sagalinux学习之/boot目录

一时失言乱红尘 2022-06-13 09:30 120阅读 0赞

以前在linux内核之旅上下的一个只有引导代码，只初始化了中断和页表的一个"OS"。。

这几天偶然翻出来了，感觉还挺好玩的，贴一下代码，加了一些注释。希望我做的这些能够帮助到大家。

sagalinux源代码可以从[这里][Link 1]得到。

解压出之后，在根目录运行

$make

$make bootdisc

会在当前目录下生成一个kernel.img

要运行这个“OS”的话需要装一个bochs，然后使用如下的配置文件bochsrc，我使用的是ubuntu，其他系统可能会稍有差别。

bochsrc

###############################################################
    # bochsrc.bxrc file for sagalinux.
    ###############################################################
    
    # how much memory the emulated machine will have
    megs: 32
    
    # filename of ROM images
    romimage: file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest
    #, address=0xf0000
    vgaromimage: file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latest
    #VGABIOS-elpin-2.40
    
    # what disk images will be used 
    floppya: 1_44=kernel.img, status=inserted
    
    # choose the boot disk.
    cpu: count=1,ips=15000000
    boot: a
    
    # where do we send log messages?
    log: bochsout.txt
    # disable the mouse
    mouse: enabled=0
    
    # enable key mapping, using US layout as default.
    keyboard_mapping: enabled=1, map=$BXSHARE/keymaps/x11-pc-us.map

使用命令

$bochs -qf bochsrc

如果一切没错的话，按c(continue)就可以运行sagalinux了。

你会看到一个假的用户界面如下，只能打字![吐舌头][tongue.gif]。

![1333609503_4246.png][]

在根目录下运行

$ls

boot  Changelog  copying  include  kernel  kernel.bin  kernel.img  lib  Makefile  System.map  tags  todo  Troublelog

只有四个目录./boot、/kernel、/include、/lib

/include目录是头文件的一些定义。

/lib目录内是库函数的实现，比如printf。

我们主要就来分析/boot和/kernel目录。

/boot用于系统的启动，/kernel目录则是sagalinux的核心了。

这是根目录下的Makefile，先看一下以把握系统的构成。

all:	boot/boot.bin kernel.bin 
    
    clean:	
    	(cd kernel;make clean)
    	(cd lib;make clean)
    	(cd boot;make clean)
    	(rm *.bin *.img *~ System.map)
    
    boot/boot.bin:	
    	(cd boot;make)
    
    lib/vsnprintf.o:
    	(cd lib;make)
    
    kernel/page.o:
    kernel/kernel.o:
    	(cd kernel;make)
    
    kernel.bin:	kernel/kernel.o kernel/page.o lib/vsnprintf.o
    	ld -Map System.map --oformat binary -emain -Ttext 0x7000 -okernel.bin kernel/kernel.o kernel/console.o kernel/page.o  kernel/i8259.o kernel/idt.o kernel/printk.o lib/vsnprintf.o kernel/keyboard.o kernel/irq.o
    							#-Ttext 0x7000表示代码从内存段基地址0x7000开始
    bootdisc:	boot/boot.bin  kernel.bin
    	cat boot/boot.bin boot/setup.bin kernel.bin > kernel.img	//生成软盘映像
    	# boot.bin:512B 1sector; setup.bin:512*3B 2~4sector kernel.bin 5~36sector
    	dd if=kernel.img of=/dev/fd0 bs=512

这一篇我们来分析/boot目录。

下面是对/boot目录下文件的分析，慢点看![微笑][smile.gif]。。

/boot目录下只有一个Makefile，boot.s和setup.s

编译出来的boot.bin和setup.bin用于初始化中断，读软盘数据至内存，初始化全局描述符表，进入保护模式，装载内核代码。最后跳到内核代码的内存地址上去。

这是/boot下的Makefile，一看就明白了

CFLAGS = -c -Wall -o
    
    all:	boot.bin setup.bin
    
    clean:	
    	rm -f *.bin *.o *~
    
    boot.bin:
    	nasm -fbin -o boot.bin boot.s
    
    setup.bin:
    	nasm -fbin -o setup.bin setup.s

boot.s代码

;这段16位代码即512B的MBR,将编译为为第一个扇区的数据
    [BITS 16]
    [ORG 0]
    ;占第0个扇区
    jmp start
    	;EQU可以理解成宏
    BOOTSEG EQU 0x07c0
    INITSEG EQU 0x9000
    SETUP	EQU 0x9020
    SYSSEG  EQU 0x1000
    	
