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关于操作系统:从零开始写-OS-内核-BIOS-开始启动到实模式

jiezi

系列目录

  • 序篇
  • 筹备工作
  • BIOS 开始启动到实模式
  • 进入保护模式
  • 加载并进入内核
  • 显示与打印
  • GDT 和 IDT，中断解决
  • 关上虚拟内存
  • 实现堆和 malloc
  • 创立第一个内核线程
  • 多线程运行与切换
  • 锁与多线程同步
  • 过程的实现
  • 进入用户态
  • 一个简略的文件系统
  • 加载可执行程序
  • 零碎调用的实现
  • 键盘驱动
  • 运行 shell

实现 Boot Loader

从这篇开始咱们将进入 boot loader 的编写。网上有一些相似的教程可能跳过了这个阶段，间接为你筹备好了 boot loader，从而你能够间接开始 kernel 的编写，例如之前举荐的 JamesM’s kernel development tutorials 就是这样的。不过我还是强烈建议将 boot loader 也本人实现了，尤其是对初学者，起因如下：

  • 它并不艰难，相比于前面的 kernel；
  • 有助于你疾速进步汇编能力，这在前面的 C 语言 kernel 编写、调试中依然很重要；
  • boot 裸机运行阶段的的编程有助于你建设起对磁盘、内存、指令和 data 之间的加载、映射关系的正确认识，为前面的内核、可执行程序的加载，以及虚拟内存的建设做好筹备，尤其是如果你感觉对这一块比拟含糊的话；
  • boot 阶段其实会初步搭建起 segment 以及虚拟内存的框架，为后续 kernel 编写打下基础；

开机进入 BIOS

这是一个经典的问题，就是计算机主板开机上电后到启动，产生了什么？

首先咱们须要晓得开机后 CPU 和内存所处的状态，开机后 CPU 初始模式是实模式，地址宽度为 20 位，即最大地址空间 1MB。这 1MB 空间的划分是固定的，每一块都有规定的用处的，被映射到不同的设施上：

BIOS 的工作

咱们来看一下开机后产生的事件：

  1. 开机后 CPU 的指令寄存器 ip 被强置为地址 0xFFFF0，这一地址被映射到 BIOS 固件上的代码，这就是计算机开机后的第一条指令的地址；
  2. CPU 开始执行 BIOS 上的代码，这一部分次要是硬件输入输出设施相干的查看，以及建设一个最后的中断向量表，目前不用深究；
  3. BIOS 代码最初阶段的工作，就是查看启动盘上的 mbr 分区，所谓 mbr 分区就是磁盘上的第一个 512B 内容；BIOS 会对这 512B 做一个查看：它的最初 2 个字节必须是两个 magic number：0x55 和 0xaa，否则它就不是一个非法的启动盘；
  4. 查看通过后，BIOS 将这 512B 加载到内存 0x7C00 处，到 0x7E00 为止，而后指令跳转到 0x7C00 开始执行；

将下面那张表格画成图，去掉烦扰项，只留下咱们关怀的局部：

  • 黄色局部是加载到内存的 mbr，起始地址 0x7C00；
  • 红色局部是咱们前面能够自在应用的内存空间；
  • 斜线暗影局部为 BIOS 代码；

图中标出了 BIOS 的次要工作流程，从地址 0xFFFF0 开始，通过一系列代码执行，最终校验并读取磁盘第一个 512B 扇区，加载到黄色局部即为 mbr，地址为 0x7C00，而后指令跳转过来，进入 mbr 的执行；

mbr 的工作

那么 mbr 须要做什么事件？因为 mbr 大小被限度在了 512B，你不可能在外面放很多代码和数据，所以它最重要的工作只有一个：

  • 将前面的 loader 局部从磁盘加载到内存，并跳转到 loader 继续执行；

内存布局布局

所以咱们须要布局一下整个 boot load 阶段的内存布局，这里咱们间接给出磁盘以及内存的全貌：

咱们目前重点关注内存 1MB 以下局部的内容，不同局部用了不同的色彩标识进去：

  • 黄色：mbr
  • 蓝色：loader
  • 绿色：kernel
  • 红色：可自在应用

通过 BIOS 的工作，当初指令曾经来到了 mbr 局部，它须要将蓝色局部的 loader 从磁盘上加载到内存，地址就定为 0x8000，留神这个地址能够自在指定的，只有在图中红色区域内，并且空间足够用即可。咱们的 loader 局部也不会很大，依照比拟充裕地预计，4KB 足以。

