doc/Chapter2-boot

   1 Chapter 2   操作系统的引导
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   3 这一章节讲解了操作系统的引导部分。 本章一开始描述了开机键一按之后的内幕， 如何加载到正确的内核。
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   5 2.1 计算机的启动
   6 不知大家有没有想过， 我们一按计算机开关， 计算机内部都做了些什么？ 当然， 结果可想而知， 如果正常， 我们将进入操作系统（linux或是windows). 但计算机是如何找到操作系统的， 特别是当我们安装了多操作系统的时候， 如在第一个分区安装windows, 在第二个分区安装linux. 要回答这个问题， 我们就得从开机时计算机都做了些什么说起。
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   8 当开机键一按时， 一种特殊硬件会触发一个RESET信号， 当CPU一收到该信号时， 某些寄存器就被设为些固定的值， 此时就位于内存0xfffffff0处的代码就会被执行， 这就是大家常说的BIOS代码所在的位置。 这时就完成了控制权的第一次交接， 此时BIOS就会执行一系统的硬件检测， 以使那些必需的设备能正常工作， 这就是所谓的POST（power-on self-test)， 接着就是初始化那些设备， 之后便是寻找可启动的设备（第一个扇区的末尾两字节是0x55AA)， 若找着了， 它就将完成BIOS所要做的最后一件事情，那就是读取该设备的第一个扇区（512B， 光盘是2K）到内存地址0x7c00， 并跳转到该地址继续执行。 这便完成了第二次控制权的交接。
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  10 理论上， 到此， 操作系统已获得了绝对的控制权。 然而， 这仅当我们从软盘启动时才是这么回事。对于其它设备， 如硬盘等， 就相对复杂了， 还有个第三次控制权的交接。
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  12 这么说， 磁盘设备的第一个扇区叫做引导扇区（bootsector），存储着引导操作系统的代码。对于软盘来说， 仅有一个这样的扇区， 所以， 它的内容也就很简单， 做些初始化， 把内核加载到适当的内存地址，并跳转到那执行， 之后操作系统就起来了。 但对于硬盘来说， 情况相对复杂， 这里仅作简述， 更多的内容可以参考些硬盘技术相当的文档。 情况复杂在哪呢， 硬盘是有分区的， 而软盘是没有的。 也就是说一个硬盘里面可以装载很多个系统， 但就仅仅512字节的一个扇区是不足以把所有的系统都加载进内存的。 所以， 最终的情况就是这样， 硬盘的第一个扇区称为主引导扇区（Master Boot Record), 简称MBR， 而每个分区的第一个扇区才是刚才所说的引导扇区。 所以， 对于硬盘来说， 当BIOS把MBR读入内存时， 那段MBR的就会把第一个可引导分区的引导扇区读了内存， 然后由那刚读了的512字节进行操作系统的初始化与加载。 那MBR如何能找着正确的分区并启动该分区的操作系统呢？ 那是因为在MBR的512字节中， 有64字节记载着4个主分区的分区情况， 如这个扇区是否能引导（第一个扇区有无引导标志－－0x80)， 该分区的从第几个扇区开始， 第几个扇区结束等等， 所以， MBR就会读取第一个可引导分区的引导扇区， 读取并跳转到那执行完成操作系统的加载。 或许你还会回， 这并没有解决多个操作系统的选择与引导呀？ 是的， 这就是那些bootloader做的事情了， 现最常用的有grub[GRUB]和syslinux[Syslinux]等等。 当然， 这里也不再作描述， 不过， 关于其原理与实现， 可参考其官网， 并且它们都是开源软件。
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  15 2.2 引导扇区（bootsetcor)
  16 鉴于硬盘的复杂度， 我们这里仅以软盘作为例子。 引导扇区的任务很明确， 尽可能的做些初始化操作， 尽可能的把内核加载进内存并跳转到那执行。 然后， 我之后以会说‘尽可能的’， 那是因为， 仅小小的512字节 很难完成这如此多的操作， 其实， 并没有512字节， 最起码得扣除那两个引导标志， 更者， 对于硬盘来说仅有440不到的字节。  所以， 通过来说， bootsector并不会把内核加载进内存， 而是把一些初始化的代码加进内存， 而由这些代码再把进行更多的初始化操作与内核加载， 这相对更容易些， 因为此时没有512的限制了。 Thunix也是这么做的。
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  18 2.3 最微型的操作系统的实现
  19 前面讲了这么多关于理论的东西，是时候写些代码了。 就如前面所讲， 我们仅需要在软盘的第一个扇区写上一些简短的代码，并保证第一个扇区的最后俩字节来0x55AA就行了。 下面就是全部的代码， 要理解这些代码， 你得需要些简单的x86汇编语言知识， 并了解些AT＆T格式的汇编（若不知道， 也不要紧， 你只需要把操作数的顺序换一下就可以了， 如Intel格式 mov ax, bx 对应的AT&T格式 movw %bx, %ax， 相信你能看出区别来）， 以及一些常见的vm使用， 如bochs, qemu, 当然vmware也行。 这里我选择bochs，因为它很方便， 也很轻轻便，当然， bochs最麻烦的就是它得有个配置文件 ， 关于配置文件， 可参考些bochs文档。 最后， 我使的环境是32位linux(Fedora, SuSE..., 都可以）， 原因很简单， linux简直就是开发者的天堂。
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  21 --------------------------CODE--------------------------------
  22 #
  23 # Print A char 'a'
  24 #
  25         movb $0x0e, %ah
  26         movb $0x61, %al   # print 'a', ASCII 0x61
  27         movb $0x0f, %bh
  28         movb $0x00, %bl
