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[tangerine.git] / arch / common / boot / grub / docs / multiboot.texi
blobeded05c4c2615e33c92240ab4fa5bcf59ebee1cc
1 \input texinfo @c -*-texinfo-*-
2 @c -*-texinfo-*-
3 @c %**start of header
4 @setfilename multiboot.info
5 @settitle Multiboot Specification
6 @c %**end of header
8 @c Unify all our little indices for now.
9 @syncodeindex fn cp
10 @syncodeindex vr cp
11 @syncodeindex ky cp
12 @syncodeindex pg cp
13 @syncodeindex tp cp
15 @footnotestyle separate
16 @paragraphindent 3
17 @finalout
20 @dircategory Kernel
21 @direntry
22 * Multiboot Specification: (multiboot).         Multiboot Specification.
23 @end direntry
25 @ifinfo
26 Copyright @copyright{} 1995, 96 Bryan Ford <baford@@cs.utah.edu>
27 Copyright @copyright{} 1995, 96 Erich Stefan Boleyn <erich@@uruk.org>
28 Copyright @copyright{} 1999, 2000, 2001, 2002 Free Software Foundation, Inc.
30 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
31 this manual provided the copyright notice and this permission notice
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34 @ignore
35 Permission is granted to process this file through TeX and print the
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37 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
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40 @end ignore
42 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
43 manual under the conditions for verbatim copying, provided also that
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47 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
48 into another language, under the above conditions for modified versions.
49 @end ifinfo
51 @titlepage
52 @sp 10
53 @title The Multiboot Specification
54 @author Yoshinori K. Okuji, Bryan Ford, Erich Stefan Boleyn, Kunihiro Ishiguro
55 @page
57 @vskip 0pt plus 1filll
58 Copyright @copyright{} 1995, 96 Bryan Ford <baford@@cs.utah.edu>
59 Copyright @copyright{} 1995, 96 Erich Stefan Boleyn <erich@@uruk.org>
60 Copyright @copyright{} 1999, 2000, 2001, 2002 Free Software Foundation, Inc.
62 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
63 this manual provided the copyright notice and this permission notice
64 are preserved on all copies.
66 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
67 manual under the conditions for verbatim copying, provided also that
68 the entire resulting derived work is distributed under the terms of a
69 permission notice identical to this one.
71 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
72 into another language, under the above conditions for modified versions.
73 @end titlepage
75 @finalout
76 @headings double
78 @ifnottex
79 @node Top
80 @top Multiboot Specification
82 This file documents Multiboot Specification, the proposal for the boot
83 sequence standard. This edition documents version 0.6.93.
84 @end ifnottex
86 @menu
87 * Overview::                    
88 * Terminology::                 
89 * Specification::               
90 * Examples::                    
91 * History::                     
92 * Index::                       
93 @end menu
96 @node Overview
97 @chapter Introduction to Multiboot Specification
99 This chapter describes some rough information on the Multiboot
100 Specification. Note that this is not a part of the specification itself.
102 @menu
103 * Motivation::                  
104 * Architecture::                
105 * Operating systems::           
106 * Boot sources::                
107 * Boot-time configuration::     
108 * Convenience to operating systems::  
109 * Boot modules::                
110 @end menu
113 @node Motivation
114 @section The background of Multiboot Specification
116 Every operating system ever created tends to have its own boot loader.
117 Installing a new operating system on a machine generally involves
118 installing a whole new set of boot mechanisms, each with completely
119 different install-time and boot-time user interfaces. Getting multiple
120 operating systems to coexist reliably on one machine through typical
121 @dfn{chaining} mechanisms can be a nightmare. There is little or no
122 choice of boot loaders for a particular operating system --- if the one
123 that comes with the operating system doesn't do exactly what you want,
124 or doesn't work on your machine, you're screwed.
126 While we may not be able to fix this problem in existing commercial
127 operating systems, it shouldn't be too difficult for a few people in the
128 free operating system communities to put their heads together and solve
129 this problem for the popular free operating systems. That's what this
130 specification aims for. Basically, it specifies an interface between a
131 boot loader and a operating system, such that any complying boot loader
132 should be able to load any complying operating system. This
133 specification does @emph{not} specify how boot loaders should work ---
134 only how they must interface with the operating system being loaded.
137 @node Architecture
138 @section The target architecture
140 This specification is primarily targeted at @sc{pc}, since they are the
141 most common and have the largest variety of operating systems and boot
142 loaders. However, to the extent that certain other architectures may
143 need a boot specification and do not have one already, a variation of
144 this specification, stripped of the x86-specific details, could be
145 adopted for them as well.
148 @node Operating systems
149 @section The target operating systems
151 This specification is targeted toward free 32-bit operating systems
152 that can be fairly easily modified to support the specification without
153 going through lots of bureaucratic rigmarole. The particular free
154 operating systems that this specification is being primarily designed
155 for are Linux, FreeBSD, NetBSD, Mach, and VSTa. It is hoped that other
156 emerging free operating systems will adopt it from the start, and thus
157 immediately be able to take advantage of existing boot loaders. It would
158 be nice if commercial operating system vendors eventually adopted this
159 specification as well, but that's probably a pipe dream.
162 @node Boot sources
163 @section Boot sources
165 It should be possible to write compliant boot loaders that load the OS
166 image from a variety of sources, including floppy disk, hard disk, and
167 across a network.
169 Disk-based boot loaders may use a variety of techniques to find the
170 relevant OS image and boot module data on disk, such as by
171 interpretation of specific file systems (e.g. the BSD/Mach boot loader),
172 using precalculated @dfn{block lists} (e.g. LILO), loading from a
173 special @dfn{boot partition} (e.g. OS/2), or even loading from within
174 another operating system (e.g. the VSTa boot code, which loads from
175 DOS). Similarly, network-based boot loaders could use a variety of
176 network hardware and protocols.
