操作系统实验好难——系统引导

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b3646350100an8k.html

实验目的

• 建立对操作系统引导过程的深入认识；
• 掌握操作系统的基本开发过程；
• 能对操作系统进行简单的控制，揭开操作系统的神秘面纱。

实验内容

此次实验的基本内容是：编写一个放入引导扇区的操作系统引导程序bootsect.s，和一个进入保护模式前的设置程序setup.s，并将该bootsect.s和setup.s编译后在Bochs中运行，进行实验。

编写的引导程序bootsect.s和setup.s主要完成如下三个部分的功能：

1. bootsect.s能在屏幕上打印一段提示信息“XXX is booting...”，其中XXX是你给自己的操作系统起的名字，例如LZJos、Sunix等（可以上论坛上秀秀谁的OS名字最帅）。（实验者也可以 做一个特色logo并显示在屏幕上，以表示自己操作系统的与众不同，当然这要花费一定的时间，也不属于加分内容，鼓励大家在将来有时间的时候做一下。）
2. bootsect.s能完成setup.s的载入，并跳转到setup.s开始地址执行。而setup.s向屏幕输出一行“Now we are in SETUP”。
3. setup.s能获取基本的硬件参数（如内存参数、显卡参数、硬盘参数等，在本实验中只要获取一个参数就取分，获取多个参数不加分，但后面的实验中会用到 某些参数，如实验六的终端设备需要显卡的参数，所以在将来需要的时候能再回来修改），将这些参数放在内存的特定地址，留着将来使用，并输出到屏幕上。

实验报告

完成实验后，在实验报告中回答如下问题：

1. 你觉得boot的过程复杂吗？为什么？
2. 摒弃一切清规戒律，尝试设计一个更简洁的boot过程

评分标准

• bootsect显示正确，15%
• bootsect正确读入setup，15%
• setup显示正确，10%
• setup获取硬件参数正确，15%
• setup正确显示硬件参数，15%
• tools/build.c修改正确，10%
• 实验报告，20%

实验提示

操作系统的boot代码有很多，并且大部分是相似的，所以可以仿照这些代码编写。本实验将仿照Linux-0.11/boot目录下的bootsect.s和setup.s进行，以剪裁它们为主线。当然，如果能完全从头编写来实现实验所要求的功能是再好不过了。

同济大学赵炯博士的《Linux内核0.11完全注释》一书的第3章是非常有帮助的参考，可以在“资料和文件下载”中下载到电子版。实验中可能遇到的各种问题，在这里几乎都能找到答案。校友谢煜波撰写的《操作系统引导探究》也是一份很好的参考。

需要注意的是，Linux的汇编代码使用AS86编译，语法上和我们在汇编课上所学的汇编稍有不同，请注意观察。

下面将给出一些更具体的“提示”，没自信者要认真阅读，强者可忽略它们，牛人向后转去找更肥的草吧。

Linux 0.11相关代码详解

boot/bootsect.s、boot/setup.s和tools/build.c是本实验会涉及到的程序。它们的功能详见《Linux内核0.11完全注释》的3.3、3.4和13.2节。

如果使用Windows下的环境，那么要注意Windows环境里提供的build.c是一个经过修改过的版本。Linus Torvalds的原版是将0.11内核的最终目标代码输出到标准输出，由make程序将数据重定向到Image文件，这在Linux、Unix和 Minix等系统下都是非常有效的。但Windows本身的缺陷（也许是特色）决定了在Windows下不能这么做，所以flyfish修改了 build.c，将输出直接写入到Image（flyfish是写入到Boot.img文件，我们为了两个环境的一致，也为了最大化地与原始版本保持统 一，将其改为Image）文件中。同时为了适应Windows下的一些特殊情况，他还做了一些其它小的修改。

完成bootsect.s的屏幕输出功能

首先来看完成屏幕显示的关键代码如下：

    ! 首先读入光标位置

    mov    ah,#0x03                

    xor     bh,bh

    int        0x10



    ! 显示字符串“LZJos is running...”

    mov cx,#25                  ! 要显示的字符串长度

    mov  bx,#0x0007              ! page 0, attribute 7 (normal)

    mov       bp,#msg1

    mov     ax,#0x1301              ! write string, move cursor

    int  0x10



inf_loop:

    jmp        inf_loop                ! 后面都不是正经代码了，得往回跳呀

    ! msg1处放置字符串



msg1:

    .byte 13,10                  ! 换行+回车

    .ascii "LZJos is running..."