mbr 代码

先给出我我的项目里的代码，门路为 src/boot/mbr.S，供你参考。

首先关注一开始：

SECTION mbr vstart=MBR_BASE_ADDR

MBR_BASE_ADDR 定义在了 boot.inc 中，为 0x7C00，这示意了整个 mbr 里的内容都是从 0x7C00 开始编址，包含代码和数据。这一点十分重要，因为咱们曾经提前晓得了 BIOS 会将 mbr 加载到这个地位，所以整个 mbr 里的内容的编址必须从这里开始，这样 BIOS 在跳转到 mbr 的第一条指令后，后续对 mbr 中代码和数据的拜访能力正确寻址。

mbr 的入口我标记为了 mbr_entry，前面我定义了三个函数，咱们无妨用 C 语言给它正文进去：

void init_segments();

这里初始化了几个 segment 寄存器，初始值均为 0，这示意 flat mode 的段内存散布形式，当初你也不用深究。另外我还将 stack 挪动到了 0x7B00 的地位，这只是自由发挥，齐全不是必须的。

接下来加载 loader：

void load_loader_img();
// 这个函数的汇编代码间接应用寄存器传参。void read_disk(int load_mem_addr, int load_start_sector, int sectors_num);

这里就是 mbr 最次要的工作，把 loader 从磁盘上加载进来到内存 0x8000 的地位，
read_disk 三个参数传参别离为：

// loader 加载地址为 0x80000
int load_mem_addr = LOADER_BASE_ADDR;
// loader 镜像在磁盘上起始地位为第 2 个 sector，紧接着 mbr
int load_start_sector = 1;
// loader 大小为 8 个 sectors，共 4KB；int sectors_num = 8;

read_disk 函数波及到了读取磁盘，须要用到一堆 CPU 管制磁盘的端口和中断性能，你须要查阅文档应用，简短繁冗，我是照搬了《操作系统假相还原》一书第三章的内容。你其实也不用深究，拿来用就能够，只须要晓得它做了什么工作即可。

加载完 loader 之后，就能够跳转到 loader 地址 0x8000 执行：

jmp LOADER_BASE_ADDR

最初还有个要害的小东西：
这一通代码下来，所用的空间还远未到 512B，咱们将残余的空间全副用 0 填充（其实轻易填什么都行，反正执行不到），最初在 512B 的开端处写上 0x55 和 0xaa 两个 magic number：

times 510-($-$$) db 0
db 0x55, 0xaa

至此 mbr 便编码实现了，十分短小简略。接下来咱们须要将它编译并且制作成启动镜像，加载到 Bochs 里运行。

运行 mbr

首先你须要制作一个磁盘镜像文件，这里又用到了 bximage 这个工具：

bximage -hd -mode="flat" -size=3 -q scroll.img 1>/dev/null

它其实就是产生了一个 3MB 的写满了 0 的文件。

接下来应用 nasm 编译 mbr.S：

nasm -o mbr mbr.S

而后你就失去一个 512B 大小的 mbr 文件，接下来将它刻写进磁盘镜像文件，这里用到了 dd 这个命令：

dd if=mbr of=scroll.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc

留神到这里把 mbr 写到了磁盘镜像文件的第一个扇区。

而后你就能够把磁盘镜像文件加载到 Bochs 里运行了，和之前一样：

bochs -f bochsrc.txt

不过在此之前，mbr 最好先做一个小小的改变。因为此时咱们镜像里还没有任何 loader 内容，加载完的 loader 其实全是 0，这不是能够执行的代码，因而 mbr 的最初一条指令 jmp LOADER_BASE_ADDR 之后 CPU 就会挂掉，所以你能够在这条指令之前加一句 jmp $，这相当于是死循环 while (true) {}，让程序悬停在这里，你就能够暂停 Bochs 而后看它是不是停在这条指令了，如果是的话，阐明 mbr 的运行曾经胜利了。

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