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Bootloader

我们知道计算机启动是从BIOS开始,再由BIOS决定从哪个设备启动以及启动顺序,比如先从DVD启动再从硬盘启动等。计算机启动后,BIOS根据配置找到启动设备,并读取这个设备的第0个扇区,把这个扇区的内容加载到0x7c00,之后让CPU从0x7c00开始执行,这时BIOS已经交出了计算机的控制权,由被加载的扇区程序接管计算机。
这第一个扇区的程序就叫Boot,它一般做一些准备工作,把操作系统内核加载进内存,并把控制权交给内核。由于Boot只能有一个扇区大小,即512字节,它所能做的工作很有限,因此它有可能不直接加载内核,而是加载一个叫Loader的程序,再由Loader加载内核。因为Loader不是BIOS直接加载的,所以它可以突破512字节的程序大小限制(在实模式下理论上可以达到1M)。如果Boot没有加载Loader而直接加载内核,我们可以把它叫做Bootloader。
Bootloader加载内核就要读取文件,在实模式下可以用BIOS的INT 13h中断。内核文件放在哪里,怎么查找读取,这里牵涉到文件系统,Bootloader要从硬盘(软盘)的文件系统中查找内核文件,因此Bootloader需要解析文件系统的能力。GRUB是一个专业的Bootloader,它对这些提供了很好的支持。
对于一个Toy操作系统来说,可以简单处理,把内核文件放到Bootloader之后,即从软盘的第1个扇区开始,这样我们可以不需要支持文件系统,直接读取扇区数据加载到内存即可。

实模式到保护模式

我们知道Intel x86系列CPU有实模式和保护模式,实模式从8086开始就有,保护模式从80386开始引入。为了兼容,Intel x86系列CPU都支持实模式。现代操作系统都是运行在保护模式下(Intel x86系列CPU)。计算机启动时,默认的工作模式是实模式,为了让内核能运行在保护模式下,Bootloader需要从实模式切换到保护模式,切换步骤如下:
  1. 准备好GDT(Global Descriptor Table)
  2. 关中断
  3. 加载GDT到GDTR寄存器
  4. 开启A20,让CPU寻址大于1M
  5. 开启CPU的保护模式,即把cr0寄存器第一个bit置1
  6. 跳转到保护模式代码
GDT是Intel CPU保护模式运行的核心数据结构,所有保护模式操作的数据都从GDT表开始查找,这里有GDT的详细介绍。
GDT中的每一个表项由8字节表示,如下图:


其中Access Byte和Flags如下图:


这里
是详细说明。
GDTR是一个6字节的寄存器,有4字节表示GDT表的基地址,2字节表示GDT表的大小,即最大65536(实际值是65535,16位最大值是65535),每个表项8字节,那么GDT表最多可以有8192项。
实模式的寻址总线是20bits,为了让寻址超过1M,需要开启A20,可以通过以下指令开启:
    in al, 0x92
    or al, 2
    out 0x92, al
把上述步骤完成之后,我们就进入保护模式了。在保护模式下我们要使用GDT通过GDT Selector完成,它是GDT表项相对于起始地址的偏移,因此它的值一般是0x0 0x8 0x10 0x18等。

ELF文件

Bootloader程序是原始可执行文件,如果程序由汇编写成,汇编编译器编译生成的文件就是原始可执行文件,也可以使用C语言编写,编译成可执行文件之后通过objcopy转换成原始可执行文件,这篇文章介绍了用C语言写Bootloader。
那么内核文件是什么格式的呢?跟Bootloader一样的当然可以。内核一般使用C语言编写,每次编译链接完成之后调用objcopy是可以的。我们也可以支持通用的可执行文件格式,ELF(Executable and Linkable Format)即是一种通用的格式,它的维基百科
ELF文件有两种视图(View),链接视图和执行视图,如下图:



链接视图通过Section Header Table描述,执行视图通过Program Header Table描述。Section Header Table描述了所有Section的信息,包括所在的文件偏移和大小等;Program Header Table描述了所有Segment的信息,即Text Segment, Data Segment和BSS Segment,每个Segment中包含了一个或多个Section。
对于加载可执行文件,我们只需关注执行视图,即解析ELF文件,遍历Program Header Table中的每一项,把每个Program Header描述的Segment加载到对应的虚拟地址即可,然后从ELF header中取出Entry的地址,跳转过去就开始执行了。对于ELF格式的内核文件来说,这个工作就需要由Bootloader完成。Bootloader支持ELF内核文件加载之后,用C语言编写的内核编译完成之后就不需要objcopy了。

为什么写操作系统

首先是兴趣,在现在这个时代,写操作系统几乎没有实用价值,只能是一个Toy,在写一个Toy OS时,可以学习掌握很多知识,并把这些知识贯穿实用起来。操作系统是一个复杂的系统,牵涉到的东西很多,我相信写操作系统可以帮助理解现代操作系统及其它底层知识。我目前才刚开始写,代码放在Github上。
posted on 2014-10-30 19:13 airtrack 阅读(2791) 评论(1)  编辑 收藏 引用

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# re: 操作系统实现(一):从Bootloader到ELF内核 2014-11-05 18:57 pccat
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