178 It is hoped that boot loaders will be created that support multiple
179 loading mechanisms, increasing their portability, robustness, and
180 user-friendliness.
183 @node Boot-time configuration
184 @section Configure an operating system at boot-time
186 It is often necessary for one reason or another for the user to be able
187 to provide some configuration information to an operating system
188 dynamically at boot time. While this specification should not dictate
189 how this configuration information is obtained by the boot loader, it
190 should provide a standard means for the boot loader to pass such
191 information to the operating system.
194 @node Convenience to operating systems
195 @section How to make OS development easier
197 OS images should be easy to generate. Ideally, an OS image should simply
198 be an ordinary 32-bit executable file in whatever file format the
199 operating system normally uses. It should be possible to @code{nm} or
200 disassemble OS images just like normal executables. Specialized tools
201 should not be required to create OS images in a @emph{special} file
202 format. If this means shifting some work from the operating system to
203 a boot loader, that is probably appropriate, because all the memory
204 consumed by the boot loader will typically be made available again after
205 the boot process is created, whereas every bit of code in the OS image
206 typically has to remain in memory forever. The operating system should
207 not have to worry about getting into 32-bit mode initially, because mode
208 switching code generally needs to be in the boot loader anyway in order
209 to load operating system data above the 1MB boundary, and forcing the
210 operating system to do this makes creation of OS images much more
211 difficult.
213 Unfortunately, there is a horrendous variety of executable file formats
214 even among free Unix-like @sc{pc}-based operating systems --- generally
215 a different format for each operating system. Most of the relevant free
216 operating systems use some variant of a.out format, but some are moving
217 to @sc{elf}. It is highly desirable for boot loaders not to have to be
218 able to interpret all the different types of executable file formats in
219 existence in order to load the OS image --- otherwise the boot loader
220 effectively becomes operating system specific again.
222 This specification adopts a compromise solution to this
223 problem. Multiboot-compliant OS images always contain a magic
224 @dfn{Multiboot header} (@pxref{OS image format}), which allows the boot
225 loader to load the image without having to understand numerous a.out
226 variants or other executable formats. This magic header does not need to
227 be at the very beginning of the executable file, so kernel images can
228 still conform to the local a.out format variant in addition to being
229 Multiboot-compliant.
232 @node Boot modules
233 @section Boot modules
235 Many modern operating system kernels, such as those of VSTa and Mach, do
236 not by themselves contain enough mechanism to get the system fully
237 operational: they require the presence of additional software modules at
238 boot time in order to access devices, mount file systems, etc. While
239 these additional modules could be embedded in the main OS image along
240 with the kernel itself, and the resulting image be split apart manually
241 by the operating system when it receives control, it is often more
242 flexible, more space-efficient, and more convenient to the operating
243 system and user if the boot loader can load these additional modules
244 independently in the first place.
246 Thus, this specification should provide a standard method for a boot
247 loader to indicate to the operating system what auxiliary boot modules
248 were loaded, and where they can be found. Boot loaders don't have to
249 support multiple boot modules, but they are strongly encouraged to,
250 because some operating systems will be unable to boot without them.
253 @node Terminology
254 @chapter The definitions of terms used through the specification
256 @table @dfn
257 @item must
258 We use the term @dfn{must}, when any boot loader or OS image needs to
259 follow a rule --- otherwise, the boot loader or OS image is @emph{not}
260 Multiboot-compliant.
262 @item should
263 We use the term @dfn{should}, when any boot loader or OS image is
264 recommended to follow a rule, but it doesn't need to follow the rule.
266 @item may
267 We use the term @dfn{may}, when any boot loader or OS image is allowed
268 to follow a rule.
270 @item boot loader
271 Whatever program or set of programs loads the image of the final
272 operating system to be run on the machine. The boot loader may itself
273 consist of several stages, but that is an implementation detail not
274 relevant to this specification. Only the @emph{final} stage of the boot
275 loader --- the stage that eventually transfers control to an operating
276 system --- must follow the rules specified in this document in order
277 to be @dfn{Multiboot-compliant}; earlier boot loader stages may be
278 designed in whatever way is most convenient.
280 @item OS image
281 The initial binary image that a boot loader loads into memory and
282 transfers control to start an operating system. The OS image is
283 typically an executable containing the operating system kernel.
285 @item boot module
286 Other auxiliary files that a boot loader loads into memory along with
287 an OS image, but does not interpret in any way other than passing their
288 locations to the operating system when it is invoked.
290 @item Multiboot-compliant
291 A boot loader or an OS image which follows the rules defined as
292 @dfn{must} is Multiboot-compliant. When this specification specifies a
293 rule as @dfn{should} or @dfn{may}, a Multiboot-complaint boot loader/OS
294 image doesn't need to follow the rule.
296 @item u8
297 The type of unsigned 8-bit data.
299 @item u16
300 The type of unsigned 16-bit data. Because the target architecture is
301 little-endian, u16 is coded in little-endian.
303 @item u32
304 The type of unsigned 32-bit data. Because the target architecture is
305 little-endian, u32 is coded in little-endian.
307 @item u64
308 The type of unsigned 64-bit data. Because the target architecture is
309 little-endian, u64 is coded in little-endian.
310 @end table
313 @node Specification
314 @chapter The exact definitions of Multiboot Specification
316 There are three main aspects of a boot loader/OS image interface:
318 @enumerate
319 @item
320 The format of an OS image as seen by a boot loader.
322 @item
323 The state of a machine when a boot loader starts an operating
324 system.
326 @item
327 The format of information passed by a boot loader to an operating
328 system.
