The Boot Loader
简介
在电脑硬盘被划分为了512字节的区域,我们称之为扇区.每次读写硬盘都是以扇区的整数倍为单位.如果一个磁盘是可启动的(bootable),那么它的第一个扇区我们称之为boot扇区,这也是bootloader存储的位置.
当BIOS发现一个可启动扇区后.首先,它会将boot扇区中的512字节,载入到物理内存0x7c00~0x7dff的位置.然后,跳转到0x7c00开始执行.
和BIOS在物理内存中的地址一样,虽然没有什么规定强制要求,但是载入的位置已经是现在计算机约定俗成的了.
另外我们稍微说明下从CD-ROM也就是光盘启动.光盘启动是计算机发展到20世纪90年代才具备的能力.光盘中一个扇区大小为2048字节.此时的BIOS可以载入一个远比512字节大的BootLoader到内存中.更多详细信息,请参考El Torito" Bootable CD-ROM Format Specification
JOS BootLoader
JOS还是使用了传统的从硬盘启动的机制,也就是说我们的Bootloader仅有可怜的512字节.我们的Bootloader是有两部分组成的:
- 汇编代码: boot/boot.S
- C代码: boot/main.c 仔细看看这两份文件,确保理解了这部分内容.
JOS Bootloader功能
- 首先,将CPU模式从16位实模式转为32位保护模式
显然在16位模式下,可寻址范围仅有1MB.只有切换为32位模式,我们才能够使用1MB以上的内存.
关于保护模式可以参考PC Assembly Language的1.2.7,1.2.8小节.当前我们仅需知道在保护模式下,通过CS,IP寄存器查找物理内存的方法会发生变化即可.
- 其次,Bootloader将从IDE硬盘中将内核载入内存.
如果对这些IO指令感兴趣,可以参考the 6.828 reference page中的IDE hard drive controller部分.我们并不需要太过深入这个部分,虽然设备驱动是操作系统开发中,非常重要的部分.但是从整个操作系统的结构来看,它也是最无趣的部分了.
疑问
看起来boot.S中已经将CPU模式从实模式切换为32位保护模式,为何bootmain中还能够直接操作物理地址?
看注释是说在readseg时,还没激活分页功能?
实模式和保护模式的区别看起来只是寻址方式发生了变化.实模式时,CS直接关联物理地址区域.而保护模式CS主要用于在GDT(global descriptor table)中查找描述符.在未激活分页功能前,通过CS和IP在GDT中对应的地址称为线性地址,依然是物理地址.
注意区分: 逻辑地址, 线性地址, 物理地址.
GDB简要命令
在obj/kern/kernel.asm中是内核代码的反汇编结果.
b *0x7c00 在0x7c00处,加入断点.
continue/c GDB执行指令,直到遇到断点或者结果.
si GDB单步执行指令
si N GDB一次执行N条指令
x/i 查看下一条要执行的指令
x/Ni 查看下N条要执行的指令
x/Ni ADDR 查看ADDR后,接着要执行的N条指令
回车键 重复上一条指令
Exercise 3
看完两份源码之后,obj/boot/boot.asm是我们整个BootLoader的反汇编代码.我们可以一遍对照着反汇编代码,一边用GDB来查看对应的指令执行过程.
试着回答几个问题:
- CPU什么时候切换到32位模式的,是什么造成了这样的切换 将CR0寄存器中的CR0_PE_ON标志位置位,意味着真正切换到了32位模式.
- BootLoader执行的最后一条指令是什么,Kernel执行的第一条指令是什么?
BootLoader执行的最后一条指令是:
0x7d6b: call *0x10018Kernel执行的第一条指令是:0x10000c: movw $0x1234,0x472 - Kernel第一条指令的地址?
0x10000c: movw $0x1234,0x472 - BootLoader是怎么知道kernel的大小,什么地方有这样的信息 Kernel是一个ELF文件,那么在ELF头部信息中,尤其是programHead中就带有了ELF文件大小的信息.