at zero, the kernel will assume that your boot loader
 235         does not support the 2.02+ protocol.
 236
 237   ramdisk_max:
 238         The maximum address that may be occupied by the initrd
 239         contents.  For boot protocols 2.02 or earlier, this field is
 240         not present, and the maximum address is 0x37FFFFFF.  (This
 241         address is defined as the address of the highest safe byte, so
 242         if your ramdisk is exactly 131072 bytes long and this field is
 243         0x37FFFFFF, you can start your ramdisk at 0x37FE0000.)
 244
 245   cmdline_size:
 246         The maximum size of the command line without the terminating
 247         zero. This means that the command line can contain at most
 248         cmdline_size characters. With protocol version 2.05 and
 249         earlier, the maximum size was 255.
 250
 251
 252 **** THE KERNEL COMMAND LINE
 253
 254 The kernel command line has become an important way for the boot
 255 loader to communicate with the kernel.  Some of its options are also
 256 relevant to the boot loader itself, see "special command line options"
 257 below.
 258
 259 The kernel command line is a null-terminated string. The maximum
 260 length can be retrieved from the field cmdline_size.  Before protocol
 261 version 2.06, the maximum was 255 characters.  A string that is too
 262 long will be automatically truncated by the kernel.
 263
 264 If the boot protocol version is 2.02 or later, the address of the
 265 kernel command line is given by the header field cmd_line_ptr (see
 266 above.)  This address can be anywhere between the end of the setup
 267 heap and 0xA0000.
 268
 269 If the protocol version is *not* 2.02 or higher, the kernel
 270 command line is entered using the following protocol:
 271
 272         At offset 0x0020 (word), "cmd_line_magic", enter the magic
 273         number 0xA33F.
 274
 275         At offset 0x0022 (word), "cmd_line_offset", enter the offset
 276         of the kernel command line (relative to the start of the
 277         real-mode kernel).
 278
 279         The kernel command line *must* be within the memory region
 280         covered by setup_move_size, so you may need to adjust this
 281         field.
 282
 283
 284 **** MEMORY LAYOUT OF THE REAL-MODE CODE
 285
 286 The real-mode code requires a stack/heap to be set up, as well as
 287 memory allocated for the kernel command line.  This needs to be done
 288 in the real-mode accessible memory in bottom megabyte.
 289
 290 It should be noted that modern machines often have a sizable Extended
 291 BIOS Data Area (EBDA).  As a result, it is advisable to use as little
 292 of the low megabyte as possible.
 293
 294 Unfortunately, under the following circumstances the 0x90000 memory
 295 segment has to be used:
 296
 297         - When loading a zImage kernel ((loadflags & 0x01) == 0).
 298         - When loading a 2.01 or earlier boot protocol kernel.
 299
 300           -> For the 2.00 and 2.01 boot protocols, the real-mode code
 301              can be loaded at another address, but it is internally
 302              relocated to 0x90000.  For the "old" protocol, the
 303              real-mode code must be loaded at 0x90000.
 304
 305 When loading at 0x90000, avoid using memory above 0x9a000.
 306
 307 For boot protocol 2.02 or higher, the command line does not have to be
 308 located in the same 64K segment as the real-mode setup code; it is
 309 thus permitted to give the stack/heap the full 64K segment and locate
 310 the command line above it.
 311
 312 The kernel command line should not be located below the real-mode
 313 code, nor should it be located in high memory.