329 @end enumerate
331 @menu
332 * OS image format::             
333 * Machine state::               
334 * Boot information format::     
335 @end menu
338 @node OS image format
339 @section OS image format
341 An OS image may be an ordinary 32-bit executable file in the standard
342 format for that particular operating system, except that it may be
343 linked at a non-default load address to avoid loading on top of the
344 @sc{pc}'s I/O region or other reserved areas, and of course it should
345 not use shared libraries or other fancy features.
347 An OS image must contain an additional header called @dfn{Multiboot
348 header}, besides the headers of the format used by the OS image. The
349 Multiboot header must be contained completely within the first 8192
350 bytes of the OS image, and must be longword (32-bit) aligned. In
351 general, it should come @emph{as early as possible}, and may be
352 embedded in the beginning of the text segment after the @emph{real}
353 executable header.
355 @menu
356 * Header layout::               The layout of Multiboot header
357 * Header magic fields::         The magic fields of Multiboot header
358 * Header address fields::       
359 * Header graphics fields::      
360 @end menu
363 @node Header layout
364 @subsection The layout of Multiboot header
366 The layout of the Multiboot header must be as follows:
368 @multitable @columnfractions .1 .1 .2 .5
369 @item Offset @tab Type  @tab Field Name    @tab Note
370 @item 0      @tab u32 @tab magic         @tab required
371 @item 4      @tab u32 @tab flags         @tab required
372 @item 8      @tab u32 @tab checksum      @tab required
373 @item 12     @tab u32 @tab header_addr   @tab if flags[16] is set
374 @item 16     @tab u32 @tab load_addr     @tab if flags[16] is set
375 @item 20     @tab u32 @tab load_end_addr @tab if flags[16] is set
376 @item 24     @tab u32 @tab bss_end_addr  @tab if flags[16] is set
377 @item 28     @tab u32 @tab entry_addr    @tab if flags[16] is set
378 @item 32     @tab u32 @tab mode_type     @tab if flags[2] is set
379 @item 36     @tab u32 @tab width         @tab if flags[2] is set
380 @item 40     @tab u32 @tab height        @tab if flags[2] is set
381 @item 44     @tab u32 @tab depth         @tab if flags[2] is set
382 @end multitable
384 The fields @samp{magic}, @samp{flags} and @samp{checksum} are defined in
385 @ref{Header magic fields}, the fields @samp{header_addr},
386 @samp{load_addr}, @samp{load_end_addr}, @samp{bss_end_addr} and
387 @samp{entry_addr} are defined in @ref{Header address fields}, and the
388 fields @samp{mode_type}, @samp{width}, @samp{height} and @samp{depth} are
389 defind in @ref{Header graphics fields}.
392 @node Header magic fields
393 @subsection The magic fields of Multiboot header
395 @table @samp
396 @item magic
397 The field @samp{magic} is the magic number identifying the header,
398 which must be the hexadecimal value @code{0x1BADB002}.
400 @item flags
401 The field @samp{flags} specifies features that the OS image requests or
402 requires of an boot loader. Bits 0-15 indicate requirements; if the
403 boot loader sees any of these bits set but doesn't understand the flag
404 or can't fulfill the requirements it indicates for some reason, it must
405 notify the user and fail to load the OS image. Bits 16-31 indicate
406 optional features; if any bits in this range are set but the boot loader
407 doesn't understand them, it may simply ignore them and proceed as
408 usual. Naturally, all as-yet-undefined bits in the @samp{flags} word
409 must be set to zero in OS images. This way, the @samp{flags} fields
410 serves for version control as well as simple feature selection.
412 If bit 0 in the @samp{flags} word is set, then all boot modules loaded
413 along with the operating system must be aligned on page (4KB)
414 boundaries. Some operating systems expect to be able to map the pages
415 containing boot modules directly into a paged address space during
416 startup, and thus need the boot modules to be page-aligned.
418 If bit 1 in the @samp{flags} word is set, then information on available
419 memory via at least the @samp{mem_*} fields of the Multiboot information
420 structure (@pxref{Boot information format}) must be included. If the
421 boot loader is capable of passing a memory map (the @samp{mmap_*} fields)
422 and one exists, then it may be included as well.
424 If bit 2 in the @samp{flags} word is set, information about the video
425 mode table (@pxref{Boot information format}) must be available to the
426 kernel.
428 If bit 16 in the @samp{flags} word is set, then the fields at offsets
429 8-24 in the Multiboot header are valid, and the boot loader should use
430 them instead of the fields in the actual executable header to calculate
431 where to load the OS image. This information does not need to be
432 provided if the kernel image is in @sc{elf} format, but it @emph{must}
433 be provided if the images is in a.out format or in some other
434 format. Compliant boot loaders must be able to load images that either
435 are in @sc{elf} format or contain the load address information embedded
436 in the Multiboot header; they may also directly support other executable
437 formats, such as particular a.out variants, but are not required to.
439 @item checksum
440 The field @samp{checksum} is a 32-bit unsigned value which, when added
441 to the other magic fields (i.e. @samp{magic} and @samp{flags}), must
442 have a 32-bit unsigned sum of zero.
443 @end table
446 @node Header address fields
447 @subsection The address fields of Multiboot header
449 All of the address fields enabled by flag bit 16 are physical addresses.
450 The meaning of each is as follows:
452 @table @code
453 @item header_addr
454 Contains the address corresponding to the beginning of the Multiboot
455 header --- the physical memory location at which the magic value is
456 supposed to be loaded. This field serves to @dfn{synchronize} the
457 mapping between OS image offsets and physical memory addresses.
459 @item load_addr
460 Contains the physical address of the beginning of the text segment. The
461 offset in the OS image file at which to start loading is defined by the
462 offset at which the header was found, minus (header_addr -
463 load_addr). load_addr must be less than or equal to header_addr.
