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Linux0.12内核源码解读(2)-Bootsect.S

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大家好,我是呼噜噜,在上一篇文章聊聊x86计算机启动发生的事?我们了解了x86计算机启动过程,MBR、0x7c00是什么?其中当bios引导结束后,操作系统接过计算机的控制权后,发生了哪些事?本文将揭开迷雾的序章-Bootsect.S
回顾计算机启动过程

我们先来回顾一下,上古时期计算机按下电源键的启动过程,这里以8086架构为例:

8086、80x86是什么意思?

有许多人不知道 经常遇到的8086、80x86是什么意思?我们简单科普一下:

  • 8086是Intel公司推出的最早,也是最流行的面向个人电脑的CPU型号
  • x86泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的中央处理器指令集架构,由于以“86”作为结尾,因此其架构被称为"x86"
  • 80x86也就是在8086基础上的增强版,包括80286,80386,80486,其后面就是我们所熟悉的奔腾、酷睿、i5、i7等等
寄存器初始化CS:IP

相比于上一篇文章聊聊x86计算机启动发生的事,我们这里再讲细致点,当计算机一按下电源后,8086CPU就处于实模式的状态,此时会将CPU的寄存器初始化为CS=0xFFFF;IP=0x0000,也就是实际物理地址0xFFFF0(CS左移4位+IP)
CS : 代码段寄存器;IP : 指令指针寄存器。CS:IP指向的内容 会被CPU当做计算机指令去执行
那么从地址0xFFFF0中取出来的指令是什么?我们知道当电路通电后,内存是一片空白的,内存断电后 数据是无法保存的,所以BIOS程序需要事先被刷入只读存储器ROM中。物理地址0xFFFF0就是指向这样一段BIOS ROM
CPU是如何和ROM相连的?

那么问题又来了,CPU是如何和ROM相连的?CPU 不仅和ROM相连,还和RAM(俗称内存),IO接口等设备相连,他们是通过总线相连。还好当时笔者将计算机组成原理好好复习了一遍,不然这部分真挺难理解的。

总线是贯穿整个系统的是一组电子管道,是连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输介质,称作总线,它携带信息字节并负责在各个计算机部件间传递
总线按系统总线传输信息内容的不同,又可以分为3 种:数据总线、地址总线和控制总线。我们这里用到的就是地址总线,把 0xFFFF0 作为 CPU 的地址总线信号传输出去,去这个地址总线对应的位置处找
由于计算机有多个设备,必然会存在多个设备同时竞争总线控制权的问题,这时候就需要总线仲裁,让某个设备优先获得总线控制权,获得了总线控制权的设备,才能开始传送数据。未获胜的设备只能等待获胜的设备处理完成后才能执行。
我们简单总结一下:当总线仲裁器仲裁通过后,CPU可以依靠地址总线寻址,找到对应设备ROM上地址0xFFFF0处的内容。
拓展可见:什么是计算机中的高速公路-总线?
加载MBR到内存中

当BIOS自检完成,设置启动顺序后,利用 BIOS 的输入功能将启动磁盘的启动扇区MBR(也叫第一扇区,主引导记录)的内容原封不动地搬到内存的0x7C00地址处,并设置CPU寄存器CS=0x07C0,IP=0x0000。到这一步,计算机的控制权将交到操作系统手中!
为什么是0x7C00这个地址?如何得出?别再问了,本文不再解释了,具体看笔者的上一篇文章聊聊x86计算机启动发生的事

对于Linux0.12来说,第一个程序Bootsect.S 编译成二进制后,需要事先放到主引导记录MBR中,MBR大小就是一个扇区的大小512字节,如果这512字节的最后两个字节是0x55AA,表明这个设备可以用于启动。只有这样我们BIOS才能识别它,才能把bootsect.S加载到内存中。
如果不是0x55和0xAA,表明设备不能用于启动,控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。如果到最后还是没找到符合条件的,直接报出一个无启动区的error。
下面我们看下操作系统编译后,存放在储存设备(硬盘)的模块分布:

先简单介绍一下,不必深究,后续文章会娓娓道来:

  • bootsect.s的主要作用就是加载操作系统,把操作系统从硬盘中,加载到内存里去
  • setup.s的主要作用:首先获得光标,内存,显卡,磁盘等硬件参数存放在内存空间中,方便后续程序使用;临时建立gdt、idt表,并且从实模式进入到了保护模式
  • 在linux0.12源码,boot目录下还有一个head.s,在上图中被归于system模块,属于操作系统主体文件,主要是进行进入保护模式之后的初始化工作
  • system模块:就是操作系统的主体,比如文件系统,IO,进程等模块。 Linux0.12 内核 system 模块大约占随后的 260 个扇区。
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bootsect.S具体干了什么?