    .byte 13,10,13,10                    ! 两对换行+回车

    !设置引导扇区标记0xAA55

    .org 510

boot_flag:

    .word 0xAA55                      ! 必须有它，才能引导

接下来，将完成屏幕显示的代码在开发环境中编译，并使用linux-0.11/tools/build.c将编译后的目标文件做成Image文件。

编译和运行

Ubuntu上先从终端进入~/oslab/linux-0.11/boot/目录。Windows上则先双击快捷方式“MinGW32.bat”，将打开一个命令行窗口，当前目录是oslab。无论那种系统，都执行下面两个命令：

as86 -0 -a -o bootsect.o bootsect.s

ld86 -0 -s -o bootsect bootsect.o

其中-0（注意：这是数字0，不是字母O）表示生成8086的16位目标程序，-a表示生成与GNU as和ld部分兼容的代码，-s告诉链接器ld86去除最后生成的可执行文件中的符号信息。

如果这两个命令没有任何输出，说明编译与链接都通过了。Ubuntu下用ls -l可列出下面的信息：

-rw--x--x    1  root  root  544  Jul  25  15:07   bootsect

-rw------    1  root  root  257  Jul  25  15:07   bootsect.o

-rw------    1  root  root  686  Jul  25  14:28   bootsect.s

Windows下用dir可列出下面的信息：

2008-07-28  20:14               544 bootsect

2008-07-28  20:14               924 bootsect.o

2008-07-26  20:13             5,059 bootsect.s

其中bootsect.o是中间文件，没有用处。bootsect是编译、链接后的目标文件。

需要留意的文件是bootsect的文件大小是544字节，而引导程序必须要正好占用一个磁盘扇区，即512个字节。造成多了32个字节的原因是ld86 产生的是Minix可执行文件格式，这样的可执行文件处理文本段、数据段等部分以外，还包括一个Minix可执行文件头部，它的结构如下：

struct exec {

    unsigned char a_magic[2];  //执行文件魔数

    unsigned char a_flags;

    unsigned char a_cpu;       //CPU标识号

    unsigned char a_hdrlen;    //头部长度，32字节或48字节

    unsigned char a_unused;

    unsigned short a_version;

    long a_text; long a_data; long a_bss; //代码段长度、数据段长度、堆长度

    long a_entry;    //执行入口地址

    long a_total;    //分配的内存总量

    long a_syms;     //符号表大小 

};

算一算：6 char(6字节)+1 short(2字节)+6 long(24字节)=32，正好是32个字节，去掉这32个字节后就可以放入引导扇区了（这是tools/build.c的用途之一）。

对于上面的Minix可执行文件，其a_magic[0]=0x01，a_magic[1]=0x03，a_flags=0x10（可执行文件），a_cpu=0x04（表示Intel i8086/8088，如果是0x17则表示Sun公司的SPARC），所以bootsect文件的头几个字节应该是01 03 10 04。为了验证一下，Ubuntu下用命令“hexdump -C bootsect”可以看到：

00000000  01 03 10 04 20 00 00 00  00 02 00 00 00 00 00 00  |.... ...........|

00000010  00 00 00 00 00 00 00 00  00 82 00 00 00 00 00 00  |................|

00000020  b8 c0 07 8e d8 8e c0 b4  03 30 ff cd 10 b9 17 00  |.........0......|

00000030  bb 07 00 bd 3f 00 b8 01  13 cd 10 b8 00 90 8e c0  |....?...........|

00000040  ba 00 00 b9 02 00 bb 00  02 b8 04 02 cd 13 73 0a  |..............s.|

00000050  ba 00 00 b8 00 00 cd 13  eb e1 ea 00 00 20 90 0d  |............. ..|

00000060  0a 53 75 6e 69 78 20 69  73 20 72 75 6e 6e 69 6e  |.Sunix is runnin|

00000070  67 21 0d 0a 0d 0a 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |g!..............|