465 @item load_end_addr
466 Contains the physical address of the end of the data
467 segment. (load_end_addr - load_addr) specifies how much data to load.
468 This implies that the text and data segments must be consecutive in the
469 OS image; this is true for existing a.out executable formats.
470 If this field is zero, the boot loader assumes that the text and data
471 segments occupy the whole OS image file.
473 @item bss_end_addr
474 Contains the physical address of the end of the bss segment. The boot
475 loader initializes this area to zero, and reserves the memory it
476 occupies to avoid placing boot modules and other data relevant to the
477 operating system in that area. If this field is zero, the boot loader
478 assumes that no bss segment is present.
480 @item entry_addr
481 The physical address to which the boot loader should jump in order to
482 start running the operating system.
483 @end table
486 @node Header graphics fields
487 @subsection The graphics fields of Multiboot header
489 All of the graphics fields are enabled by flag bit 2. They specify the
490 preferred graphics mode. Note that that is only a @emph{recommended}
491 mode by the OS image. If the mode exists, the boot loader should set
492 it, when the user doesn't specify a mode explicitly. Otherwise, the
493 boot loader should fall back to a similar mode, if available.
495 The meaning of each is as follows:
497 @table @code
498 @item mode_type
499 Contains @samp{0} for linear graphics mode or @samp{1} for
500 EGA-standard text mode. Everything else is reserved for future
501 expansion. Note that the boot loader may set a text mode, even if this
502 field contains @samp{0}.
504 @item width
505 Contains the number of the columns. This is specified in pixels in a
506 graphics mode, and in characters in a text mode. The value zero
507 indicates that the OS image has no preference.
509 @item height
510 Contains the number of the lines. This is specified in pixels in a
511 graphics mode, and in characters in a text mode. The value zero
512 indicates that the OS image has no preference.
514 @item depth
515 Contains the number of bits per pixel in a graphics mode, and zero in
516 a text mode. The value zero indicates that the OS image has no
517 preference.
518 @end table
521 @node Machine state
522 @section Machine state
524 When the boot loader invokes the 32-bit operating system, the machine
525 must have the following state:
527 @table @samp
528 @item EAX
529 Must contain the magic value @samp{0x2BADB002}; the presence of this
530 value indicates to the operating system that it was loaded by a
531 Multiboot-compliant boot loader (e.g. as opposed to another type of
532 boot loader that the operating system can also be loaded from).
534 @item EBX
535 Must contain the 32-bit physical address of the Multiboot
536 information structure provided by the boot loader (@pxref{Boot
537 information format}).
539 @item CS
540 Must be a 32-bit read/execute code segment with an offset of @samp{0}
541 and a limit of @samp{0xFFFFFFFF}. The exact value is undefined.
543 @item DS
544 @itemx ES
545 @itemx FS
546 @itemx GS
547 @itemx SS
548 Must be a 32-bit read/write data segment with an offset of @samp{0}
549 and a limit of @samp{0xFFFFFFFF}. The exact values are all undefined.
551 @item A20 gate
552 Must be enabled.
554 @item CR0
555 Bit 31 (PG) must be cleared. Bit 0 (PE) must be set. Other bits are
556 all undefined.
558 @item EFLAGS
559 Bit 17 (VM) must be cleared. Bit 9 (IF) must be cleared. Other bits
560 are all undefined.
561 @end table
563 All other processor registers and flag bits are undefined. This
564 includes, in particular:
566 @table @samp
567 @item ESP
568 The OS image must create its own stack as soon as it needs one.
570 @item GDTR
571 Even though the segment registers are set up as described above, the
572 @samp{GDTR} may be invalid, so the OS image must not load any segment
573 registers (even just reloading the same values!) until it sets up its
574 own @samp{GDT}.
576 @item IDTR
577 The OS image must leave interrupts disabled until it sets up its own
578 @code{IDT}.
579 @end table
581 However, other machine state should be left by the boot loader in
582 @dfn{normal working order}, i.e. as initialized by the @sc{bios} (or
583 DOS, if that's what the boot loader runs from). In other words, the
584 operating system should be able to make @sc{bios} calls and such after
585 being loaded, as long as it does not overwrite the @sc{bios} data
586 structures before doing so. Also, the boot loader must leave the
587 @sc{pic} programmed with the normal @sc{bios}/DOS values, even if it
588 changed them during the switch to 32-bit mode.
591 @node Boot information format
592 @section Boot information format
594 FIXME: Split this chapter like the chapter ``OS image format''.
596 Upon entry to the operating system, the @code{EBX} register contains the
597 physical address of a @dfn{Multiboot information} data structure,
598 through which the boot loader communicates vital information to the
599 operating system. The operating system can use or ignore any parts of
600 the structure as it chooses; all information passed by the boot loader
601 is advisory only.
603 The Multiboot information structure and its related substructures may be
604 placed anywhere in memory by the boot loader (with the exception of the
605 memory reserved for the kernel and boot modules, of course). It is the
606 operating system's responsibility to avoid overwriting this memory until
607 it is done using it.