bootsect的主要作用就是加载操作系统,把操作系统从硬盘中,加载到内存里去,我们下面结合bootsect.s的源码一起来看看bootsect.S具体干了什么?
呼噜噜这里整个过程先汇成了图,大家配合图去阅读下文,对照起来,更容易理解

设置段基址 & 内存分段机制

要想bootsect启动,需要让BIOS将bootsect.s 从硬盘的MBR中搬到 内存位置0x7c00处,大小512个字节。当bootsect被BIOS加载到内存后,计算机的控制权就到操作系统bootsect的手上了。
  1. entry start        ! 告知链接程序,程序入口是从start 标号开始执行的
  2. start:
  3.         mov        ax,#BOOTSEG  !BOOTSEG=0x7c0 , 将 ds 段寄存器置为 0x7C0
  4.         mov        ds,ax        !再将 ax 段寄存器里的值复制到 ds 段寄存器里
  5.         mov        ax,#INITSEG  !SETUPSEG=0x9000,将 es 段寄存器置为 0x9000
  6.         mov        es,ax        !再将 ax 段寄存器里的值复制到 es 段寄存器里
  7.         mov        cx,#256
  8.         sub        si,si
  9.         sub        di,di
  10.         rep
  11.         movw     
  12.         jmpi        go,INITSEG
复制代码
我们可以看到CPU实际执行第一句的代码 mov ax,#BOOTSEG !BOOTSEG=0x7c0,这是汇编写的,其实这里的0x7c0对应的就是我们上文的地址0x7C00
0x7c0是段地址,0x7C00是其实际的物理地址,0x7c0左移四位就是0x7c00,这就是内存寻址-分段机制
那么大家一定会有疑问内存为什么分段?

计算机内存究竟是什么?其实它就像数组一样,咦有人不懂数组是什么,那么我们可以再头脑风暴一下,内存其实就像纸带一样,我们来看下上古时期的计算机:

穿孔纸带,图片来源于网络
纸带上有一个个孔,这样大家可能还看不明白,我们再来看一张图:

这些孔排列组合其实就是二进制数,纸带其实就是储存数据的介质,那么内存就是足够长的“纸带”
在现代计算机中,内存它使用的是DRAM芯片,也叫动态随机存取存储器,即只需给出地址,就能直接访问指定地址的数据,这一点特别像数组,所以许多材料都是用数组来画内存图
那么CPU访问内存明明可以直接通过地址访问内存,为什么还要分段?其实这又是一个历史因素导致的,让我们回到"分段"首次出现的时候:"分段"是从Intel 8086芯片开始的,8086又是你......

由于8086那个时代CPU、内存都很昂贵, CPU 和寄存器等宽度都是 16 位的,其可寻址2的16次方字节,也就是64kb,然而8086有20根地址线,可寻址的最大内存空间是1MB。CPU和寄存器的寻址能力远远不能满足使用,于是机智的祖师爷们,采用了分段技术
分段,为解决这个问题,8086引入段寄存器,如CS、DS、ES、SS。通过段基址+段内偏移地址的方式生成20位的地址,扩大寻址能力,从而实现对1MB内存空间的寻址。由于这样程序中指令了只用到16位地址,缩短了指令长度,也变相地提高了程序执行速度。


  • CS:代码段寄存器,存放代码段的段基址
  • DS是数据段寄存器,存放数据段的段基址
  • ES是扩展段寄存器,存放当前程序使用附加数据段的段基址,该段是串操作指令中目的串所在的段
  • SS是堆栈段寄存器,存放堆栈段的段基址
  • 80836还新增2个寄存器,FS标志段寄存器、GS全局段寄存器。
使用段地址还有一个好处是 程序可以重定位,那个时候的计算机可没有虚拟地址之说,只有物理地址访问任何存储单元都直接给出物理地址。这就带来一个问题: 如果此时计算机多道程序并发运行,程序中的地址都是实际物理地址,这些程序编译出来的程序运行地址是相同的,计算机只能运行一个程序。
重定向: 将程序中指令的地址改成另一个地址,但该地址处的内容还是原内存地址处的内容。这样程序指令虽然还是物理地址,但程序能够并发运行了。
1982年处理器80286,首次提出保护模式概念,为了保持兼容性,所以同样支持内存分段管理,将8086这种称为实模式,最大的区别是物理内存地址不能直接被程序访问,这块非常重要,篇幅也较长,笔者先挖坑,后续系列文章再单独出一篇。
咳咳,拓展的有点多了,赶紧让我们回到bootsect源码处

mov ds,ax 这句话代码的意思就是:将 ax 段寄存器里的值复制到 ds 段寄存器里。ds在上文我们提到,8086特地为采用内存分段机制,引入的段寄存器。ds具体表示 数据段寄存器存放数据段的段基址

