羽夏看Linux核心——啟動那些事

寫在前面

  此係列是本人一個字一個字碼出來的，包括範例和實驗截圖。如有好的建議，歡迎反饋。碼字不易，如果本篇文章有幫助你的，如有閒錢，可以打賞支援我的創作。如想轉載，請把我的轉載資訊附在文章後面，並宣告我的個人資訊和本人部落格地址即可，但必須事先通知我。

前言

  之前我們搭建好了Bochs學習環境（沒搭好的回去弄好再回來看），可惜沒有合法的啟動盤，那麼什麼是啟動盤，如何正確的啟動，下面我們來開始介紹基礎部分。

BIOS

  BIOS全稱叫Base Input & Output System，即基本輸入輸出系統。它的主要工作是檢測、初始化硬體。

真真實模式下的 1MB 記憶體佈局

  Intel 8086有20條地址線，故其可以存取1MB的記憶體空間。若按十六進位制來表示，是0x00000 - 0xFFFFF。這lMB的記憶體空間被分成多個部分。如下表格所示：

  記憶體地址0x00000 - 0x9FFFF的空間範圍是64KB，這片地址對應到了動態隨機存取記憶體DRAM，也就是插在
上的記憶體條；而0xF0000 - 0xFFFFF這64KB記憶體是ROM，是唯讀的，存的就是BIOS的程式碼。硬體自己提供了一些初始化的功能呼叫，BIOS可以直接呼叫，並建立了中斷向量表，就可以通過int 中斷號來實現相關的硬體呼叫。而這些中斷只有重要的、保證計算機能執行的那些硬體的基本IO操作，不像高階語言有各種花裡胡哨的功能。
  我們還要說明一個問題：在CPU眼裡，我們插在主機板上的實體記憶體不是它眼裡「全部的記憶體」。這個是由地址匯流排寬度決定了可以存取的記憶體空間大小。打個比方，比如小孩學數蘋果數目。結果他只會100以內的，如果蘋果數目超了100，就不會數了，不認識了。實體記憶體也是如此，再多的記憶體，只要識別能力不夠，也是浪費。

BIOS 啟動

  BIOS是計算機上第一個執行的軟體，所以它不可能自己載入自己，由此可以知道，它是由硬體載入的。BIOS程式碼所做的工作也是一成不變的，而且在正常情況下，其本身一般是不需要修改的，儲存在ROM中。ROM也是塊記憶體，記憶體就需要被存取。而ROM被對映在0xF0000 - 0xFFFFF處，只要存取此處的地址便是存取了BIOS，這個對映是由硬體完成的。如果不太理解，可以學一下微控制器的基礎知識和電工學下冊。
  BIOS本身是個程式，程式要執行，就要有個入口地址才行，此入口地址便是0xFFFF0。

  當我們開始啟動虛擬機器器進入偵錯狀態時，你會看到如下內容：

  可以看到，ip指向的地址指令是jmp far f000:e05b，這個是跨段跳轉，最後執行結果是到了0xFE05B這個地址，這個是真正BIOS程式碼開始的地方。
  接下來BIOS便馬不停蹄地檢測記憶體、顯示卡等外設資訊，當檢測通過，並初始化好硬體後，開始在記憶體中0x000-Ox3FF處建中斷向量表IVT並填寫中斷例程。然後它的任務完成了，剩下的部分就是交給下一個「負責人」繼續處理。

0x7c00 雜談

  BIOS最後一項工作校驗啟動盤中位於0盤0道1磁區的內容。在計算機中是習慣以0作為起始索引的，用「相對」的概念，即偏移量來表示位置顯得很直觀，所以很多指令中的運算元都是用偏移表示的。0盤0道1磁區本質上就相當於0盤0道0磁區。為什麼稱為1磁區呢？因為硬碟磁區的表示法有兩種，我們描述0盤0道1磁區用的便是其中的一種：CHS方法，即柱面Cylinder、磁頭Header、磁區Sector；另外一種是LBA方式，這裡救不說了。0盤說的是0磁頭，因為1張盤是有上下兩個盤面的，1個盤面上對應一個磁頭，所以用磁頭Header來表示盤面。0道是指0柱面，柱面Cylinder指的是所有盤面上、編號相同的磁軌的集合，形象一點描述就是把很多環疊摞在一起的樣子，組合在之後是1個立體的管狀。1磁區是將磁軌等距劃分成一段段的小區間，由於磁軌是圓形的，確切地說是圓環，這些被劃分出來的小區間便是扇形，所以稱為磁區，而在CHS方式中磁區的編號是從1開始的。
  如果此磁區末尾的兩個位元組分別是魔數0x55和OxAA，BIOS便認為此磁區中確實存在可執行的程式，此程式便是主開機記錄MBR，它會被載入到實體地址0x7c00，隨後跳轉到此地址，繼續執行。反之，它就不認。
  BIOS跳轉到Ox7c00是用jmp 0:Ox7c00實現的，此時段暫存器cs會被替換成0。