  29         int $0x10         # BIOS int, it will echo a char at the screen
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  31 hang:
  32         jmp hang          # The OS stops here
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  34 .org 0x1fe, 0x90          # Fill the blank with 0x90, the NOP instruction
  35 .word 0xaa55              # bootsector flag
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  38 This is it. 赶紧 make && make bochs 吧（之后便会附上Makefile）。 我不知道谁还能找到比这更简单的！ 功能很简单， 就是在通过调用0x10 BIOS中断[BISO INT]在屏幕上打印一个字符 'a'. 但， 它没有依赖于任何一个平台， 没有依赖于任何一个库函数， 所以，从某种意义上来说， 这是个操作系统， 只不过功能很简单， 什么事都不做， 只打印一个字符。
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  40 －－－－－－－－－－－－附上 Makefile －－－－－－－－－－－－－－－－－
  41 all: boot.img
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  43 boot.o: boot.s
  44         as -o boot.o boot.s
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  46 boot.img: boot.o
  47         ld --oformat binary -N -e start -Ttext 0x7c00 -o boot.img boot.o
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  50 bochs:
  51         bochs -qf bochsrc
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  53 clean:
  54         rm -rf *.o *.img *.txt
  55 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
  56 简单来说， Makefile定义了些编译规则， 这会告诉编译器对什么样的文件该进行什么样的操作， 什么文件需要编译， 而哪些又不需要编译， 使得再大的一个工程都可以通过敲击make这么一命令完成编译， 如linux内核的编译仅需make config && make， 之后便可以得到可启动的linux内核image。
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  58 如上面的Makefile， all: boot.img表示我们最终要生成的目标是boot.img（不过，注意的是all，不是Makefile里的关键字），
  59 boot.o: boot.s
  60         as -o boot.o boot.s
  61 表示对boot.s编译， 生成结果为boot.o， 注意， 在as（也即命令之前是一个TAB， 不能用8个空格代替）。 冒号之前表示目标， 之后的表示用于生成这些目标的源， 或叫依赖， 下面的便是用于生成目标的命令。 有些目标 可以不使用任何源依, 如bochs， 表示这可以通过 make bochs 命令运行， 如make clean将会做些清除工作， 等等。 关于Makefile就简单介绍到这， 可查看make[make]相关文档获得更详细的内容。
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  64 2.4 实用的bootsector引导代码
  65 现在对上面所讲的做个小结， 就如以下流程图所表示：
  66 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
  67         开机, CPU收到RESET信号， 跳到BIOS处
  68                  ｜
  69                  ｜
  70 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
  71         |       POST
  72         |        ｜
  73         |    设备初始化
  74         |        ｜           没有
  75         |    引导设备检测   ------> 显示没有可引导设备， 并死机
  76 BIOS    |        ｜
  77         |      有｜
  78         |        ｜
  79         | 读取引导扇区到内存地址0x7c00, 并跳转到此处执行
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  81         |        ｜
  82 boot    |        ｜
  83 sector  |初始化， 如初始化cs, ds, ss, sp等寄存器
  84         |载入内核至指定的内存， 并跳转到此处执行
  85         |        ｜
  86 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
  87         |系统已经跑起来了
  88 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
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  90 2.4.1 初始化
  91 对于一个简单的bootsctor来说， 初始化很简单， 只包括些主要段寄存器的设置， 堆栈的建立。 简要代码如下：
  92         movw $0x00, %ax
