分析内核对gzip压缩文件进行解压的方法

　　作者：opera
　　概述
　　----
　　1) Linux的初始内核映象以gzip压缩文件的格式存放在zImage或bzImage之中, 内核的自举
　　代码将它解压到1M内存开始处. 在内核初始化时, 如果加载了压缩的initrd映象, 内核会将解压到内存盘中, 这两处解压过程都使用了lib/inflate.c文件.
　　2) inflate.c是从gzip源程序中分离出来的, 包含了一些对全局数据的直接引用, 在使用时
　　需要直接嵌入到代码中. gzip压缩文件时总是在前32K字节的范围内寻找重复的字符串进行
　　编码, 在解压时需要一个至少为32K字节的解压缓冲区, 它定义为window[WSIZE].
　　inflate.c使用get_byte()读取输入文件, 它被定义成宏来提高效率. 输入缓冲区指针必须
　　定义为inptr, inflate.c中对之有减量操作. inflate.c调用flush_window()来输出window
　　缓冲区中的解压出的字节串, 每次输出长度用outcnt变量表示. 在flush_window()中, 还必
　　须对输出字节串计算CRC并且刷新crc变量. 在调用gunzip()开始解压之前, 调用makecrc()
　　初始化CRC计算表. 最后gunzip()返回0表示解压成功.
　　3) zImage或bzImage由16位引导代码和32位内核自解压映象两个部分组成. 对于zImage, 内
　　核自解压映象被加载到物理地址0x1000, 内核被解压到1M的部位. 对于bzImage, 内核自解
　　压映象被加载到1M开始的地方, 内核被解压为两个片段, 一个起始于物理地址0x2000-0x90000,
　　另一个起始于高端解压映象之后, 离1M开始处不小于低端片段最大长度的区域. 解压完成后,
　　这两个片段被合并到1M的起始位置.
　　解压根内存盘映象文件的代码
　　--------------------------
　　代码:
　　; drivers/block/rd.c
　　#ifdef BUILD_CRAMDISK
　　/*
　　* gzip declarations
　　*/
　　#define OF(args) args ; 用于函数原型声明的宏
　　#ifndef memzero
　　#define memzero(s, n) memset ((s), 0, (n))
　　#endif
　　typedef unsigned char uch; 定义inflate.c所使用的3种数据类型
　　typedef unsigned short ush;
　　typedef unsigned long ulg;
　　#define INBUFSIZ 4096 用户输入缓冲区尺寸
　　#define WSIZE 0x8000 /* window size--must be a power of two, and */
　　 /* at least 32K for zip's deflate method */
　　
　　static uch *inbuf; 用户输入缓冲区,与inflate.c无关
　　static uch *window; 解压窗口
　　static unsigned insize; /* valid bytes in inbuf */
　　static unsigned inptr; /* index of next byte to be processed in inbuf */
　　static unsigned outcnt; /* bytes in output buffer */
　　static int exit_code;
　　static long bytes_out; 总解压输出长度,与inflate.c无关
　　static struct file *crd_infp, *crd_outfp;
　　#define get_byte() (inptr < insize ? inbuf[inptr++] : fill_inbuf()) 读取输入缓冲区中一个字节
　　/* Diagnostic functions (stubbed out) */ 一些调试宏
　　#define Assert(cond,msg)
　　#define Trace(x)
　　#define Tracev(x)
　　#define Tracevv(x)
　　#define Tracec(c,x)
　　#define Tracecv(c,x)
　　#define STATIC static
　　static int fill_inbuf(void);
　　static void flush_window(void);
　　static void *malloc(int size);
　　static void free(void *where);
　　static void error(char *m);
　　static void gzip_mark(void **);
　　static void gzip_release(void **);
　　#include "../../lib/inflate.c"
　　static void __init *malloc(int size)
　　{
　　 return kmalloc(size, GFP_KERNEL);
　　}
　　static void __init free(void *where)
　　{
　　 kfree(where);
　　}
　　static void __init gzip_mark(void **ptr)
　　{
　　 ; 读取用户一个标记
　　}
　　static void __init gzip_release(void **ptr)
　　{
　　 ; 归还用户标记
　　}
　　/* ===========================================================================
　　* Fill the input buffer. This is called only when the buffer is empty
　　* and at least one byte is really needed.