609 The format of the Multiboot information structure (as defined so far)
610 follows:
612 @example
613 @group
614         +-------------------+
615 0       | flags             |    (required)
616         +-------------------+
617 4       | mem_lower         |    (present if flags[0] is set)
618 8       | mem_upper         |    (present if flags[0] is set)
619         +-------------------+
620 12      | boot_device       |    (present if flags[1] is set)
621         +-------------------+
622 16      | cmdline           |    (present if flags[2] is set)
623         +-------------------+
624 20      | mods_count        |    (present if flags[3] is set)
625 24      | mods_addr         |    (present if flags[3] is set)
626         +-------------------+
627 28 - 40 | syms              |    (present if flags[4] or
628         |                   |                flags[5] is set)
629         +-------------------+
630 44      | mmap_length       |    (present if flags[6] is set)
631 48      | mmap_addr         |    (present if flags[6] is set)
632         +-------------------+
633 52      | drives_length     |    (present if flags[7] is set)
634 56      | drives_addr       |    (present if flags[7] is set)
635         +-------------------+
636 60      | config_table      |    (present if flags[8] is set)
637         +-------------------+
638 64      | boot_loader_name  |    (present if flags[9] is set)
639         +-------------------+
640 68      | apm_table         |    (present if flags[10] is set)
641         +-------------------+
642 72      | vbe_control_info  |    (present if flags[11] is set)
643 76      | vbe_mode_info     |
644 80      | vbe_mode          |
645 82      | vbe_interface_seg |
646 84      | vbe_interface_off |
647 86      | vbe_interface_len |
648         +-------------------+
649 @end group
650 @end example
652 The first longword indicates the presence and validity of other fields
653 in the Multiboot information structure. All as-yet-undefined bits must
654 be set to zero by the boot loader. Any set bits that the operating
655 system does not understand should be ignored. Thus, the @samp{flags}
656 field also functions as a version indicator, allowing the Multiboot
657 information structure to be expanded in the future without breaking
658 anything.
660 If bit 0 in the @samp{flags} word is set, then the @samp{mem_*} fields
661 are valid. @samp{mem_lower} and @samp{mem_upper} indicate the amount of
662 lower and upper memory, respectively, in kilobytes. Lower memory starts
663 at address 0, and upper memory starts at address 1 megabyte. The maximum
664 possible value for lower memory is 640 kilobytes. The value returned for
665 upper memory is maximally the address of the first upper memory hole
666 minus 1 megabyte. It is not guaranteed to be this value.
668 If bit 1 in the @samp{flags} word is set, then the @samp{boot_device}
669 field is valid, and indicates which @sc{bios} disk device the boot
670 loader loaded the OS image from. If the OS image was not loaded from a
671 @sc{bios} disk, then this field must not be present (bit 3 must be
672 clear). The operating system may use this field as a hint for
673 determining its own @dfn{root} device, but is not required to. The
674 @samp{boot_device} field is laid out in four one-byte subfields as
675 follows:
677 @example
678 @group
679 +-------+-------+-------+-------+
680 | drive | part1 | part2 | part3 |
681 +-------+-------+-------+-------+
682 @end group
683 @end example
685 The first byte contains the @sc{bios} drive number as understood by the
686 @sc{bios} INT 0x13 low-level disk interface: e.g. 0x00 for the first
687 floppy disk or 0x80 for the first hard disk.
689 The three remaining bytes specify the boot partition. @samp{part1}
690 specifies the @dfn{top-level} partition number, @samp{part2} specifies a
691 @dfn{sub-partition} in the top-level partition, etc. Partition numbers
692 always start from zero. Unused partition bytes must be set to 0xFF. For
693 example, if the disk is partitioned using a simple one-level DOS
694 partitioning scheme, then @samp{part1} contains the DOS partition
695 number, and @samp{part2} and @samp{part3} are both 0xFF. As another
696 example, if a disk is partitioned first into DOS partitions, and then
697 one of those DOS partitions is subdivided into several BSD partitions
698 using BSD's @dfn{disklabel} strategy, then @samp{part1} contains the DOS
699 partition number, @samp{part2} contains the BSD sub-partition within
700 that DOS partition, and @samp{part3} is 0xFF.
702 DOS extended partitions are indicated as partition numbers starting from
703 4 and increasing, rather than as nested sub-partitions, even though the
704 underlying disk layout of extended partitions is hierarchical in
705 nature. For example, if the boot loader boots from the second extended
706 partition on a disk partitioned in conventional DOS style, then
707 @samp{part1} will be 5, and @samp{part2} and @samp{part3} will both be
708 0xFF.
710 If bit 2 of the @samp{flags} longword is set, the @samp{cmdline} field
711 is valid, and contains the physical address of the command line to
712 be passed to the kernel. The command line is a normal C-style
713 zero-terminated string.
715 If bit 3 of the @samp{flags} is set, then the @samp{mods} fields
716 indicate to the kernel what boot modules were loaded along with the
717 kernel image, and where they can be found. @samp{mods_count} contains
718 the number of modules loaded; @samp{mods_addr} contains the physical
719 address of the first module structure. @samp{mods_count} may be zero,
720 indicating no boot modules were loaded, even if bit 1 of @samp{flags} is
721 set. Each module structure is formatted as follows:
723 @example
724 @group
725         +-------------------+
726 0       | mod_start         |
727 4       | mod_end           |
728         +-------------------+
729 8       | string            |
730         +-------------------+
731 12      | reserved (0)      |
732         +-------------------+
733 @end group
734 @end example
736 The first two fields contain the start and end addresses of the boot
737 module itself. The @samp{string} field provides an arbitrary string to
738 be associated with that particular boot module; it is a zero-terminated
739 ASCII string, just like the kernel command line. The @samp{string} field
740 may be 0 if there is no string associated with the module. Typically the
741 string might be a command line (e.g. if the operating system treats boot
742 modules as executable programs), or a pathname (e.g. if the operating
743 system treats boot modules as files in a file system), but its exact use
744 is specific to the operating system. The @samp{reserved} field must be
745 set to 0 by the boot loader and ignored by the operating system.
747 @strong{Caution:} Bits 4 & 5 are mutually exclusive.