00000080  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|

*

00000210  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|

00000220

Windows下用UltraEdit把该文件打开，果然如此。

图1 用UltraEdit打开文件bootsect

接下来干什么呢？是的，要去掉这32个字节的文件头部（tools/build.c的功能之一就是这个）！随手编个小的文件读写程序都可以去掉它。不过，懒且聪明的人会在Ubuntu下用命令：

$ dd bs=1 if=bootsect of=Image skip=32

生成的Image就是去掉文件头的bootsect。

Windows下可以用UltraEdit直接删除（选中这32个字节，然后按Ctrl+X）。

去掉这32个字节后，将生成的文件拷贝到linux-0.11目录下，并一定要命名为“Image”（注意大小写）。然后就“run”吧！

图2 bootsect引导后的系统启动情况

bootsect.s读入setup.s

首先编写一个setup.s，该setup.s可以就直接拷贝前面的bootsect.s（可能还需要简单的调整），然后将其中的显示的信息改为：“Now we are in SETUP”。

接下来需要编写bootsect.s中载入setup.s的关键代码。原版bootsect.s中下面的代码就是做这个的。

load_setup:

    mov       dx,#0x0000              !设置驱动器和磁头(drive 0, head 0): 软盘0磁头

    mov    cx,#0x0002              !设置扇区号和磁道(sector 2, track 0):0磁头、0磁道、2扇区

    mov     bx,#0x0200              !设置读入的内存地址：BOOTSEG+address = 512，偏移512字节

    mov     ax,#0x0200+SETUPLEN     !设置读入的扇区个数(service 2, nr of sectors)，

                                       !SETUPLEN是读入的扇区个数，Linux 0.11设置的是4，

                                  !我们不需要那么多，我们设置为2

    int     0x13                    !应用0x13号BIOS中断读入2个setup.s扇区

    jnc  ok_load_setup           !读入成功，跳转到ok_load_setup: ok - continue

    mov        dx,#0x0000              !软驱、软盘有问题才会执行到这里。我们的镜像文件比它们可靠多了

    mov      ax,#0x0000              !否则复位软驱 reset the diskette

    int   0x13

    jmp load_setup              !重新循环，再次尝试读取

ok_load_setup:

    ！接下来要干什么？当然是跳到setup执行。

所有需要的功能在原版bootsect.s中都是存在的，我们要做的仅仅是删除那些对我们无用的代码。

再次编译

现在有两个文件都要编译、链接。一个个手工编译，效率低下，所以借助Makefile是最佳方式。

在Ubuntu下，进入linux-0.11目录后，使用下面命令（注意大小写）：

$ make BootImage

Windows下，在命令行方式，进入Linux-0.11目录后，使用同样的命令（不需注意大小写）：

make BootImage

无论哪种系统，都会看到：

Unable to open 'system'

make: *** [BootImage] Error 1

有Error！这是因为make根据Makefile的指引执行了tools/build.c，它是为生成整个内核的镜像文件而设计的，没考虑我们只需要bootsect.s和setup.s的情况。它在向我们要“系统”的核心代码。为完成实验，接下来给它打个小补丁。

修改build.c

build.c从命令行参数得到bootsect、setup和system内核的文件名，将三者做简单的整理后一起写入Image。其中system是第三个参数（argv[3]）。当“make all”或者“makeall”的时候，这个参数传过来的是正确的文件名，build.c会打开它，将内容写入Image。而“make BootImage”时，传过来的是字符串"none"。所以，改造build.c的思路就是当argv[3]是"none"的时候，只写bootsect和setup，忽略所有与system有关的工作，或者在该写system的位置都写上“0”。