　　*/
　　static int __init fill_inbuf(void) 填充输入缓冲区
　　{
　　 if (exit_code) return -1;
　　 insize = crd_infp->f_op->read(crd_infp, inbuf, INBUFSIZ,
　　 &crd_infp->f_pos);
　　 if (insize == 0) return -1;
　　 inptr = 1;
　　 return inbuf[0];
　　}
　　
　　/* ===========================================================================
　　* Write the output window window[0..outcnt-1] and update crc and bytes_out.
　　* (Used for the decompressed data only.)
　　*/
　　static void __init flush_window(void) 输出window缓冲区中outcnt个字节串
　　{
　　 ulg c = crc; /* temporary variable */
　　 unsigned n;
　　 uch *in, ch;
　　 crd_outfp->f_op->write(crd_outfp, window, outcnt, &crd_outfp->f_pos);
　　 in = window;
　　 for (n = 0; n < outcnt; n++) {
　　 ch = *in++;
　　 c = crc_32_tab[((int)c ^ ch) & 0xff] ^ (c >> 8); 计算输出串的CRC
　　 }
　　 crc = c;
　　 bytes_out += (ulg)outcnt; 刷新总字节数
　　 outcnt = 0;
　　}
　　static void __init error(char *x) 解压出错调用的函数
　　{
　　 printk(KERN_ERR "%s", x);
　　 exit_code = 1;
　　}
　　static int __init
　　crd_load(struct file * fp, struct file *outfp)
　　{
　　 int result;
　　 insize = 0; /* valid bytes in inbuf */
　　 inptr = 0; /* index of next byte to be processed in inbuf */
　　 outcnt = 0; /* bytes in output buffer */
　　 exit_code = 0;
　　 bytes_out = 0;
　　 crc = (ulg)0xffffffffL; /* shift register contents */
　　 crd_infp = fp;
　　 crd_outfp = outfp;
　　 inbuf = kmalloc(INBUFSIZ, GFP_KERNEL);
　　 if (inbuf == 0) {
　　 printk(KERN_ERR "RAMDISK: Couldn't allocate gzip buffer\n");
　　 return -1;
　　 }
　　 window = kmalloc(WSIZE, GFP_KERNEL);
　　 if (window == 0) {
　　 printk(KERN_ERR "RAMDISK: Couldn't allocate gzip window\n");
　　 kfree(inbuf);
　　 return -1;
　　 }
　　 makecrc();
　　 result = gunzip();
　　 kfree(inbuf);
　　 kfree(window);
　　 return result;
　　}
　　#endif /* BUILD_CRAMDISK */
　　32位内核自解压代码
　　------------------
　　; arch/i386/boot/compressed/head.S
　　.text
　　#include
　　#include
　　 .globl startup_32 对于zImage该入口地址为0x1000; 对于bzImage为0x101000
　　startup_32:
　　 cld
　　 cli
　　 movl $(__KERNEL_DS),%eax
　　 movl %eax,%ds
　　 movl %eax,%es
　　 movl %eax,%fs
　　 movl %eax,%gs
　　 lss SYMBOL_NAME(stack_start),%esp # 自解压代码的堆栈为misc.c中定义的16K字节的数组
　　 xorl %eax,%eax
　　1: incl %eax # check that A20 really IS enabled
　　 movl %eax,0x000000 # loop forever if it isn't
　　 cmpl %eax,0x100000
　　 je 1b
　　/*
　　* Initialize eflags. Some BIOS's leave bits like NT set. This would
　　* confuse the debugger if this code is traced.
　　* XXX - best to initialize before switching to protected mode.
