操作系統實現（一）：從Bootloader到ELF內核（轉載）

2019 年 11 月 10 日
筆記

原文鏈接：

http://www.cppblog.com/airtrack/archive/2014/10/30/208729.html

Bootloader

我們知道計算機啟動是從BIOS開始，再由BIOS決定從哪個設備啟動以及啟動順序，比如先從DVD啟動再從硬盤啟動等。計算機啟動後，BIOS根據配置找到啟動設備，並讀取這個設備的第0個扇區，把這個扇區的內容加載到0x7c00,之後讓CPU從0x7c00開始執行，這時BIOS已經交出了計算機的控制權，由被加載的扇區程序接管計算機。

這第一個扇區的程序就叫Boot，它一般做一些準備工作，把操作系統內核加載進內存，並把控制權交給內核。由於Boot只能有一個扇區大小，即512位元組，它所能做的工作很有限，因此它有可能不直接加載內核，而是加載一個叫Loader的程序，再由Loader加載內核。因為Loader不是BIOS直接加載的，所以它可以突破512位元組的程序大小限制（在實模式下理論上可以達到1M）。如果Boot沒有加載Loader而直接加載內核，我們可以把它叫做Bootloader。

Bootloader加載內核就要讀取文件，在實模式下可以用BIOS的INT 13h中斷。內核文件放在哪裡，怎麼查找讀取，這裡牽涉到文件系統，Bootloader要從硬盤（軟盤）的文件系統中查找內核文件，因此Bootloader需要解析文件系統的能力。GRUB是一個專業的Bootloader，它對這些提供了很好的支持。

對於一個Toy操作系統來說，可以簡單處理，把內核文件放到Bootloader之後，即從軟盤的第1個扇區開始，這樣我們可以不需要支持文件系統，直接讀取扇區數據加載到內存即可。

實模式到保護模式

我們知道Intel x86系列CPU有實模式和保護模式，實模式從8086開始就有，保護模式從80386開始引入。為了兼容，Intel x86系列CPU都支持實模式。現代操作系統都是運行在保護模式下（Intel x86系列CPU）。計算機啟動時，默認的工作模式是實模式，為了讓內核能運行在保護模式下，Bootloader需要從實模式切換到保護模式，切換步驟如下：

準備好GDT(Global Descriptor Table)
關中斷
加載GDT到GDTR寄存器
開啟A20，讓CPU尋址大於1M
開啟CPU的保護模式，即把cr0寄存器第一個bit置1
跳轉到保護模式代碼

GDT是Intel CPU保護模式運行的核心數據結構，所有保護模式操作的數據都從GDT表開始查找，這裡有GDT的詳細介紹。

GDT中的每一個表項由8位元組表示，如下圖：

其中Access Byte和Flags如下圖：

這裡是詳細說明。

GDTR是一個6位元組的寄存器，有4位元組表示GDT表的基地址，2位元組表示GDT表的大小，即最大65536（實際值是65535，16位最大值是65535），每個表項8位元組，那麼GDT表最多可以有8192項。

實模式的尋址總線是20bits，為了讓尋址超過1M，需要開啟A20，可以通過以下指令開啟：

  in al, 0x92
    or al, 2
    out 0x92, al

把上述步驟完成之後，我們就進入保護模式了。在保護模式下我們要使用GDT通過GDT Selector完成，它是GDT表項相對於起始地址的偏移，因此它的值一般是0x0 0x8 0x10 0x18等。

ELF文件

Bootloader程序是原始可執行文件，如果程序由彙編寫成，彙編編譯器編譯生成的文件就是原始可執行文件，也可以使用C語言編寫，編譯成可執行文件之後通過objcopy轉換成原始可執行文件，這篇文章介紹了用C語言寫Bootloader。

那麼內核文件是什麼格式的呢？跟Bootloader一樣的當然可以。內核一般使用C語言編寫，每次編譯鏈接完成之後調用objcopy是可以的。我們也可以支持通用的可執行文件格式，ELF(Executable and Linkable Format)即是一種通用的格式，它的維基百科。

ELF文件有兩種視圖（View），鏈接視圖和執行視圖，如下圖：

鏈接視圖通過Section Header Table描述，執行視圖通過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，每個Segment中包含了一個或多個Section。

對於加載可執行文件，我們只需關注執行視圖，即解析ELF文件，遍歷Program Header Table中的每一項，把每個Program Header描述的Segment加載到對應的虛擬地址即可，然後從ELF header中取出Entry的地址，跳轉過去就開始執行了。對於ELF格式的內核文件來說，這個工作就需要由Bootloader完成。Bootloader支持ELF內核文件加載之後，用C語言編寫的內核編譯完成之後就不需要objcopy了。