749 If bit 4 in the @samp{flags} word is set, then the following fields in
750 the Multiboot information structure starting at byte 28 are valid:
752 @example
753 @group
754         +-------------------+
755 28      | tabsize           |
756 32      | strsize           |
757 36      | addr              |
758 40      | reserved (0)      |
759         +-------------------+
760 @end group
761 @end example
763 These indicate where the symbol table from an a.out kernel image can be
764 found. @samp{addr} is the physical address of the size (4-byte unsigned
765 long) of an array of a.out format @dfn{nlist} structures, followed
766 immediately by the array itself, then the size (4-byte unsigned long) of
767 a set of zero-terminated @sc{ascii} strings (plus sizeof(unsigned long) in
768 this case), and finally the set of strings itself. @samp{tabsize} is
769 equal to its size parameter (found at the beginning of the symbol
770 section), and @samp{strsize} is equal to its size parameter (found at
771 the beginning of the string section) of the following string table to
772 which the symbol table refers. Note that @samp{tabsize} may be 0,
773 indicating no symbols, even if bit 4 in the @samp{flags} word is set.
775 If bit 5 in the @samp{flags} word is set, then the following fields in
776 the Multiboot information structure starting at byte 28 are valid:
778 @example
779 @group
780         +-------------------+
781 28      | num               |
782 32      | size              |
783 36      | addr              |
784 40      | shndx             |
785         +-------------------+
786 @end group
787 @end example
789 These indicate where the section header table from an ELF kernel is, the
790 size of each entry, number of entries, and the string table used as the
791 index of names. They correspond to the @samp{shdr_*} entries
792 (@samp{shdr_num}, etc.) in the Executable and Linkable Format (@sc{elf})
793 specification in the program header. All sections are loaded, and the
794 physical address fields of the @sc{elf} section header then refer to where
795 the sections are in memory (refer to the i386 @sc{elf} documentation for
796 details as to how to read the section header(s)). Note that
797 @samp{shdr_num} may be 0, indicating no symbols, even if bit 5 in the
798 @samp{flags} word is set.
800 If bit 6 in the @samp{flags} word is set, then the @samp{mmap_*} fields
801 are valid, and indicate the address and length of a buffer containing a
802 memory map of the machine provided by the @sc{bios}. @samp{mmap_addr} is
803 the address, and @samp{mmap_length} is the total size of the buffer. The
804 buffer consists of one or more of the following size/structure pairs
805 (@samp{size} is really used for skipping to the next pair):
807 @example
808 @group
809         +-------------------+
810 -4      | size              |
811         +-------------------+
812 0       | base_addr_low     |
813 4       | base_addr_high    |
814 8       | length_low        |
815 12      | length_high       |
816 16      | type              |
817         +-------------------+
818 @end group
819 @end example
821 where @samp{size} is the size of the associated structure in bytes, which
822 can be greater than the minimum of 20 bytes. @samp{base_addr_low} is the
823 lower 32 bits of the starting address, and @samp{base_addr_high} is the
824 upper 32 bits, for a total of a 64-bit starting address. @samp{length_low}
825 is the lower 32 bits of the size of the memory region in bytes, and
826 @samp{length_high} is the upper 32 bits, for a total of a 64-bit
827 length. @samp{type} is the variety of address range represented, where a
828 value of 1 indicates available @sc{ram}, and all other values currently
829 indicated a reserved area.
831 The map provided is guaranteed to list all standard @sc{ram} that should
832 be available for normal use.
834 If bit 7 in the @samp{flags} is set, then the @samp{drives_*} fields
835 are valid, and indicate the address of the physical address of the first
836 drive structure and the size of drive structures. @samp{drives_addr}
837 is the address, and @samp{drives_length} is the total size of drive
838 structures. Note that @samp{drives_length} may be zero. Each drive
839 structure is formatted as follows:
841 @example
842 @group
843         +-------------------+
844 0       | size              |
845         +-------------------+
846 4       | drive_number      |
847         +-------------------+
848 5       | drive_mode        |
849         +-------------------+
850 6       | drive_cylinders   |
851 8       | drive_heads       |
852 9       | drive_sectors     |
853         +-------------------+
854 10 - xx | drive_ports       |
855         +-------------------+
856 @end group
857 @end example
859 The @samp{size} field specifies the size of this structure. The size
860 varies, depending on the number of ports. Note that the size may not be
861 equal to (10 + 2 * the number of ports), because of an alignment.
863 The @samp{drive_number} field contains the BIOS drive number. The
864 @samp{drive_mode} field represents the access mode used by the boot
865 loader. Currently, the following modes are defined:
867 @table @samp
868 @item 0
869 CHS mode (traditional cylinder/head/sector addressing mode).
871 @item 1
872 LBA mode (Logical Block Addressing mode).
873 @end table
875 The three fields, @samp{drive_cylinders}, @samp{drive_heads} and
876 @samp{drive_sectors}, indicate the geometry of the drive detected by the
877 @sc{bios}. @samp{drive_cylinders} contains the number of the
878 cylinders. @samp{drive_heads} contains the number of the
879 heads. @samp{drive_sectors} contains the number of the sectors per
880 track.
882 The @samp{drive_ports} field contains the array of the I/O ports used
883 for the drive in the @sc{bios} code. The array consists of zero or more
884 unsigned two-bytes integers, and is terminated with zero. Note that the
885 array may contain any number of I/O ports that are not related to the
886 drive actually (such as @sc{dma} controller's ports).
888 If bit 8 in the @samp{flags} is set, then the @samp{config_table} field
889 is valid, and indicates the address of the @sc{rom} configuration table
890 returned by the @dfn{GET CONFIGURATION} @sc{bios} call. If the @sc{bios}
891 call fails, then the size of the table must be @emph{zero}.
893 If bit 9 in the @samp{flags} is set, the @samp{boot_loader_name} field
894 is valid, and contains the physical address of the name of a boot
895 loader booting the kernel. The name is a normal C-style zero-terminated
896 string.