换句话说,就是将段基址设为0x07c0,那么后续数据段程序中只需写段内偏移地址,就能访问实际物理地址了。比如后续程序中出现mov ax,0x01,0x01其实是[ds:0x01],那么ax的实际物理地址= 0x07c0 512 - disk parm size        mov        ds,ax        mov        es,ax        push        ax        ! 临时保存段值(0x9000)        mov        ss,ax                    ! put stack at 0x9ff00 - 12.        mov        sp,dx        push        #0        ! 置段寄存器 fs = 0。        pop        fs          ! fs:bx 指向存有软驱参数表地址处(指针的指针)        mov        bx,#0x78                ! fs:bx is parameter table address        seg fs        lgs        si,(bx)                        ! gs:si is source        mov        di,dx                        ! es:di is destination        mov        cx,#6                        ! copy 12 bytes        cld        rep           ! 复制 12 字节的软驱参数表到 0x9000:0xfef4 处。        seg gs        movw        mov        di,dx        movb        4(di),*18                ! patch sector count        seg fs         ! 让中断向量 0x1E 的值指向新表。        mov        (bx),di        seg fs        mov        2(bx),es        pop        ax        mov        fs,ax        mov        gs,ax                xor        ah,ah                        ! reset FDC 让中断向量 0x1E 的值指向新表。        xor        dl,dl        int         0x13        [/code]上述主要是将 寄存器DS、ES 和SS 重新设置为CPU移动后,代码所在的段处0×9000 ,设置SP栈寄存器0xfef4
栈指针要远大于512字节偏移(即 0x90200 )处都可以,一般setup程序大概占用4个扇区,这样栈顶段地址ss:sp和现有的代码足够远 ,防止后续栈操作覆盖掉已有的代码。
还有BIOS 设置的中断 0x1e 的中断向量值等操作。这边和主干操作不太相干,简略过一下,主要就是把这些寄存器重新设置好值,方便后续使用。
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接下来紧接着将setup.s 加载到内存0x90200处
  1.          
  2. start:
  3.         mov        ax,#BOOTSEG  
  4.         mov        ds,ax        
  5.         mov        ax,#INITSEG  
  6.         mov        es,ax        
  7.         mov        cx,#256       ! 设置移动计数值=256 字(512 字节);
  8.         sub        si,si         ! si寄存器 清零
  9.         sub        di,di         ! di寄存器 清零
  10.         rep               ! 重复执行并递减 cx 的值,直到 cx = 0 为止。
  11.         movw              ! 即 movs 指令。从内存[si]处移动 cx 个字到[di]处。//一次移动两个字节,256B*2=512B
复制代码
那怎么简单高效将磁盘里的内容加载到内存中呢?linus这里用的是bios的中断程序,因为此时bios还在内存中,可以为我们所用,0x13号中断 在BIOS中是可以访问软盘、IDE、ROM、远程磁盘服务的作用。
这里0x13 和C语言中的函数调用是很像的,不过需要注意的是它的参数只能通过寄存器去传参,而C语言函数调用不仅可以寄存器传参,还可以栈传参。所以0x13的参数就是其前面的dx,cx,bx,ax寄存器的值,另外磁盘只认磁头磁道扇区,如果给个地址,磁盘是不识别的,磁盘一副不太聪明的样子。

另外xor对两个操作数进行逻辑(按位)异或操作,并将结果存放在目标操作数,xor dx,dx也是一个置零操作,指定驱动和磁头
那么我们连起来,这段主要是让bios 0x13号中断处理程序 从磁盘的第2扇区开始读,接连读4个扇区的内容到内存0x90200处中。成功就跳转到ok_load_setup,没成功就回到load_setup,重复执行上述操作。
加载system到内存0x10000