  93         movw %ax,   %ds
  94         movw %ax,   %ss
  95         movw $0x7c00, %sp
  96 当然， 也可以通过BIOS 0x10 0号中断初始化输出屏模式设置, 详情请参考BISO_int_0x10[INT 0x10]
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  98 2.4.2 加载内核
  99 对于一个bootsector来说， 最主要的使命就是把内核加载到内存。 对于磁盘的读取， 又得依靠于BIOS的读扇区中断，
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 101 INT 13h［INT 0x13] AH=02h: 读扇区中断
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 103 参数 :
 104 AH      02h
 105 AL      要断的扇区数
 106 CH      磁道(Track)
 107 CL      扇区号(Sector)
 108 DH      磁头号(Head)
 109 DL      驱动器标码(Drive), 0x0 为软盘， 0x80为硬盘
 110 ES:BX   buffer地址
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 112 结果 :
 113 CF      置位表示出错， 反之表示成功
 114 AH      返回码
 115 AL      实际扇区所读数
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 117 所以， 实际的代码可能像这样子（只含读扇区代码）：
 118                 ## in:  ax:     LBA address, starts from 0
 119                 ## es:bx address for reading sector
 120 read_sect:
 121                 pushw   %ax
 122                 pushw   %cx
 123                 pushw   %dx
 124                 pushw   %bx
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 126                 movw    %si,    %ax
 127                 xorw    %dx,    %dx
 128                 movw    $18,    %bx     # 18 sectors per track
 129                                         # for floppy disk
 130                 divw    %bx
 131                 incw    %dx
 132                 movb    %dl,    %cl     # cl=sector number
 133                 xorw    %dx,    %dx
 134                 movw    $2,     %bx     # 2 headers per track
 135                                         # for floppy disk
 136                 divw    %bx
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 138                 movb    %dl,    %dh     # head
 139                 xorb    %dl,    %dl     # driver
 140                 movb    %al,    %ch     # cylinder
 141                 popw    %bx             # save to es:bx
 142 rp_read:
 143                 movb    $0x1,   %al     # read 1 sector
 144                 movb    $0x2,   %ah
 145                 int     $0x13
 146                 jc      rp_read
 147                 popw    %dx
 148                 popw    %cx
 149                 popw    %ax
 150                 ret
 151 这里有两个要注意的地方： 第一， 很明显， 这里对某些寄存器值做了保护操作， 值得注意的就是出栈时的顺序与进栈时相反。 第二， 我们这里传给ax的值是以LBA(Logical Block Address）方式取址， 而不是CHS模式， 所以在调用int 0x13之前， 必需做个转换。 关于LBA以及LBA与CHS的转换可参考该文[LBA to CHS]。至于你想把你的内核加载到内存哪个地址， 你仅需把该值设给ES:BX即可， 值得注意的就是小心把BIOS给覆盖掉了， BIOS位于从0开始的第1K字节。
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 153 2.5 跳转到内核
 154 假如上一步已经把内核加载到了内存地址0x1000, 那么下面的指令就会跳转到那， 并执行刚载入的内核。
 155         ljmp $0x00, $0x1000
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 157 2.6 小结
 158 至此， 一个功能完整的bootsector就算完成了， 它可以加载相应的内核到你所想要的任何内存地址（理论上是的）， 也可以跳转到那执行内核。
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