為什麼 MBR 住在這裡

  因為近啊。就好比你會把經常用的放到身邊，用到就會直接拿出來，如果把它放到老遠的位置，這個不就費勁了嗎。對於BIOS來說，MBR就是經常用的東西，放到身邊才方便。

為什麼是 0x7c00 地址

  據說是歷史原因，BIOS規範。它最早出現在IBM公司出產的個人電PC5150 ROM BIOS的INT 19H中斷處理程式中。
  MBR不是隨便放在哪裡都行的，首先不能覆蓋己有的資料，其次，不能過早地被其他資料覆蓋。通常MBR的任務是載入某個程式（這個程式一般是核心載入器，很少有直接載入核心的）到指定位置，並將控制權交給它。
  按DOS 1.0要求的最小記憶體32KB來說，MBR希望給人家儘可能多的預留空間，這樣也是保全自己的作法，免得過早被覆蓋，所以MBR只能放在32KB的末尾。其次，MBR本身也是程式，是程式就要用到棧，棧也是在記憶體中的，雖然本身只有512位元組，但還要為其所用的棧分配點空間，所以其實際所用的記憶體空間要大於512位元組，估計1KB記憶體夠用了。
  綜上，選擇32KB中的最後1KB最為合適，那此地址是多少呢？32KB換算為十六進位製為0x8000,減去1KB（0x400）的話，等於0x7c00。

MBR 雜談

  MBR是獨立於作業系統的，能夠直接在裸機上執行。它的大小必須是512位元組，保證0x55和0xAA這兩個
魔數恰好出現在該磁區的最後兩個位元組處。下面我們來編寫一個MBR程式，並讓它跑起來。
  我們本教學使用的16位元組合器是as86，也是Linux 0.11編寫啟動程式碼的其中一個組合器。它的組合語法類似Intel的，而不是麻煩的AT&T，具體用法請在終端輸入man as86檢視。
  現在as86並不自帶，我們需要安裝，在終端輸入以下指令：

sudo apt install bin86

  安裝成功後，如果輸入as86顯示如下資訊，表示安裝成功：

as: usage: as [-03agjuwO] [-b [bin]] [-lm [list]] [-n name] [-o obj] [-s sym] src

  從頭啥也不會開始寫也不現實，我給出一個以供參考：

.globl begtext,begdata,begbss,endtext,enddata,endbss ;全域性識別符號,供 ld86 連結使用。
.text 
begtext:
.data
begdata:
.bss
begbss:
.text

BOOTSEC=0x7C0

entry start
start:
    jmpi go,BOOTSEC ;段間跳轉 BOOTSEC 指出跳轉地址，標號go是偏移地址
go:    
    mov ax,cs
    mov ds,ax
    mov es,ax
    mov cx,#20      ;共顯示20個字元
    mov dx,#0x1004  ;字元顯示在螢幕第17行，第5列處
    mov bx,#0x000c  ;字元顯示屬性為紅色
    mov bp,#msg     ;指向要顯示的字元
    mov ax,#0x1301  ;寫字串並移動遊標到串結尾處
    int 0x10
loop0: jmp loop0    ;死迴圈
msg: 
    .ascii "Loading system...!" 
    .byte 13,10
.org 510 ;表示以後語句從地址 510 偏移開始存放
    .word 0xAA55    ;有效引導磁區標誌，提BIOS載入引導磁區
.text
endtext:
.data
enddata:
.bss
endbss:

