mit-6.828 Lab01:Booting a PC Part2 理论知识

Part 2

目录

• Part 2
  • 学习理论知识
    • 反汇编
    • 扇区
    • BIOS 启动过程总结
    • Boot loader启动过程总结
    • A20 gate
  • 读boot/boot.S 和 boot/boot.c源码
    • - boot/boot.S
    • - boot/mian.c

学习理论知识

反汇编

把机器语言转换为汇编语言代码

扇区

对于PC来说，软盘，硬盘都可以被划分为一个个大小为512字节的区域，叫做扇区。一个扇区是一次磁盘操作的最小粒度。每一次读取或者写入操作都必须是一个或多个扇区。如果一个磁盘是可以被用来启动操作系统的，就把这个磁盘的第一个扇区叫做启动扇区。当BIOS找到一个可以启动的软盘或硬盘后，它就会把这512字节的启动扇区加载到内存地址0x7c00~0x7dff这个区域内。

BIOS 启动过程总结

• 当计算机加电后，一般不直接执行操作系统，而是执行系统初始化软件完成基本IO初始化和引导加载功能。简单地说，系统初始化软件就是在操作系统内核运行之前运行的一段小软件。通过这段小软件，我们可以初始化硬件设备、建立系统的内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。最终引导加载程序把操作系统内核映像加载到RAM中，并将系统控制权传递给它。

• 对于绝大多数计算机系统而言，操作系统和应用软件是存放在磁盘（硬盘/软盘）、光盘、EPROM、ROM、Flash等可在掉电后继续保存数据的存储介质上。计算机启动后，CPU一开始会到一个特定的地址开始执行指令，这个特定的地址存放了系统初始化软件，负责完成计算机基本的IO初始化，这是系统加电后运行的第一段软件代码。对于Intel 80386的体系结构而言，PC机中的系统初始化软件由BIOS (Basic Input Output System，即基本输入/输出系统，其本质是一个固化在主板Flash/CMOS上的软件)和位于软盘/硬盘引导扇区中的OS Boot Loader（在ucore中的bootasm.S和bootmain.c）一起组成。BIOS实际上是被固化在计算机ROM（只读存储器）芯片上的一个特殊的软件，为上层软件提供最底层的、最直接的硬件控制与支持。更形象地说，BIOS就是PC计算机硬件与上层软件程序之间的一个"桥梁"，负责访问和控制硬件。

• 以Intel 80386为例，计算机加电后，CPU从物理地址0xFFFFFFF0（由初始化的CS：EIP确定，此时CS和IP的值分别是0xF000和0xFFF0)）开始执行。在0xFFFFFFF0这里只是存放了一条跳转指令，通过跳转指令跳到BIOS例行程序起始点。BIOS做完计算机硬件自检和初始化后，会选择一个启动设备（例如软盘、硬盘、光盘等），并且读取该设备的第一扇区(即主引导扇区或启动扇区)到内存一个特定的地址0x7c00处，然后CPU控制权会转移到那个地址继续执行。至此BIOS的初始化工作做完了，进一步的工作交给了bootloader。

• ⚠ 计算机加电后，首先处于 实模式 ，经过boot loader转换后切换到32-bit 保护模式

Boot loader启动过程总结

BIOS将通过读取硬盘主引导扇区到内存，并转跳到对应内存中的位置执行bootloader。bootloader完成的工作包括：

• 切换到保护模式，启用分段机制
• 读磁盘中ELF执行文件格式的操作系统到内存
• 显示字符串信息
• 把控制权交给操作系统

对应实现文件../boot/boot.S 和 ../boot/main.c

A20 gate

1. 8088/8086只有20位地址线，按理它的寻址空间是2^20，应该是1024KB，但PC机的寻址结构是segment:offset，所以segment:offset所能表达的寻址空间最大应为0ffff0h + 0ffffh = 10ffefh（大约1088kB）

• 当你用segment:offset的方式企图寻址100000h这个地址时，由于没有实际的第21位地址线，你实际寻址的内存是00000h的位置，如果你企图寻址100001h这个地址时，你实际得到的内容是地址00001h上的内容
  • 这个事对实际使用几乎没有任何影响，但是后来就不行了，出现了80286，地址线达到了24位，使segment:offset寻址100000h--10ffefh这将近64K的存储器成为可能，为了保持向下兼容，于是出现了A20 Gate

2. 

3. 扩展内存：1M以上的内存寻址空间

   • 这里面绝大部分内存区域只能在保护模式下才能寻址到，
   • 但有一部分既可以在保护模式下，也可以在实模式下寻址，这就是我们前面提到过的地址100000h--10ffefh之间的这块内存，为了表明其特殊性，我们把这块有趣的内存区叫做“高端内存”。
   • （如果当初IBM把上位内存区的东西放在低端，就没有这么多麻烦了）

4. ROM和RAM的地址重叠

   • 实际的内存条上地址都是连续的，采用技术手段把这段地址空间空出来给ROM 用，比浪费这384K内存的成本还要高 所以采用ROM和RAM的地址重叠
   • 实际上，往往ROM并不能完全覆盖整个384K区域，这样就会有一些地址没有被ROM占用，那么这部分地址上的RAM仍然是可以使用的。
   • ROM Shadowing:
     • RAM和ROM的性能是有很大差异的，RAM的存取速度要远远大于ROM，而且RAM可以32位存取，ROM通常只能16位
     • 当机器加电后，先让ROM有效，RAM无效，然后读出ROM内容，再让ROM无效，RAM有效，把读出的ROM内容放到相同地址的RAM中，并把相应位置的RAM设定为只读，这样就把ROM搬到了RAM中，地址完全一样，只是性能比使用ROM要高些，这块RAM就好像ROM的Shadow一样。