　　*/
　　 pushl $0
　　 popfl
　　/*
　　* Clear BSS 清除解压程序的BSS段
　　*/
　　 xorl %eax,%eax
　　 movl $ SYMBOL_NAME(_edata),%edi
　　 movl $ SYMBOL_NAME(_end),%ecx
　　 subl %edi,%ecx
　　 cld
　　 rep
　　 stosb
　　/*
　　* Do the decompression, and jump to the new kernel..
　　*/
　　 subl $16,%esp # place for structure on the stack
　　 movl %esp,%eax
　　 pushl %esi # real mode pointer as second arg
　　 pushl %eax # address of structure as first arg
　　 call SYMBOL_NAME(decompress_kernel)
　　 orl %eax,%eax # 如果返回非零,则表示为内核解压为低端和高端的两个片断
　　 jnz 3f
　　 popl %esi # discard address
　　 popl %esi # real mode pointer
　　 xorl %ebx,%ebx
　　 ljmp $(__KERNEL_CS), $0x100000 # 运行start_kernel
　　/*
　　* We come here, if we were loaded high.
　　* We need to move the move-in-place routine down to 0x1000
　　* and then start it with the buffer addresses in registers,
　　* which we got from the stack.
　　*/
　　3:
　　 movl $move_routine_start,%esi
　　 movl $0x1000,%edi
　　 movl $move_routine_end,%ecx
　　 subl %esi,%ecx
　　 addl $3,%ecx
　　 shrl $2,%ecx # 按字取整
　　 cld
　　 rep
　　 movsl # 将内核片断合并代码复制到0x1000区域, 内核的片段起始为0x2000
　　 popl %esi # discard the address
　　 popl %ebx # real mode pointer
　　 popl %esi # low_buffer_start 内核低端片段的起始地址
　　 popl %ecx # lcount 内核低端片段的字节数量
　　 popl %edx # high_buffer_start 内核高端片段的起始地址
　　 popl %eax # hcount 内核高端片段的字节数量
　　 movl $0x100000,%edi 内核合并的起始地址
　　 cli # make sure we don't get interrupted
　　 ljmp $(__KERNEL_CS), $0x1000 # and jump to the move routine
　　/*
　　* Routine (template) for moving the decompressed kernel in place,
　　* if we were high loaded. This _must_ PIC-code !
　　*/
　　move_routine_start:
　　 movl %ecx,%ebp
　　 shrl $2,%ecx
　　 rep
　　 movsl # 按字拷贝第1个片段
　　 movl %ebp,%ecx
　　 andl $3,%ecx
　　 rep
　　 movsb # 传送不完全字
　　 movl %edx,%esi
　　 movl %eax,%ecx # NOTE: rep movsb won't move if %ecx == 0
　　 addl $3,%ecx
　　 shrl $2,%ecx # 按字对齐
　　 rep
　　 movsl # 按字拷贝第2个片段
　　 movl %ebx,%esi # Restore setup pointer
　　 xorl %ebx,%ebx
　　 ljmp $(__KERNEL_CS), $0x100000 # 运行start_kernel
　　move_routine_end:
　　; arch/i386/boot/compressed/misc.c
　　/*
　　* gzip declarations
　　*/
　　#define OF(args) args
　　#define STATIC static
　　#undef memset
　　#undef memcpy
　　#define memzero(s, n) memset ((s), 0, (n))
　　typedef unsigned char uch;
　　typedef unsigned short ush;
　　typedef unsigned long ulg;
　　#define WSIZE 0x8000 /* Window size must be at least 32k, */
　　 /* and a power of two */
　　static uch *inbuf; /* input buffer */
　　static uch window[WSIZE]; /* Sliding window buffer */
　　static unsigned insize = 0; /* valid bytes in inbuf */
　　static unsigned inptr = 0; /* index of next byte to be processed in inbuf */
　　static unsigned outcnt = 0; /* bytes in output buffer */
　　/* gzip flag byte */
　　#define ASCII_FLAG 0x01 /* bit 0 set: file probably ASCII text */