    bootmsg		db	'Loading',0
    dot		db	'.',0
    
    					;知识背景：计算机BIOS首先会将MBR（硬盘第一个扇区的数据）装入0x7c00并执行
    start:                                   ;将启动扇区从内存地址0x07c00~0x07e00处复制至0x90000~0x90200处，并跳转到0x90000，执行启动扇区程序.
    	mov	[bootdrive], dl		;mov [bootdriver], 0，存储驱动器号
    	mov	ax, BOOTSEG		;0x07c0，16位代码采用段:段内偏移来寻址
    	mov	ds, ax
    	mov	ax, INITSEG		;mov ax, 0x9000
    	mov	es, ax
    
    	xor	di, di
    	xor	si, si
    	mov	cx, 0x0200              ; Bootsector is 512 bytes. 2^9bytes
    
    	cld				;清标志位,使si,di增
    	rep				;ds:si -> es:di 移动cx次
    	movsb
    	jmp	INITSEG:go              ;go为段内偏移,jmp INITSEG:go这句还是在0x7c00处的段内执行，执行这句后就跳到了0x9000处的段内执行
    	
    go:                                       ;进行必要初始化,载入第二阶段程序（setup.s)，跳转，执行.
    	mov	ax, INITSEG
    	mov	ds, ax
    	mov	es, ax
    	cli		
    	mov	ss, ax
    	mov	sp, 0xeeee
    	sti
    
    	mov	si, bootmsg		;bootmsg偏移地址-->si
    	call	write_message
    
    
    	mov	ax, INITSEG
    	mov	es, ax
    	mov	bx, 0x0200
    	call	reset_drive
    	call	start_loading		    ;装载软盘上的setup.s代码到内存地址0x90200处
    	
    	
    	jmp	INITSEG: 0x0200		    ; setup loaded at 0x90200	跳到内存地址0x90200处执行代码setup.s
    
    
    reset_drive:				;重置驱动器
    	
    	push	ax
    	mov	ah, 0			;reset the disk	
    	int	0x13
    	pop	ax
            ret
    
    				
    start_loading:		; 读扇区号为0x02,0x03,0x04三个扇区(setup.s代码),放入0x90200起始的内存中,0x90200~0x90800
    	mov	ah, 0x02		    ; ah = read function at int 13h, 2号功能，读扇区
    	mov	al, 0x03		    ; al = the number of sectors to read 共读扇区数的记录
            mov	ch, 0			    ; ch = track number 柱面
    	mov	cl, 0x02		    ; cl = starting sector 起始扇区号
            mov	dl, [bootdrive]		    ; dl = drive number
            mov	dh, 0                       ; dh = head number 磁头号
    	read_one_sector:			    ;将读出的数据放入es:bx中
    	push	ax
    	mov	al, 0x1			    ;扇区数
    	mov	ah, 0x2			    ;int 12h 2号功能,将读出的数据放入内存es:bx中0x90200
    	int	0x13
    	push	bx
     	mov	si, dot			;读一个扇区就打印一个'.'
    	call	write_message
    	pop	bx
    	pop	ax
    	
    	inc	cl               	    ; increment sector value增加扇区号
    	dec	al			    ; decrement the number of sectors to read减少剩下要读的扇区数
    	add	bx, 0x200		    ; increment the offset增加内存地址es:bx
    	cmp	al, 0			    ; check al if all the sectors read
    	je	load_finished
    	call	reset_drive		    ;每次读一个扇区后就复位依次软盘
    	jmp	read_one_sector		    ; read next sector
    
    load_finished:
    	call    reset_drive
    	ret				    ;装载setup.s代码完毕
    
    
    
    ; -------------------------------------------------------------
    		;这里会使用ax和bx，调用前ax，bx需入栈	
    write_message:			;si中存放字符串偏移地址
    	lodsb			; ds:si is read to al读ds:si上的1B到al
    	cmp	al, 0x0		;字符串结束符
    	jz	end_message
    	mov	ah, 0x0E	; teletype Mode
    	mov	bx, 0007	; white on black attribute
    	int	0x10		;调用BIOS中断，打印字符
    	jmp	write_message
    	
    end_message:
    	ret
    	
    ; -------------------------------------------------------------	
    
    
    	bootdrive db 0
    
    
    	times 510-($-$$) db 0           ;填充文件 0.使最后编译出的代码为512B
    	dw 0xAA55                       ;以AA55结束.