修改工作主要集中在build.c的尾部，请斟酌。

当按照前一节所讲的编译方法编译成功后，run，就得到了如图3所示的运行结果，和我们想得到的结果完全一样。

图3 用修改后的bootsect.s和setup.s进行引导的结果

setup.s获取基本硬件参数

setup.s将获得硬件参数放在内存的0x90000处。原版setup.s中已经完成了光标位置、内存大小、显存大小、显卡参数、第一和第二硬盘参数的保存。

用ah=#0x03调用0x10中断可以读出光标的位置，用ah=#0x88调用0x15中断可以读出内存的大小。有些硬件参数的获取要稍微复杂一些，如磁盘参数表。在PC机中BIOS设定的中断向量表中int 0x41的中断向量位置(4*0x41 = 0x0000:0x0104)存放的并不是中断程序的地址，而是第一个硬盘的基本参数表。第二个硬盘的基本参数表入口地址存于int 0x46中断向量位置处。每个硬盘参数表有16个字节大小。下表给出了硬盘基本参数表的内容：

表1 磁盘基本参数表

位移	大小	说明
0x00	字	柱面数
0x02	字节	磁头数
…	…	…
0x0E	字节	每磁道扇区数
0x0F	字节	保留

所以获得磁盘参数的方法就是复制数据。

下面是将硬件参数取出来放在内存0x90000的关键代码。

mov        ax,#INITSEG     

mov ds,ax !设置ds=0x9000

mov       ah,#0x03        !读入光标位置

xor  bh,bh

int    0x10            !调用0x10中断

mov        [0],dx          !将光标位置写入0x90000.



!读入内存大小位置

mov        ah,#0x88

int 0x15

mov     [2],ax



!从0x41处拷贝16个字节（磁盘参数表）

mov      ax,#0x0000

mov       ds,ax

lds    si,[4*0x41]

mov      ax,#INITSEG

mov      es,ax

mov    di,#0x0004

mov       cx,#0x10

rep                 !重复16次

movsb

现在已经将硬件参数（只包括光标位置、内存大小和硬盘参数，其他硬件参数取出的方法基本相同，此处略去）取出来放在了0x90000处，接下来的工作是将这些参数显示在屏幕上。这些参数都是一些无符号整数，所以需要做的主要工作是用汇编程序在屏幕上将这些整数显示出来。

以十六进制方式显示比较简单。这是因为十六进制与二进制有很好的对应关系（每4位二进制数和1位十六进制数存在一一对应关系），显示时只需将原二进制数每 4位划成一组，按组求对应的ASCII码送显示器即可。ASCII码与十六进制数字的对应关系为：0x30～0x39对应数字0～9，0x41～0x46 对应数字a～f。从数字9到a，其ASCII码间隔了7h，这一点在转换时要特别注意。为使一个十六进制数能按高位到低位依次显示，实际编程中，需对bx 中的数每次循环左移一组（4位二进制），然后屏蔽掉当前高12位，对当前余下的4位（即1位十六进制数）求其ASCII码，要判断它是0～9还是a～f， 是前者则加0x30得对应的ASCII码，后者则要加0x37才行，最后送显示器输出。以上步骤重复4次，就可以完成bx中数以4位十六进制的形式显示出 来。

下面是完成显示16进制数的汇编语言程序的关键代码，其中用到的BIOS中断为INT 0x10，功能号0x0E（显示一个字符），即AH=0x0E，AL=要显示字符的ASCII码。