898 If bit 10 in the @samp{flags} is set, the @samp{apm_table} field is
899 valid, and contains the physical address of an @sc{apm} table defined as
900 below:
902 @example
903 @group
904         +----------------------+
905 0       | version              |
906 2       | cseg                 |
907 4       | offset               |
908 8       | cseg_16              |
909 10      | dseg                 |
910 12      | flags                |
911 14      | cseg_len             |
912 16      | cseg_16_len          |
913 18      | dseg_len             |
914         +----------------------+
915 @end group
916 @end example
918 The fields @samp{version}, @samp{cseg}, @samp{offset}, @samp{cseg_16},
919 @samp{dseg}, @samp{flags}, @samp{cseg_len}, @samp{cseg_16_len},
920 @samp{dseg_len} indicate the version number, the protected mode 32-bit
921 code segment, the offset of the entry point, the protected mode 16-bit
922 code segment, the protected mode 16-bit data segment, the flags, the
923 length of the protected mode 32-bit code segment, the length of the
924 protected mode 16-bit code segment, and the length of the protected mode
925 16-bit data segment, respectively. Only the field @samp{offset} is 4
926 bytes, and the others are 2 bytes. See
927 @uref{http://www.microsoft.com/hwdev/busbios/amp_12.htm, Advanced Power
928 Management (APM) BIOS Interface Specification}, for more information.
930 If bit 11 in the @samp{flags} is set, the graphics table is available.
931 This must only be done if the kernel has indicated in the
932 @samp{Multiboot Header} that it accepts a graphics mode.
934 The fields @samp{vbe_control_info} and @samp{vbe_mode_info} contain
935 the physical addresses of @sc{vbe} control information returned by the
936 @sc{vbe} Function 00h and @sc{vbe} mode information returned by the
937 @sc{vbe} Function 01h, respectively.
939 The field @samp{vbe_mode} indicates current video mode in the format
940 specified in @sc{vbe} 3.0.
942 The rest fields @samp{vbe_interface_seg}, @samp{vbe_interface_off}, and
943 @samp{vbe_interface_len} contain the table of a protected mode interface
944 defined in @sc{vbe} 2.0+. If this information is not available, those
945 fields contain zero. Note that @sc{vbe} 3.0 defines another protected
946 mode interface which is incompatible with the old one. If you want to
947 use the new protected mode interface, you will have to find the table
948 yourself.
950 The fields for the graphics table are designed for @sc{vbe}, but
951 Multiboot boot loaders may simulate @sc{vbe} on non-@sc{vbe} modes, as
952 if they were @sc{vbe} modes.
955 @node Examples
956 @chapter Examples
958 @strong{Caution:} The following items are not part of the specification
959 document, but are included for prospective operating system and boot
960 loader writers.
962 @menu
963 * Notes on PC::                 
964 * BIOS device mapping techniques::  
965 * Example OS code::             
966 * Example boot loader code::    
967 @end menu
970 @node Notes on PC
971 @section Notes on PC
973 In reference to bit 0 of the @samp{flags} parameter in the Multiboot
974 information structure, if the bootloader in question uses older
975 @sc{bios} interfaces, or the newest ones are not available (see
976 description about bit 6), then a maximum of either 15 or 63 megabytes of
977 memory may be reported. It is @emph{highly} recommended that boot
978 loaders perform a thorough memory probe.
980 In reference to bit 1 of the @samp{flags} parameter in the Multiboot
981 information structure, it is recognized that determination of which
982 @sc{bios} drive maps to which device driver in an operating system is
983 non-trivial, at best. Many kludges have been made to various operating
984 systems instead of solving this problem, most of them breaking under
985 many conditions. To encourage the use of general-purpose solutions to
986 this problem, there are 2 @sc{bios} device mapping techniques
987 (@pxref{BIOS device mapping techniques}). 
989 In reference to bit 6 of the @samp{flags} parameter in the Multiboot
990 information structure, it is important to note that the data structure
991 used there (starting with @samp{BaseAddrLow}) is the data returned by
992 the INT 15h, AX=E820h --- Query System Address Map call. See @xref{Query
993 System Address Map, , Query System Address Map, grub.info, The GRUB
994 Manual}, for more information. The interface here is meant to allow a
995 boot loader to work unmodified with any reasonable extensions of the
996 @sc{bios} interface, passing along any extra data to be interpreted by
997 the operating system as desired.
1000 @node BIOS device mapping techniques
1001 @section BIOS device mapping techniques
1003 Both of these techniques should be usable from any PC operating system,
1004 and neither require any special support in the drivers themselves. This
1005 section will be flushed out into detailed explanations, particularly for
1006 the I/O restriction technique.
1008 The general rule is that the data comparison technique is the quick and
1009 dirty solution. It works most of the time, but doesn't cover all the
1010 bases, and is relatively simple.
1012 The I/O restriction technique is much more complex, but it has potential
1013 to solve the problem under all conditions, plus allow access of the
1014 remaining @sc{bios} devices when not all of them have operating system
1015 drivers.
1017 @menu
1018 * Data comparison technique::   
1019 * I/O restriction technique::   
1020 @end menu
1023 @node Data comparison technique
1024 @subsection Data comparison technique
1026 Before activating @emph{any} of the device drivers, gather enough data
1027 from similar sectors on each of the disks such that each one can be
1028 uniquely identified.
1030 After activating the device drivers, compare data from the drives using
1031 the operating system drivers. This should hopefully be sufficient to
1032 provide such a mapping.
1034 Problems:
1036 @enumerate
1037 @item
1038 The data on some @sc{bios} devices might be identical (so the part
1039 reading the drives from the @sc{bios} should have some mechanism to give
1040 up).