当bootsect成功将setup.s搬到内存0x90200处后,CPU从ok_load_setup处继续执行指令。接下来就是需要将整个操作系统system(head.s+其他文件,大约260个扇区)的内容加载到内存0x10000处,下面我们就具体看下代码是如何实现的:
  1.         jmpi        go,INITSEG  ! 段间跳转。这里 INITSEG 指出跳转到的段地址,标号 go 是段内偏移地址。
  2. go:        mov        ax,cs               
  3.         mov        dx,#0xfef4        ! arbitrary value >>512 - disk parm size
  4.         mov        ds,ax
  5.         mov        es,ax
  6.         push        ax        ! 临时保存段值(0x9000)
  7.         mov        ss,ax                    ! put stack at 0x9ff00 - 12.
  8.         mov        sp,dx
  9.         push        #0        ! 置段寄存器 fs = 0。
  10.         pop        fs          ! fs:bx 指向存有软驱参数表地址处(指针的指针)
  11.         mov        bx,#0x78                ! fs:bx is parameter table address
  12.         seg fs
  13.         lgs        si,(bx)                        ! gs:si is source
  14.         mov        di,dx                        ! es:di is destination
  15.         mov        cx,#6                        ! copy 12 bytes
  16.         cld
  17.         rep           ! 复制 12 字节的软驱参数表到 0x9000:0xfef4 处。
  18.         seg gs
  19.         movw
  20.         mov        di,dx
  21.         movb        4(di),*18                ! patch sector count
  22.         seg fs         ! 让中断向量 0x1E 的值指向新表。
  23.         mov        (bx),di
  24.         seg fs
  25.         mov        2(bx),es
  26.         pop        ax
  27.         mov        fs,ax
  28.         mov        gs,ax
  29.        
  30.         xor        ah,ah                        ! reset FDC 让中断向量 0x1E 的值指向新表。
  31.         xor        dl,dl
  32.         int         0x13       
复制代码
这里int 0x10号中断,其作用是 在屏幕上显示字符和字符串,由于操作系统比较大,加载需要时间,这时在屏幕上显示提示信息"Loading"
这里将操作系统加载到内存中,是通过子程序read_it来实现的,read_it就不具体展开了,比较复杂。我们需要知道由于操作系统比较大,一个磁道是远远放不下的,另外磁盘是不认地址的,在搬运过程中,需要进行磁道、扇区和磁头的计算,特别是一个段的大小是64k,如果放不下,需要更换段地址。如果不更换段地址,会从该段地址0字节开始重新写,这样会覆盖之前的内容。
那为什么一个段的大小是64KB呢?
我们知道在8086CPU中,其内存地址是表示为段基址+段内偏移地址,其中偏移地址使用一个16位的二进制数表示,表示范围0000~FFFF,所以总共有2^16(2的16次方)=64K个不同的地址,一个内存最小单元是字节Byte,所以一个段大小为64KB

jmpi 0,SETUPSEG,bootsect程序到这里就结束了,跳转到内存地址0x90200,同时setup获得控制权
为了帮助大家理解,呼噜噜这里又把本篇文章全部串起来,大家可以根据下面这张图重新回顾一下bootsect整个工作流程:

额外补充一下:
boot_flag: .word 0xAA55  最后2个字节是0xAA55,由于bootsect是采用AT&T汇编,小端显示的,实际上就是0x55AA与前文MBR那边前后呼应
这也说明了操作系统在开始加载到内存的程序中,得与内存地址一一对应, 不能多一个字节,也不能少一个字节!!!
尾语

本文主要讲解了bootsect.S的主要工作流程,Linux0.12虽然和如今的Linux6.x内核相比显得过于简陋,但麻雀虽小五脏俱全,它是我们打开操作系统大门的钥匙,后面让我们看看setup.s获得计算机的控制权后,会发生什么?
最近实在太忙了,后面随缘更新,留言可催更(bushi)~~

参考资料:
《Linux内核完全注释5.0》
《操作系统真象还原》
https://elixir.bootlin.com/linux/0.12/source/boot/bootsect.S
https://files.embeddedts.com//old/saved-downloads-manuals/EBIOS-UM.PDF
本篇文章到这里就结束啦,如果我的文章对你有所帮助的话,还请点个免费的,你的支持会激励我输出更高质量的文章,感谢!
作者:小牛呼噜噜 ,首发于公众号 小牛呼噜噜,系列文章还有:

来源:https://www.cnblogs.com/xiaoniuhululu/p/18130983
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