!以16进制方式打印栈顶的16位数

print_hex:

    mov      cx,#4           ! 4个十六进制数字

    mov   dx,(bp)         ! 将(bp)所指的值放入dx中，如果bp是指向栈顶的话

print_digit:

    rol dx,#4           ! 循环以使低4比特用上 !! 取dx的高4比特移到低4比特处。

    mov     ax,#0xe0f       ! ah = 请求的功能值，al = 半字节(4个比特)掩码。

    and      al,dl           ! 取dl的低4比特值。

    add al,#0x30        ! 给al数字加上十六进制0x30

    cmp    al,#0x3a

    jl      outp            !是一个不大于十的数字

    add  al,#0x07        !是a～f，要多加7

outp: 

    int 0x10

    loop        print_digit

    ret

这里用到了一个loop指令，每次执行loop指令，cx减1，然后判断cx是否等于0。如果不为0则转移到loop指令后的标号处，实现循环；如果为0 顺序执行。另外还有一个非常相似的指令：rep指令，每次执行rep指令，cx减1，然后判断cx是否等于0，如果不为0则继续执行rep指令后的串操作 指令，直到cx为0，实现重复。

!打印回车换行

print_nl:

    mov ax,#0xe0d       ! CR

    int 0x10

    mov al,#0xa         ! LF

    int 0x10

    ret

只要在适当的位置调用print_bx和print_nl（注意，一定要设置好栈，才能进行函数调用）就能将获得硬件参数打印到屏幕上，完成此次实验的任 务。但事情往往并不总是顺利的，前面的两个实验大多数实验者可能一次就编译调试通过了（这里要提醒大家：编写操作系统的代码一定要认真，因为要调试操作系 统并不是一件很方便的事）。但在这个实验中会出现运行结果不对的情况（为什么呢？因为我们给的代码并不是100%好用的）。所以接下来要复习一下汇编，并 学学在Bochs中如何调试操作系统代码。

我想经过漫长而痛苦的调试后，大家一定能兴奋地得到下面的运行结果：

图4 用可以打印硬件参数的setup.s进行引导的结果

Memory Size是0x3C00KB，算一算刚好是15MB（扩展内存），加上1MB正好是16MB，看看Bochs配置文件bochs/bochsrc.bxrc：

……

megs: 16

……

ata0-master: type=disk, mode=flat, cylinders=410, heads=16, spt=38

……

这些都和上面打出的参数吻合，表示此次实验是成功的。

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http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b3646350100an8l.html

bootsect.s只是做了修改：

SYSSIZE = 0x3000
.globl begtext, begdata, begbss, endtext, enddata, endbss
.text
begtext:
.data
begdata:
.bss
begbss:
.text

SETUPLEN = 4    ! nr of setup-sectors
BOOTSEG  = 0x07c0   ! original address of boot-sector
INITSEG  = 0x9000   ! we move boot here - out of the way
SETUPSEG = 0x9020   ! setup starts here
SYSSEG   = 0x1000   ! system loaded at 0x10000 (65536).
ENDSEG   = SYSSEG + SYSSIZE  ! where to stop loading

ROOT_DEV = 0x306

entry _start
_start:
!-------------------------
 mov ax,#BOOTSEG
 mov ds,ax
 mov ax,#INITSEG
 mov es,ax
 mov cx,#256
 sub si,si
 sub di,di
 rep
 movw
 jmpi go,INITSEG
!---------------------------
go: mov ax,cs
 mov ds,ax
 mov es,ax
! put stack at 0x9ff00.
 mov ss,ax
 mov sp,#0xFF00  ! arbitrary value >>512

! load the setup-sectors directly after the bootblock.
! Note that 'es' is already set up.
!-----------------------------
load_setup:
 mov dx,#0x0000  ! drive 0, head 0
 mov cx,#0x0002  ! sector 2, track 0
 mov bx,#0x0200  ! address = 512, in INITSEG
 mov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectors
 int 0x13   ! read it
 jnc ok_load_setup  ! ok - continue
 mov dx,#0x0000
 mov ax,#0x0000  ! reset the diskette
 int 0x13
 j load_setup
!---------------------------
ok_load_setup:

! Print some inane message

 mov ah,#0x03  ! read cursor pos
 xor bh,bh
 int 0x10

 mov cx,#29
 mov bx,#0x0007  ! page 0, attribute 7 (normal)
 mov bp,#msg1
 mov ax,#0x1301  ! write string, move cursor
 int 0x10

 jmpi 0,SETUPSEG

msg1:
 .byte 13,10
 .ascii "Kerberos is Loading ..."
 .byte 13,10,13,10

.org 508
root_dev:
 .word ROOT_DEV
boot_flag:
 .word 0xAA55

.text
endtext:
.data
enddata:
.bss
endbss:
setup.s也只是修改了一下：

INITSEG  = 0x9000 ! we move boot here - out of the way
SYSSEG   = 0x1000 ! system loaded at 0x10000 (65536).
SETUPSEG = 0x9020 ! this is the current segment

.globl begtext, begdata, begbss, endtext, enddata, endbss
.text
begtext:
.data
begdata:
.bss
begbss:
.text

entry start
start:
! -------打印字符串----------------
 mov ax,cs;
 mov ds,ax;
 mov es,ax;
!--------代码段与数据段、附加段在一个位置--------
 mov ah,#0x03  ! read cursor pos
 xor bh,bh
 int 0x10
 
 mov cx,#22
 mov bx,#0x0007  ! page 0, attribute 7 (normal)
 mov bp,#msg1
 mov ax,#0x1301  ! write string, move cursor
 int 0x10

!--------打印光标位置---------------

 mov ax,#INITSEG ! this is done in bootsect already, but...
 mov ds,ax
 mov ah,#0x03 ! read cursor pos
 xor bh,bh
 int 0x10  ! save it in known place, con_init fetches
 mov [0],dx  ! it from 0x90000.

 mov cx,#13
 mov bx,#0x0007  ! page 0, attribute 7 (normal)
 mov bp,#cursor1
 mov ax,#0x1301  ! write string, move cursor
 int 0x10
  
!----------调用函数用数字打印------------
 push [0]
 call print_hex
 call print_nl
 pop [0];
 
!----------打印内存信息-------------------------- 
! Get memory size (extended mem, kB)
 mov ah,#0x03  ! read cursor pos
 xor bh,bh
 int 0x10
 
 mov cx,#14
 mov bx,#0x0007  ! page 0, attribute 7 (normal)
 mov bp,#memory
 mov ax,#0x1301  ! write string, move cursor
 int 0x10
 
 mov ah,#0x88
 int 0x15
 mov [2],ax
 
 push [2]
 call print_hex
 mov ax,#0xe4b   !K
 int 0x10
 mov al,#0x42   !B
 int 0x10
 call print_nl
 pop [0];
!----------------------------
msg1:
 .ascii "Ahh! I'm in SETUP..."
 .byte 13,10
cursor1:
 .byte 13,10
 .ascii "Cursor Pos:"
memory:
 .byte 13,10
 .ascii "Memory Size:"
!--------将16进制输出到屏幕上的函数----------------
print_hex:
 mov bp,sp;
 add bp,#2;
 mov dx,(bp)  ! 将(bp)所指的值放入dx中，如果bp是指向栈顶的话
 mov cx,#4   ! 4个十六进制数字
print_digit:
 rol dx,#4   ! 循环以使低4比特用上 !! 取dx的高4比特移到低4比特处。  
  mov ax,#0xe0f  ! ah = 请求的功能值，al = 半字节(4个比特)掩码。  
  and al,dl   ! 取dl的低4比特值。
  add al,#0x30  ! 给al数字加上十六进制0x30   
  cmp al,#0x3a
  jl outp    !是一个不大于十的数字   
  add al,#0x07   !是a～f，要多加7
outp:
 int 0x10   
 loop print_digit   
 ret
 
!打印回车换行
print_nl:
 mov ax,#0xe0d  ! CR
 int 0x10
 mov al,#0xa  ! LF   
 int 0x10
 ret

.text
endtext:
.data
enddata:
.bss
endbss

以上代码仅供参看，水平有限，研究成果，不提倡摘抄，可以研究，不供投机用，谢谢合作！

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