  這個程式碼我命名為boot.s，然後在該程式碼所在資料夾下進入終端，輸入以下指令：

as86 -0 -a -o boot.o boot.s
ld86 -0 -d -o boot.bin boot.o

編譯引數

  這樣得到的就是我們想要的內容檔案boot.bin。不過我們得把這幾個命令列引數介紹一下。

-0

  as86是生成16位元組合程式碼，如果用了超過8086指令集發出警告。
  ld86是生成16位元檔案頭，這個我們不要，需要刪除。

-a

  啟用與Minix asld的部分相容性，看不懂可以不管。

-d

  刪除檔案頭。

-o

  輸出檔名/路徑。

寫入映象

  得到boot.bin之後，我們需要將這個資料寫入虛擬映象test.img當中，我們需要輸入以下命令：

dd if=boot.bin of=test.img bs=512 count=1 conv=notrunc 

  dd是用於磁碟操作的命令,可以深入磁碟的任何一個磁區。如果要了解詳情，請在終端輸入man dd。這裡我們僅僅介紹我們使用的引數。

if=

  指定要讀取的檔案。

of=

  指定把資料輸出到哪個檔案。

bs=

  指定塊的大小，dd是以塊為單位來進行IO操作的，得指明塊是多大位元組。

count=

  指定拷貝的塊數。

conv=

  指定如何轉換檔案。建議在追加資料時，conv最好用notrunc方式，也就是不打斷檔案。

測試

  執行完這些操作後，我們雙擊我們的startLearning.sh看看結果：

  這就說明成功了。

編寫 Makefile

  以後我們如果頻繁更改編譯，每次輸入這幾個指令是不是太麻煩了？我們可以寫一個Makefile檔案，每次只需在該目錄下輸入make就可以重新編譯：

all: boot.bin img

boot.bin: boot.s
    as86 -0 -a -o boot.o boot.s
    ld86 -0 -d -o boot.bin boot.o

img: boot.bin
    rm -f test.img
    bximage -hd -mode="flat" -size=60 -q test.img 
    dd if=boot.bin of=test.img bs=512 count=1 conv=notrunc  

clean:
    rm -f boot.bin boot.o test.img

磁碟讀寫

  有關磁碟結構，這裡就不多說了，我們把重點放到如何用組合來讀寫磁碟相關內容。如果想詳細瞭解建議看《作業系統真相還原》的第134頁，或者從網路找相關資料。
  硬碟控制器屬於IO介面，CPU和硬碟打交道是通過硬碟控制器實現的，開始硬碟和控制器是分開的，後來被整到一起，這種介面便稱為整合裝置電路（ Integrated Drive Electronics, IDE ）。
  讓硬碟工作，我們需要通過讀寫硬碟控制器的埠，埠的概念在此重複下，埠就是位於IO制器上的暫存器，此處的埠是指硬碟控制器上的暫存器。但硬碟十分複雜，目前我們只用到其中的一小部分，具體瞭解詳情請自行搜尋AT Attachment with Packet Interface，一共三卷。

  埠可以被分為兩組，Command Block registers和Control Block registers。Command Block registers用於向硬碟機寫入命令宇或者從硬碟控制器獲得硬碟狀態，Control Block registers用於控制硬碟工作
狀態。在Control Block registers組中的暫存器已經精減了，而且咱們基本上用不到，就不贅述了，下面重點介紹Command Block registers組中的暫存器。
  埠是按照通道給出的，也就是說，埠不是直接針對某塊硬碟的。一個通道上的主、從兩塊硬碟都用這些埠號，要想操作某通道上的某塊硬碟，需要單獨指定。
  Data暫存器在名字上我們就知道它是負責管理資料的，它相當於資料的門，資料能進，也能出，所以其作用是讀取或寫入資料。這個暫存器是16位元的，得到了特殊照顧。在讀硬碟時，硬碟準備好的資料後，硬碟控制器將其放在內部的緩衝區中，不斷讀此暫存器便是讀出緩衝區中的全部資料。在寫硬碟時，我們要把資料來源源不斷地輸送到此埠，資料便被存入緩衝區裡，硬碟控制器發現這個緩衝區中有資料了，便將此處的資料寫入相應的磁區中。
  讀硬碟時，埠0x171和0x1F1的暫存器名字叫Error暫存器，只在讀取硬碟失敗時有用，裡面才會記錄失敗的資訊，尚未讀取的磁區數在Sector count暫存器中。在寫硬碟時，此暫存器有了別的用途，被稱之為Feature暫存器。有些命令需要指定額外引數，這些引數就寫在Feature暫存器中。暫存器都是8位元寬度。
  Sector count暫存器用來指定待讀取或待寫入的磁區數。硬碟每完成一個磁區，就會將此暫存器的值減一，所以如果中間失敗了，此暫存器中的值便是尚未完成的磁區。這是8位元暫存器，最大值為255，若指定為0，則表示要操作256個磁區。
  硬碟中的磁區在物理上是用柱面-磁頭-磁區來定位的Cylinder Head Sector，簡稱為CHS，但每次我們要事先算出磁區是在哪個盤面，哪個柱面上，這太麻煩了，但這對於磁頭來說很直觀，它就是根據這些資訊來定位磁區的。我們希望磁碟中磁區從
0開始依次遞增編號，不用考慮磁區所在的物理結構，這是一種邏輯上為磁區址的方法，全稱為邏輯塊地址Logical Block Address。
  LBA有兩種，一種是LBA28，用28位位元來描述一個磁區的地址，最大支援128 GB，為了簡單，我們可以使用該方式；另外一種是LBA48，用48位位元來描述一個磁區的地址，最大支援131072 TB，目前沒有任何記憶體超過該大小。
  介紹完了LBA，現在可以說LBA暫存器了，這裡有LBA low、LBA mid、LBA high三個，它們三個都是8位元寬度的。LBA low暫存器用來儲存0-7位，LBA mid暫存器用來儲存8-15位，LBA high暫存器儲存16-23位。但這總共才24位元，連LBA28都不夠，咱們怎麼用呢？Device暫存器。
  Device暫存器是個雜項，它的寬度是8位元。在此暫存器的低4位元用來儲存LBA地址的24-27位。索引4位用來指定通道上的主盤或從盤，0代表主盤，1代表從盤。索引5位用來設定是否啟用LBA方式，1代表啟用LBA模式，0代表啟用CHS模式。剩餘的兩位，稱為MBS位，都固定是1。
  在讀硬碟時，埠0x1F7和0x177的暫存器名稱是Status，它是8位元寬度的暫存器，用來給出硬碟的狀態資訊。索引0位是ERR位，如果此位為1，表示命令出錯了，具體原因可見Error暫存器。索引3位是Request位，如果此位為1，表示硬碟己經把資料準備好了，主機現在可以把資料讀出來。索引6位是 DRDY,表示硬碟就緒，此位是在對硬碟診斷時用的，表示硬碟檢測正常，可以繼續執行一些命令。索引7位是BSY位，表示硬碟是否繁忙，如果為1表示硬碟正忙著，此暫存器中的其他位都無效。剩餘的幾位用不到暫且不關注。
  在寫硬碟時，埠0x1F7和0x177的暫存器名稱是Command。此暫存器用來儲存讓硬碟執行的命令，只要把命令寫進此暫存器，硬碟就開始工作了。在咱們的系統中，主要使用了三個命令。