 314
 315
 316 **** SAMPLE BOOT CONFIGURATION
 317
 318 As a sample configuration, assume the following layout of the real
 319 mode segment:
 320
 321     When loading below 0x90000, use the entire segment:
 322
 323         0x0000-0x7fff   Real mode kernel
 324         0x8000-0xdfff   Stack and heap
 325         0xe000-0xffff   Kernel command line
 326
 327     When loading at 0x90000 OR the protocol version is 2.01 or earlier:
 328
 329         0x0000-0x7fff   Real mode kernel
 330         0x8000-0x97ff   Stack and heap
 331         0x9800-0x9fff   Kernel command line
 332
 333 Such a boot loader should enter the following fields in the header:
 334
 335         unsigned long base_ptr; /* base address for real-mode segment */
 336
 337         if ( setup_sects == 0 ) {
 338                 setup_sects = 4;
 339         }
 340
 341         if ( protocol >= 0x0200 ) {
 342                 type_of_loader = <type code>;
 343                 if ( loading_initrd ) {
 344                         ramdisk_image = <initrd_address>;
 345                         ramdisk_size = <initrd_size>;
 346                 }
 347
 348                 if ( protocol >= 0x0202 && loadflags & 0x01 )
 349                         heap_end = 0xe000;
 350                 else
 351                         heap_end = 0x9800;
 352
 353                 if ( protocol >= 0x0201 ) {
 354                         heap_end_ptr = heap_end - 0x200;
 355                         loadflags |= 0x80; /* CAN_USE_HEAP */
 356                 }
 357
 358                 if ( protocol >= 0x0202 ) {
 359                         cmd_line_ptr = base_ptr + heap_end;
 360                         strcpy(cmd_line_ptr, cmdline);
 361                 } else {
 362                         cmd_line_magic  = 0xA33F;
 363                         cmd_line_offset = heap_end;
 364                         setup_move_size = heap_end + strlen(cmdline)+1;
 365                         strcpy(base_ptr+cmd_line_offset, cmdline);
 366                 }
 367         } else {
 368                 /* Very old kernel */
 369
 370                 heap_end = 0x9800;
 371
 372                 cmd_line_magic  = 0xA33F;
 373                 cmd_line_offset = heap_end;
 374
 375                 /* A very old kernel MUST have its real-mode code
 376                    loaded at 0x90000 */
 377
 378                 if ( base_ptr != 0x90000 ) {
 379                         /* Copy the real-mode kernel */
 380                         memcpy(0x90000, base_ptr, (setup_sects+1)*512);
 381                         base_ptr = 0x90000;              /* Relocated */
 382                 }
 383
 384                 strcpy(0x90000+cmd_line_offset, cmdline);
 385
 386                 /* It is recommended to clear memory up to the 32K mark */
 387                 memset(0x90000 + (setup_sects+1)*512, 0,
 388                        (64-(setup_sects+1))*512);
 389         }
 390
 391
 392 **** LOADING THE REST OF THE KERNEL
 393
 394 The 32-bit (non-real-mode) kernel starts at offset (setup_sects+1)*512
 395 in the kernel file (again, if setup_sects == 0 the real value is 4.)
 396 It should be loaded at address 0x10000 for Image/zImage kernels and
 397 0x100000 for bzImage kernels.
 398
 399 The kernel is a bzImage kernel if the protocol >= 2.00 and the 0x01
 400 bit (LOAD_HIGH) in the loadflags field is set:
 401
 402         is_bzImage = (protocol >= 0x0200) && (loadflags & 0x01);
 403         load_address = is_bzImage ? 0x100000 : 0x10000;
 404
 405 Note that Image/zImage kernels can be up to 512K in size, and thus use
 406 the entire 0x10000-0x90000 range of memory.  This means it is pretty
 407 much a requirement for these kernels to load the real-mode part at
 408 0x90000.  bzImage kernels allow much more flexibility.
 409
 410
 411 **** SPECIAL COMMAND LINE OPTIONS
 412
 413 If the command line provided by the boot loader is entered by the
 414 user, the user may expect the following command line options to work.
 415 They should normally not be deleted from the kernel command line even
 416 though not all of them are actually meaningful to the kernel.  Boot
 417 loader authors who need additional command line options for the boot
 418 loader itself should get them registered in
 419 Documentation/kernel-parameters.txt to make sure they will not
 420 conflict with actual kernel options now or in the future.
 421
 422   vga=<mode>
 423         <mode> here is either an integer (in C notation, either
 424         decimal, octal, or hexadecimal) or one of the strings
 425         "normal" (meaning 0xFFFF), "ext" (meaning 0xFFFE) or "ask"
 426         (meaning 0xFFFD).  This value should be entered into the
 427         vid_mode field, as it is used by the kernel before the command
 428         line is parsed.