　　#define CONTINUATION 0x02 /* bit 1 set: continuation of multi-part gzip file */
　　#define EXTRA_FIELD 0x04 /* bit 2 set: extra field present */
　　#define ORIG_NAME 0x08 /* bit 3 set: original file name present */
　　#define COMMENT 0x10 /* bit 4 set: file comment present */
　　#define ENCRYPTED 0x20 /* bit 5 set: file is encrypted */
　　#define RESERVED 0xC0 /* bit 6,7: reserved */
　　#define get_byte() (inptr < insize ? inbuf[inptr++] : fill_inbuf())
　　/* Diagnostic functions */
　　#ifdef DEBUG
　　# define Assert(cond,msg) {if(!(cond)) error(msg);}
　　# define Trace(x) fprintf x
　　# define Tracev(x) {if (verbose) fprintf x ;}
　　# define Tracevv(x) {if (verbose>1) fprintf x ;}
　　# define Tracec(c,x) {if (verbose && (c)) fprintf x ;}
　　# define Tracecv(c,x) {if (verbose>1 && (c)) fprintf x ;}
　　#else
　　# define Assert(cond,msg)
　　# define Trace(x)
　　# define Tracev(x)
　　# define Tracevv(x)
　　# define Tracec(c,x)
　　# define Tracecv(c,x)
　　#endif
　　static int fill_inbuf(void);
　　static void flush_window(void);
　　static void error(char *m);
　　static void gzip_mark(void **);
　　static void gzip_release(void **);
　　/*
　　* This is set up by the setup-routine at boot-time
　　*/
　　static unsigned char *real_mode; /* Pointer to real-mode data */
　　#define EXT_MEM_K (*(unsigned short *)(real_mode + 0x2))
　　#ifndef STANDARD_MEMORY_BIOS_CALL
　　#define ALT_MEM_K (*(unsigned long *)(real_mode + 0x1e0))
　　#endif
　　#define SCREEN_INFO (*(struct screen_info *)(real_mode+0))
　　extern char input_data[];
　　extern int input_len;
　　static long bytes_out = 0;
　　static uch *output_data;
　　static unsigned long output_ptr = 0;
　　static void *malloc(int size);
　　static void free(void *where);
　　static void error(char *m);
　　static void gzip_mark(void **);
　　static void gzip_release(void **);
　　static void puts(const char *);
　　extern int end;
　　static long free_mem_ptr = (long)&end;
　　static long free_mem_end_ptr;
　　#define INPLACE_MOVE_ROUTINE 0x1000 内核片段合并代码的运行地址
　　#define LOW_BUFFER_START 0x2000 内核低端解压片段的起始地址
　　#define LOW_BUFFER_MAX 0x90000 内核低端解压片段的终止地址
　　#define HEAP_SIZE 0x3000 为解压低码保留的堆的尺寸,堆起始于BSS的结束
　　static unsigned int low_buffer_end, low_buffer_size;
　　static int high_loaded =0;
　　static uch *high_buffer_start /* = (uch *)(((ulg)&end) + HEAP_SIZE)*/;
　　static char *vidmem = (char *)0xb8000;
　　static int vidport;
　　static int lines, cols;
　　#include "../../../../lib/inflate.c"
　　static void *malloc(int size)
　　{
　　 void *p;
　　 if (size <0) error("Malloc error\n");
　　 if (free_mem_ptr <= 0) error("Memory error\n");
　　 free_mem_ptr = (free_mem_ptr + 3) & ~3; /* Align */
　　 p = (void *)free_mem_ptr;
　　 free_mem_ptr += size;
　　 if (free_mem_ptr >= free_mem_end_ptr)
　　 error("\nOut of memory\n");
　　 return p;
　　}
　　static void free(void *where)
　　{ /* Don't care */