1. identify: 0xEC ，即硬碟識別。
2. read sector: 0x20 ，即讀磁區。
3. write sector: 0x30 ，即寫磁區。

  我們來用圖簡單總結一下：

  不管是讀硬碟，還是寫硬碟，都不是一個指令就完事的。我們先理順一個步驟：

1. 先選擇通道，往該通道的Sector count暫存器中寫入待操作的磁區數。
2. 往該通道上的三個LBA暫存器寫入磁區起始地址的低24位。
3. 往Device暫存器中寫入LBA地址的24-27位，並置第6位置為1，使其為LBA模式，設定第4位元，選擇操作的硬碟（master硬碟或slave硬碟）。
4. 往該通道上的Command暫存器寫入操作命令。
5. 讀取該通道上的Status暫存器，判斷硬碟工作是否完成。
6. 如果以上步驟是讀硬碟，進入下一個步驟。否則，結束。
7. 將硬碟資料讀出。

  硬碟工作完成後，它己經準備好了資料，咱們該怎麼獲取呢？一般常用的資料傳送方式如下：

1. 無條件傳送方式
2. 查詢傳送方式
3. 中斷傳送方式
4. 直接記憶體存取方式DMA
5. IO 處理機傳送方式

  這些傳送方式我就不細說了，這不是我們的重點。感興趣可以翻閱《作業系統真相還原》的第139頁，或者其他資料。第1種方法不能用，因為硬碟需要在某種條件下才能傳輸。第4種和第5種需要單獨的硬體支援。所以我們實現會使用較為簡單的第2種和第3種。
  在之後的章節，弄好保護模式和分頁的基礎，我們會使用所有已學知識，學習Linux 1.1核心原始碼，並仿照逐步完善寫一個十分簡單的核心。

真真實模式雜談

  弄了這麼多，我們需要複習一下真真實模式相關的知識，因為這幾篇之後，我們就要搞保護模式，會花費大量的篇幅介紹基礎知識。
  在真真實模式下CPU存取資料將按照基址 + 偏移來進行。至於分類有暫存器定址、直接定址、記憶體定址。
  在該模式下，使用者程式和作業系統可以說是同一特權的程式，因為真真實模式下沒有特權級，它處處和作業系統平起平坐，所以可以執行一些具有破壞性的指令。程式可以隨意修改自己的段基址，這樣便在記憶體空間內不受阻攔，可以隨意存取任意實體記憶體，包括存取作業系統所在的記憶體資料，完全沒有保護性可言。使用者程式甚至可以覆蓋作業系統在記憶體中的映像，整個計算機世界的和平全靠程式設計師的心情。

練習與思考

  俗話說得好，光說不練假把式，如下是本節相關的練習。如果練習沒做成功，就不要看下一節教學了。

1. 獨立完成本篇實驗，併成功在Bochs中列印出紅色的Loading system...!字串。

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