 429
 430   mem=<size>
 431         <size> is an integer in C notation optionally followed by
 432         (case insensitive) K, M, G, T, P or E (meaning << 10, << 20,
 433         << 30, << 40, << 50 or << 60).  This specifies the end of
 434         memory to the kernel. This affects the possible placement of
 435         an initrd, since an initrd should be placed near end of
 436         memory.  Note that this is an option to *both* the kernel and
 437         the bootloader!
 438
 439   initrd=<file>
 440         An initrd should be loaded.  The meaning of <file> is
 441         obviously bootloader-dependent, and some boot loaders
 442         (e.g. LILO) do not have such a command.
 443
 444 In addition, some boot loaders add the following options to the
 445 user-specified command line:
 446
 447   BOOT_IMAGE=<file>
 448         The boot image which was loaded.  Again, the meaning of <file>
 449         is obviously bootloader-dependent.
 450
 451   auto
 452         The kernel was booted without explicit user intervention.
 453
 454 If these options are added by the boot loader, it is highly
 455 recommended that they are located *first*, before the user-specified
 456 or configuration-specified command line.  Otherwise, "init=/bin/sh"
 457 gets confused by the "auto" option.
 458
 459
 460 **** RUNNING THE KERNEL
 461
 462 The kernel is started by jumping to the kernel entry point, which is
 463 located at *segment* offset 0x20 from the start of the real mode
 464 kernel.  This means that if you loaded your real-mode kernel code at
 465 0x90000, the kernel entry point is 9020:0000.
 466
 467 At entry, ds = es = ss should point to the start of the real-mode
 468 kernel code (0x9000 if the code is loaded at 0x90000), sp should be
 469 set up properly, normally pointing to the top of the heap, and
 470 interrupts should be disabled.  Furthermore, to guard against bugs in
 471 the kernel, it is recommended that the boot loader sets fs = gs = ds =
 472 es = ss.
 473
 474 In our example from above, we would do:
 475
 476         /* Note: in the case of the "old" kernel protocol, base_ptr must
 477            be == 0x90000 at this point; see the previous sample code */
 478
 479         seg = base_ptr >> 4;
 480
 481         cli();  /* Enter with interrupts disabled! */
 482
 483         /* Set up the real-mode kernel stack */
 484         _SS = seg;
 485         _SP = heap_end;
 486
 487         _DS = _ES = _FS = _GS = seg;
 488         jmp_far(seg+0x20, 0);   /* Run the kernel */
 489
 490 If your boot sector accesses a floppy drive, it is recommended to
 491 switch off the floppy motor before running the kernel, since the
 492 kernel boot leaves interrupts off and thus the motor will not be
 493 switched off, especially if the loaded kernel has the floppy driver as
 494 a demand-loaded module!
 495
 496
 497 **** ADVANCED BOOT TIME HOOKS
 498
 499 If the boot loader runs in a particularly hostile environment (such as
 500 LOADLIN, which runs under DOS) it may be impossible to follow the
 501 standard memory location requirements.  Such a boot loader may use the
 502 following hooks that, if set, are invoked by the kernel at the
 503 appropriate time.  The use of these hooks should probably be
 504 considered an absolutely last resort!
 505
 506 IMPORTANT: All the hooks are required to preserve %esp, %ebp, %esi and
 507 %edi across invocation.
 508
 509   realmode_swtch:
 510         A 16-bit real mode far subroutine invoked immediately before
 511         entering protected mode.  The default routine disables NMI, so
 512         your routine should probably do so, too.
 513
 514   code32_start:
 515         A 32-bit flat-mode routine *jumped* to immediately after the
 516         transition to protected mode, but before the kernel is
 517         uncompressed.  No segments, except CS, are guaranteed to be
 518         set up (current kernels do, but older ones do not); you should
 519         set them up to BOOT_DS (0x18) yourself.
 520
 521         After completing your hook, you should jump to the address
 522         that was in this field before your boot loader overwrote it.