注意最后一句指令，这里只是简单的把剩余的空间填充为0，真正的引导扇区结构是这样的，而且，引导扇区与操作系统平台无关。图来自网络。

![1333603164_7649.png][]

下面是setup.s代码

[BITS 16]
    ;这段代码最终编译出的二进制代码位于软盘上02 03 04 号扇区内，会被boot.s代码载入到内存0x90200处并由boot.s代码跳入执行.
    SETUP		EQU 0x9020
    
    				
    sector_end	EQU 18			    ; hardcoded for now
    head_end	EQU 1			    ; drive geometry will be taken from BIOS later
    	
    start_setup:
    	mov	ax, SETUP
    	mov	es, ax	;装载段基址
    	mov	ds, ax
    
    	mov	ax, 0x0700		;把内核从扇区载入到0x7000h~0x74000h
    	mov	es, ax
    	mov	bx, 0x0000
    	call	reset_drive
    	call	start_loading		;load the kernel code,内核代码位于5～36扇区共32个扇区,读至内存es:bx处
    
    
    	mov	 cx, 0xFFFF
    kill_motor:
    	mov	dx,0x3f2
    	mov	al,0x0
    	out	dx,al
            loop	kill_motor
    
    		
    enable_a20:                            ;打开A20地址位，处于兼容原因.
    	cli
    	call    wait_keyboard
            mov     al,   0xD1
            out     0x64, al
            call    wait_keyboard
            mov     al,   0xDF
            out     0x60, al
            call    wait_keyboard
    	sti
    
    set_gdt:				;将全局描述符表复制到内存0x80000处
    	mov ax, 0x8000
            mov es, ax
            mov di, 0x0     
            mov si, gdt	
            mov cx, gdt_end-gdt
    	
            cld                
            rep movsb 	   ;ds:si --> es:di 移动cx次         
    
            lgdt [gdtr]        ;将gdt基址和表大小装载至gdtr寄存器
    	
    	mov	si, a20_ok
    	call	write_message
    
    	mov	si, gdt_ok
    	call	write_message
    	
    pic_init:		;初始化中断芯片8259,这里就是固定的操作了，不细说了。
    	cli
    	mov	al, 0x11		    ; initialize PICs
    
    	out	0x20, al		    ; 8259_MASTER
    	out	0xA0, al		    ; 8259_SLAVE
    
    	mov	al,   0x20		    ; interrupt start 32
    	out	0x21, al
    
    	mov	al,   0x28		    ; interrupt start 40
    	out	0xA1, al
    
    	mov	al,   0x04		    ; IRQ 2 of 8259_MASTER
    	out	0x21, al        
    
    	mov	al,   0x02		    ; to 8259_SLAVE
    	out	0xA1, al
    
    	mov	al,   0x01		    ; 8086 Mode
    	out	0x21, al
    	out	0xA1, al
    
    	mov	al,   0xFF		    ; mask all
    	out	0x21, al
    	out	0xA1, al
    	sti
    	
    	mov	si, pic_ok
    	call	write_message
    
    protected_mode:
    	mov	si, pm_ok
    	call	write_message
    	
    	cli
    	mov	ax, 0x0001              ;装入机器状态字.将CR0寄存器最低位置1，进入保护模式
    	lmsw	ax
    
    
    	mov	ax, 0x10		    ; set selectors to data segment,置选择子指向数据段
            mov	ds, ax			;装入描述符表中的索引值,亦称为装入选择子
            mov	ax, 0x10
            mov	es, ax
            mov	ax, 0x10
            mov	ss, ax
            mov	esp, 0xFFFF	
    
    	push	dword forever            ; 废止实模式下的预取指令.
            jmp 0x8:0x7000			;最后代码由此跳走了....选择子0x8指示的段为物理内存0~16M的只读可执行的代码段,偏移为0x7000,也就是跳入了内核代码,
    
    	
    forever:				    ; Ooops! Houstin we have a problem ,程序出错才会跳至此处
    	jmp forever
    
    	
    ;;----------- READ_START------------------------|
    
    	
    reset_drive:
    	