　　}
　　static void gzip_mark(void **ptr)
　　{
　　 *ptr = (void *) free_mem_ptr;
　　}
　　static void gzip_release(void **ptr)
　　{
　　 free_mem_ptr = (long) *ptr;
　　}
　　static void scroll(void)
　　{
　　 int i;
　　 memcpy ( vidmem, vidmem + cols * 2, ( lines - 1 ) * cols * 2 );
　　 for ( i = ( lines - 1 ) * cols * 2; i < lines * cols * 2; i += 2 )
　　 vidmem[ i ] = ' ';
　　}
　　static void puts(const char *s)
　　{
　　 int x,y,pos;
　　 char c;
　　 x = SCREEN_INFO.orig_x;
　　 y = SCREEN_INFO.orig_y;
　　
　　 while ( ( c = *s++ ) != '\0' ) {
　　 if ( c == '\n' ) {
　　 x = 0;
　　 if ( ++y >= lines ) {
　　 scroll();
　　 y--;
　　 }
　　 } else {
　　 vidmem [ ( x + cols * y ) * 2 ] = c;
　　 if ( ++x >= cols ) {
　　 x = 0;
　　 if ( ++y >= lines ) {
　　 scroll();
　　 y--;
　　 }
　　 }
　　 }
　　 }
　　 SCREEN_INFO.orig_x = x;
　　 SCREEN_INFO.orig_y = y;
　　 pos = (x + cols * y) * 2; /* Update cursor position */
　　 outb_p(14, vidport);
　　 outb_p(0xff & (pos >> 9), vidport+1);
　　 outb_p(15, vidport);
　　 outb_p(0xff & (pos >> 1), vidport+1);
　　}
　　void* memset(void* s, int c, size_t n)
　　{
　　 int i;
　　 char *ss = (char*)s;
　　 for (i=0;i return s;
　　}
　　void* memcpy(void* __dest, __const void* __src,
　　 size_t __n)
　　{
　　 int i;
　　 char *d = (char *)__dest, *s = (char *)__src;
　　 for (i=0;i<__n;i++) d[ i ] = s[ i ];
　　 return __dest;
　　}
　　/* ===========================================================================
　　* Fill the input buffer. This is called only when the buffer is empty
　　* and at least one byte is really needed.
　　*/
　　static int fill_inbuf(void)
　　{
　　 if (insize != 0) {
　　 error("ran out of input data\n");
　　 }
　　 inbuf = input_data;
　　 insize = input_len;
　　 inptr = 1;
　　 return inbuf[0];
　　}
　　/* ===========================================================================
　　* Write the output window window[0..outcnt-1] and update crc and bytes_out.
　　* (Used for the decompressed data only.)
　　*/
　　static void flush_window_low(void)
　　{
　　 ulg c = crc; /* temporary variable */
　　 unsigned n;
　　 uch *in, *out, ch;
　　
　　 in = window;
　　 out = &output_data[output_ptr];
　　 for (n = 0; n < outcnt; n++) {
　　 ch = *out++ = *in++;
　　 c = crc_32_tab[((int)c ^ ch) & 0xff] ^ (c >> 8);
　　 }
　　 crc = c;
　　 bytes_out += (ulg)outcnt;
　　 output_ptr += (ulg)outcnt;
　　 outcnt = 0;
　　}
　　static void flush_window_high(void)
　　{
　　 ulg c = crc; /* temporary variable */
　　 unsigned n;
　　 uch *in, ch;
　　 in = window;
　　 for (n = 0; n < outcnt; n++) {
　　 ch = *output_data++ = *in++;
　　 if ((ulg)output_data == low_buffer_end) output_data=high_buffer_start;
　　 c = crc_32_tab[((int)c ^ ch) & 0xff] ^ (c >> 8);
　　 }
　　 crc = c;
　　 bytes_out += (ulg)outcnt;
　　 outcnt = 0;
　　}
　　static void flush_window(void)
　　{
　　 if (high_loaded) flush_window_high();
　　 else flush_window_low();