5. A20 gate:

   • 出现80286以后，为了保持和8086的兼容，需要使用第21根地址总线在设计上在第21条地址线（也就是A20）上做了一个开关，当这个开关打开时，这条地址线和其它地址线一样可以使用，当这个开关关闭时，第21条地址线（A20）恒为0

   • A20 gate在什么时候需要打开

     • 在实模式下要访问高端内存区，这个开关必须打开；

     • 在保护模式下，由于使用32位地址线，如果A20恒等于0，那么系统只能访问奇数兆的内存，即只能访问0--1M、2-3M、4-5M......，这显然是不行的，所以在保护模式下，这个开关也必须打开

   • PC如何实现A20 gate：

     • 用8042芯片（控制键盘的单独的单片机），但与键盘毫无关系

参考资料：https://blog.csdn.net/jxth152913/article/details/52512663

读boot/boot.S 和 boot/boot.c源码

- boot/boot.S

• 该文件的目的：

  1. start CPU, switch to 32-bit protected mode（启动CPU 并且最终转到32-bit 保护模式）
  2. BIOS loads code from first sector of the hard disk into memory at physical addr 07xc00
  3. executing in real mode (%cs=0, %ip=7c00)

• 步骤：

  1. 初始化重要的segment registers，全部初始化为0
  2. 16位指令下，屏蔽中断，初始化段寄存器
  3. 开启A20 gate，停止取模运算，将高位的空间也可访问
  4. 利用bootstrap GDT转换到protected mode
  5. 跳转到32-bit模式下的下一个指令
  6. 然后在32-bit 保护模式下，设置保护模式的寄存器
  7. 设置stack pointer 然后调用main.c执行main.c里面的bootmain函数

• 关于开启A20 gate的代码部分解析：

11  # Enable A20:
12  #   For backwards compatibility with the earliest PCs, physical
13  #   address line 20 is tied low, so that addresses higher than
14  #   1MB wrap around to zero by default.  This code undoes this.
15 seta20.1:
16  inb     $0x64,%al               # Wait for not busy
17  testb   $0x2,%al
18  jnz     seta20.1

19  movb    $0xd1,%al               # 0xd1 -> port 0x64
20  outb    %al,$0x64

21 seta20.2:
22  inb     $0x64,%al               # Wait for not busy
23  testb   $0x2,%al
24  jnz     seta20.2

25  movb    $0xdf,%al               # 0xdf -> port 0x60
26  outb    %al,$0x60

​ 这部分指令就是在准备把CPU的工作模式从实模式转换为保护模式。我们可以看到其中的指令包括inb，outb这样的IO端口命令。所以这些指令都是在对外部设备进行操作。根据下面的链接：

　　 http://bochs.sourceforge.net/techspec/PORTS.LST

　　我们可以查看到，0x64端口属于键盘控制器804x，名称是控制器读取状态寄存器。下面是它各个位的含义。

　　

　　所以16~18号指令是在不断的检测bit1。bit1的值代表输入缓冲区是否满了，也就是说CPU传送给控制器的数据，控制器是否已经取走了，如果CPU想向控制器传送新的数据的话，必须先保证这一位为0。所以这三条指令会一直等待这一位变为0，才能继续向后运行。

　　当0x64端口准备好读入数据后，现在就可以写入数据了，所以19~20这两条指令是把0xd1这条数据写入到0x64端口中。当向0x64端口写入数据时，则代表向键盘控制器804x发送指令。这个指令将会被送给0x60端口。

　　

　　通过图中可见，D1指令代表下一次写入0x60端口的数据将被写入给804x控制器的输出端口。可以理解为下一个写入0x60端口的数据是一个控制指令。

　　然后21~24号指令又开始再次等待，等待刚刚写入的指令D1，是否已经被读取了。

　　如果指令被读取了，25~26号指令会向控制器输入新的指令，0xdf。通过查询我们看到0xDF指令的含义如下

　　

　　这个指令的含义可以从图中看到，使能A20线，代表可以进入保护模式了。

boot.S & main.c 代码分析链接：

https://www.cnblogs.com/fatsheep9146/p/5115086.html

- boot/mian.c

• boot.S & main.c存在磁盘第一个扇区

• 第二个扇区开始保存kernel

• 内核需为ELF格式

• Boot up steps:

  1. CPU启动后，加载BIOS进入内存并执行它
  2. BIOS初始化设备、一系列中断准备、读取第一个扇区的boot device到内存并跳到该处
  3. 从boot.S开始控制，它建立保护模式+1个stack，以便C代码可以跑，然后调用bootmain()函数
  4. bootmain()函数读取内核并跳到内核

• segment 和 sector的关系：一个segment包含多个sector

• readsect(void *dst, uint32_t offset)

• readseg(uchar *pa, uint count, uint offset)

  它的功能从注释上来理解是，把距离内核起始地址offset个偏移量存储单元作为起始，将它和它之后的count字节的数据读出送入以pa为起始地址的内存物理地址处。