    	push	ax
    	mov	ah, 0
    	int	0x13
    	pop	ax
            ret
    
    start_loading:				;read the kernel 5~37共32个扇区,将内核载入至0x70000~0x74000
    	mov	ah, 0x02                    ; ah = read function at int 13h
    	mov	al, 0x20		    ; al = the number of sectors to read读32个扇区
            mov	ch, 0                       ; ch = track number
    	mov	cl, 0x05                    ; cl = starting sector
            mov	dl, 0x0			    ; dl = drive number
            mov	dh, 0                       ; dh = head number
    
    read_one_sector:	;读扇区到内存es:bx，在boot.s中有类似的代码
    	push	ax	;软盘规格:2head*80cylinder*18sector*512B=1.44M
    	mov	al, 0x1
    	mov	ah, 0x2
    	int	0x13
    	pop	ax
    	
    	inc	cl			    ; increment sector value
    	dec	al			    ; decrement the number of sectors to read
    	add	bx, 0x0200		    ; increment the offset
    	push	ax
    	mov	si, dot	;读一个扇区打印一个'.'
    	call	write_message
    	pop	ax
    	cmp	al, 0		            
    	je	load_finished		        
    	cmp	cl, sector_end		;18个扇区读完,需换磁头
    	je	next_head
    	call	reset_drive
    	jmp	read_one_sector		    ; read next sector
    
    next_head:
    	push	ax
    	mov	si, dot
    	call	write_message
    	pop	ax
    	inc	dh			;增加磁头号,到软盘反面去读扇区
    	mov	cl, 0x0		;重置扇区号为0
    	
    	call	reset_drive
    	jmp	read_one_sector
    
    load_finished:
    	call    reset_drive
    	ret
    
    ;;----------- READ_END -------------------------|
    	
    write_message:
    	lodsb				    ; al = DS:[SI] and SI++
    	or	al, al
    	jz	end_message
    	mov	ah, 0x0E		    ; teletype Mode
    	push	bx
    	mov	bx, 0007		    ; white on black attribute
    	int	0x10
    	pop	bx
    	jmp	write_message
    	
    end_message:
    	ret
    
    		
    wait_keyboard:	
    	in	al, 0x64
    	test	al, 2
    	jnz	wait_keyboard
    	ret
    
    
    gdtr:			；此处的值，将被装入gdtr寄存器
    	dw	gdt_end - gdt  - 1	    ; gdt size is one less than the total descriptor sizes
    	dd	0x80000			    ; pyhsical address of gdt全局描述符表将被存储在内存0x80000处
    	
    gdt:			;此处将被装入内存地址0x80000h处一个全局描述符占8B,每个描述符描述了一个段
    	dd	0x00000000               ; 第一个8B没有被使用
    	dd	0x00000000
    	
    	dd	0x00000FFF               ;段界线为16M,是只读的执行代码段.
    	dd	0x00C09A00
    	
    	dd	0x00000FFF               ;段界线为16M,是可写的数据码段.
    	dd	0x00C09200
    
    gdt_end:
    
    
    
    a20_ok		db	13,10,'A20 Line                                                 [ OK ]',13,10,0
    gdt_ok		db	'Global Descriptor Table                                  [ OK ]',13,10,0
    idt_ok		db	'Interrupt Descriptor Table                               [ OK ]',13,10,0
    pic_ok		db	'PIC Initialized                                          [ OK ]',13,10,0
    pm_ok		db	'Protected Mode                                           [ OK ]',13,10,0
    dot		db	'.', 0
    
    
    
    
    times 1536-($-$$) db 0			;填充0,代码占3个扇区,3*512=1536

以下分别是boot.s和setup.s的流程，图来自《linux内核之旅》

![1333608225_2062.png][]

![1333608234_2149.png][]

基本上所有硬件相关的操作就完成了。接下来会贴出其他代码。

贴图如有冒犯请联系，谢谢。

[Link 1]: http://www.kerneltravel.net/journal/ii/index.htm
[tongue.gif]: /images/20220613/a92ac88f1b7d40a5b005106bb2768017.png
[1333609503_4246.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201204/05/1333609503_4246.png
[smile.gif]: /images/20220613/ad207c6566524acd95f46d728f03cb69.png
[1333603164_7649.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201204/05/1333603164_7649.png
[1333608225_2062.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201204/05/1333608225_2062.png
[1333608234_2149.png]: https://img-my.csdn.net/uploads/201204/05/1333608234_2149.png