1042 @item
1043 There might be extra drives not accessible from the @sc{bios} which are
1044 identical to some drive used by the @sc{bios} (so it should be capable
1045 of giving up there as well).
1046 @end enumerate
1049 @node I/O restriction technique
1050 @subsection I/O restriction technique
1052 This first step may be unnecessary, but first create copy-on-write
1053 mappings for the device drivers writing into @sc{pc} @sc{ram}. Keep the
1054 original copies for the @dfn{clean @sc{bios} virtual machine} to be
1055 created later.
1057 For each device driver brought online, determine which @sc{bios} devices
1058 become inaccessible by:
1060 @enumerate
1061 @item
1062 Create a @dfn{clean @sc{bios} virtual machine}.
1064 @item
1065 Set the I/O permission map for the I/O area claimed by the device driver
1066 to no permissions (neither read nor write).
1068 @item
1069 Access each device.
1071 @item
1072 Record which devices succeed, and those which try to access the
1073 @dfn{restricted} I/O areas (hopefully, this will be an @dfn{xor}
1074 situation).
1075 @end enumerate
1077 For each device driver, given how many of the @sc{bios} devices were
1078 subsumed by it (there should be no gaps in this list), it should be easy
1079 to determine which devices on the controller these are.
1081 In general, you have at most 2 disks from each controller given
1082 @sc{bios} numbers, but they pretty much always count from the lowest
1083 logically numbered devices on the controller.
1086 @node Example OS code
1087 @section Example OS code
1089 In this distribution, the example Multiboot kernel @file{kernel} is
1090 included. The kernel just prints out the Multiboot information structure
1091 on the screen, so you can make use of the kernel to test a
1092 Multiboot-compliant boot loader and for reference to how to implement a
1093 Multiboot kernel. The source files can be found under the directory
1094 @file{docs} in the GRUB distribution.
1096 The kernel @file{kernel} consists of only three files: @file{boot.S},
1097 @file{kernel.c} and @file{multiboot.h}. The assembly source
1098 @file{boot.S} is written in GAS (@pxref{Top, , GNU assembler, as.info,
1099 The GNU assembler}), and contains the Multiboot information structure to
1100 comply with the specification. When a Multiboot-compliant boot loader
1101 loads and execute it, it initialize the stack pointer and @code{EFLAGS},
1102 and then call the function @code{cmain} defined in @file{kernel.c}. If
1103 @code{cmain} returns to the callee, then it shows a message to inform
1104 the user of the halt state and stops forever until you push the reset
1105 key. The file @file{kernel.c} contains the function @code{cmain},
1106 which checks if the magic number passed by the boot loader is valid and
1107 so on, and some functions to print messages on the screen. The file
1108 @file{multiboot.h} defines some macros, such as the magic number for the
1109 Multiboot header, the Multiboot header structure and the Multiboot
1110 information structure.
1112 @menu
1113 * multiboot.h::                 
1114 * boot.S::                      
1115 * kernel.c::                    
1116 * Other Multiboot kernels::     
1117 @end menu
1120 @node multiboot.h
1121 @subsection multiboot.h
1123 This is the source code in the file @file{multiboot.h}:
1125 @example
1126 @include multiboot.h.texi
1127 @end example
1130 @node boot.S
1131 @subsection boot.S
1133 In the file @file{boot.S}:
1135 @example
1136 @include boot.S.texi
1137 @end example
1140 @node kernel.c
1141 @subsection kernel.c
1143 And, in the file @file{kernel.c}:
1145 @example
1146 @include kernel.c.texi
1147 @end example
1150 @node Other Multiboot kernels
1151 @subsection Other Multiboot kernels
1153 Other useful information should be available in Multiboot kernels, such
1154 as GNU Mach and Fiasco @url{http://os.inf.tu-dresden.de/fiasco/}. And,
1155 it is worth mentioning the OSKit
1156 @url{http://www.cs.utah.edu/projects/flux/oskit/}, which provides a
1157 library supporting the specification.
1160 @node Example boot loader code
1161 @section Example boot loader code
1163 The GNU GRUB (@pxref{Top, , GRUB, grub.info, The GRUB manual}) project
1164 is a full Multiboot-compliant boot loader, supporting all required and
1165 optional features present in this specification. A public release has
1166 not been made, but the test release is available from:
1168 @url{ftp://alpha.gnu.org/gnu/grub}
1170 See the webpage @url{http://www.gnu.org/software/grub/grub.html}, for
1171 more information.
1174 @node History
1175 @chapter The change log of this specification
1177 @table @asis
1178 @item 0.7
1179 @itemize @bullet
1180 @item
1181 @dfn{Multiboot Standard} is renamed to @dfn{Multiboot Specification}.
1183 @item
1184 Graphics fields are added to Multiboot header.
1186 @item
1187 BIOS drive information, BIOS configuration table, the name of a boot
1188 loader, APM information, and graphics information are added to Multiboot
1189 information.
1191 @item
1192 Rewritten in Texinfo format.
1194 @item
1195 Rewritten, using more strict words.
1197 @item
1198 The maintainer changes to the GNU GRUB maintainer team
1199 @email{bug-grub@@gnu.org}, from Bryan Ford and Erich Stefan Boleyn.
1200 @end itemize
1202 @item 0.6
1203 @itemize @bullet
1204 @item
1205 A few wording changes.
1207 @item
1208 Header checksum.
1210 @item
1211 Clasification of machine state passed to an operating system.
1212 @end itemize
1214 @item 0.5
1215 @itemize @bullet
1216 @item
1217 Name change.
1218 @end itemize
1220 @item 0.4
1221 @itemize @bullet
1222 @item
1223 Major changes plus HTMLification.
1224 @end itemize
1225 @end table
1228 @node Index
1229 @unnumbered Index
1231 @printindex cp
1233 @contents
1234 @bye