　　}
　　static void error(char *x)
　　{
　　 puts("\n\n");
　　 puts(x);
　　 puts("\n\n -- System halted");
　　 while(1); /* Halt */
　　}
　　#define STACK_SIZE (4096)
　　long user_stack [STACK_SIZE];
　　struct {
　　 long * a;
　　 short b;
　　 } stack_start = { & user_stack [STACK_SIZE] , __KERNEL_DS };
　　void setup_normal_output_buffer(void) 对于zImage, 直接解压到1M
　　{
　　#ifdef STANDARD_MEMORY_BIOS_CALL
　　 if (EXT_MEM_K < 1024) error("Less than 2MB of memory.\n");
　　#else
　　 if ((ALT_MEM_K > EXT_MEM_K ? ALT_MEM_K : EXT_MEM_K) < 1024) error("Less than 2MB of memory.\n");
　　#endif
　　 output_data = (char *)0x100000; /* Points to 1M */
　　 free_mem_end_ptr = (long)real_mode;
　　}
　　struct moveparams {
　　 uch *low_buffer_start; int lcount;
　　 uch *high_buffer_start; int hcount;
　　};
　　void setup_output_buffer_if_we_run_high(struct moveparams *mv)
　　{
　　 high_buffer_start = (uch *)(((ulg)&end) + HEAP_SIZE); 内核高端片段的最小起始地址
　　#ifdef STANDARD_MEMORY_BIOS_CALL
　　 if (EXT_MEM_K < (3*1024)) error("Less than 4MB of memory.\n");
　　#else
　　 if ((ALT_MEM_K > EXT_MEM_K ? ALT_MEM_K : EXT_MEM_K) < (3*1024)) error("Less than 4MB of memory.\n");
　　#endif
　　 mv->low_buffer_start = output_data = (char *)LOW_BUFFER_START;
　　 low_buffer_end = ((unsigned int)real_mode > LOW_BUFFER_MAX
　　 ? LOW_BUFFER_MAX : (unsigned int)real_mode) & ~0xfff;
　　 low_buffer_size = low_buffer_end - LOW_BUFFER_START;
　　 high_loaded = 1;
　　 free_mem_end_ptr = (long)high_buffer_start;
　　 if ( (0x100000 + low_buffer_size) > ((ulg)high_buffer_start)) {
　　 ; 如果高端片段的最小起始地址小于它实际应加载的地址,则将它置为实际地址,
　　 ; 这样高端片段就无需再次移动了,否则它要向前移动
　　 high_buffer_start = (uch *)(0x100000 + low_buffer_size);
　　 mv->hcount = 0; /* say: we need not to move high_buffer */
　　 }
　　 else mv->hcount = -1; 待定
　　 mv->high_buffer_start = high_buffer_start;
　　}
　　void close_output_buffer_if_we_run_high(struct moveparams *mv)
　　{
　　 if (bytes_out > low_buffer_size) {
　　 mv->lcount = low_buffer_size;
　　 if (mv->hcount)
　　 mv->hcount = bytes_out - low_buffer_size; 求出高端片段的字节数
　　 } else { 如果解压后内核只有低端的一个片段
　　 mv->lcount = bytes_out;
　　 mv->hcount = 0;
　　 }
　　}
　　int decompress_kernel(struct moveparams *mv, void *rmode)
　　{
　　 real_mode = rmode;
　　 if (SCREEN_INFO.orig_video_mode == 7) {
　　 vidmem = (char *) 0xb0000;
　　 vidport = 0x3b4;
　　 } else {
　　 vidmem = (char *) 0xb8000;
　　 vidport = 0x3d4;
　　 }
　　 lines = SCREEN_INFO.orig_video_lines;
　　 cols = SCREEN_INFO.orig_video_cols;
　　 if (free_mem_ptr < 0x100000) setup_normal_output_buffer();
　　 else setup_output_buffer_if_we_run_high(mv);
　　 makecrc();
　　 puts("Uncompressing Linux... ");
　　 gunzip();
　　 puts("Ok, booting the kernel.\n");
　　 if (high_loaded) close_output_buffer_if_we_run_high(mv);
　　 return high_loaded;
　　}
　　
　　
　　
　　
　　

原文转自：http://www.ltesting.net