羽夏看Linux內核——啟動那些事

寫在前面

此系列是本人一個字一個字碼出來的，包括示例和實驗截圖。如有好的建議，歡迎回饋。碼字不易，如果本篇文章有幫助你的，如有閑錢，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，並聲明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。

實模式下的 1MB 記憶體布局

Intel 8086有20條地址線，故其可以訪問1MB的記憶體空間。若按十六進位來表示，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訪問記憶體DRAM，也就是插在
上的記憶體條；而0xF0000 - 0xFFFFF這64KB記憶體是ROM，是只讀的，存的就是BIOS的程式碼。硬體自己提供了一些初始化的功能調用，BIOS可以直接調用，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調用。而這些中斷只有重要的、保證電腦能運行的那些硬體的基本IO操作，不像高級語言有各種花里胡哨的功能。
我們還要說明一個問題：在CPU眼裡，我們插在主板上的物理記憶體不是它眼裡「全部的記憶體」。這個是由地址匯流排寬度決定了可以訪問的記憶體空間大小。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。物理記憶體也是如此，再多的記憶體，只要識別能力不夠，也是浪費。

BIOS 啟動

BIOS是電腦上第一個運行的軟體，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，存儲在ROM中。ROM也是塊記憶體，記憶體就需要被訪問。而ROM被映射在0xF0000 - 0xFFFFF處，只要訪問此處的地址便是訪問了BIOS，這個映射是由硬體完成的。如果不太理解，可以學一下單片機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進入調試狀態時，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並填寫中斷常式。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扇區的內容。在電腦中是習慣以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，所以很多指令中的操作數都是用偏移表示的。0盤0道1扇區本質上就相當於0盤0道0扇區。為什麼稱為1扇區呢？因為硬碟扇區的表示法有兩種，我們描述0盤0道1扇區用的便是其中的一種：CHS方法，即柱面Cylinder、磁頭Header、扇區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扇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，所以稱為扇區，而在CHS方式中扇區的編號是從1開始的。
如果此扇區末尾的兩個位元組分別是魔數0x55和OxAA，BIOS便認為此扇區中確實存在可執行的程式，此程式便是主引導記錄MBR，它會被載入到物理地址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數據，其次，不能過早地被其他數據覆蓋。通常MBR的任務是載入某個程式（這個程式一般是內核載入器，很少有直接載入內核的）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，能夠直接在裸機上運行。它的大小必須是512位元組，保證0x55和0xAA這兩個
魔數恰好出現在該扇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。
我們本教程使用的16位彙編器是as86，也是Linux 0.11編寫啟動程式碼的其中一個彙編器。它的彙編語法類似Intel的，而不是麻煩的AT&T，具體用法請在終端輸入man as86查看。
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 ;全局標識符,供 ld86 鏈接使用。
.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  ;寫字元串並移動游標到串結尾處
    int 0x10
loop0: jmp loop0    ;死循環
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    ;有效引導扇區標誌，提BIOS載入引導扇區
.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文件夾下進入終端，輸入以下指令：

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

編譯參數

這樣得到的就是我們想要的內容文件boot.bin。不過我們得把這幾個命令行參數介紹一下。

-0

as86是生成16位彙編程式碼，如果用了超過8086指令集發出警告。
ld86是生成16位文件頭，這個我們不要，需要刪除。

-a

啟用與Minix asld的部分兼容性，看不懂可以不管。

-d

刪除文件頭。

-o

輸出文件名/路徑。

寫入鏡像

得到boot.bin之後，我們需要將這個數據寫入虛擬鏡像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扇區。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參數。

if=

指定要讀取的文件。

of=

指定把數據輸出到哪個文件。

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=

指定如何轉換文件。建議在追加數據時，conv最好用notrunc方式，也就是不打斷文件。

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文件，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彙編來讀寫磁碟相關內容。如果想詳細了解建議看《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，這種介面便稱為集成設備電路（ 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，具體了解詳情請自行搜索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用於向硬碟驅動器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數據的，它相當於數據的門，數據能進，也能出，所以其作用是讀取或寫入數據。這個暫存器是16位的，得到了特殊照顧。在讀硬碟時，硬碟準備好的數據後，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數據。在寫硬碟時，我們要把數據源源不斷地輸送到此埠，數據便被存入緩衝區里，硬碟控制器發現這個緩衝區中有數據了，便將此處的數據寫入相應的扇區中。
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，尚未讀取的扇區數在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參數，這些參數就寫在Feature暫存器中。暫存器都是8位寬度。
Sector count暫存器用來指定待讀取或待寫入的扇區數。硬碟每完成一個扇區，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扇區。這是8位暫存器，最大值為255，若指定為0，則表示要操作256個扇區。
硬碟中的扇區在物理上是用柱面-磁頭-扇區來定位的Cylinder Head Sector，簡稱為CHS，但每次我們要事先算出扇區是在哪個盤面，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扇區的。我們希望磁碟中扇區從
0開始依次遞增編號，不用考慮扇區所在的物理結構，這是一種邏輯上為扇區址的方法，全稱為邏輯塊地址Logical Block Address。
LBA有兩種，一種是LBA28，用28位比特來描述一個扇區的地址，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位比特來描述一個扇區的地址，最大支援131072 TB，目前沒有任何存儲器超過該大小。
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位寬度的。LBA low暫存器用來存儲0-7位，LBA mid暫存器用來存儲8-15位，LBA high暫存器存儲16-23位。但這總共才24位，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。在此暫存器的低4位用來存儲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位用來設置是否啟用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，表示硬碟己經把數據準備好了，主機現在可以把數據讀出來。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。此暫存器用來存儲讓硬碟執行的命令，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。

identify: 0xEC ，即硬碟識別。
read sector: 0x20 ，即讀扇區。
write sector: 0x30 ，即寫扇區。

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：

先選擇通道，往該通道的Sector count暫存器中寫入待操作的扇區數。
往該通道上的三個LBA暫存器寫入扇區起始地址的低24位。
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，設置第4位，選擇操作的硬碟（master硬碟或slave硬碟）。
往該通道上的Command暫存器寫入操作命令。
讀取該通道上的Status暫存器，判斷硬碟工作是否完成。
如果以上步驟是讀硬碟，進入下一個步驟。否則，結束。
將硬碟數據讀出。

硬碟工作完成後，它己經準備好了數據，咱們該怎麼獲取呢？一般常用的數據傳送方式如下：

無條件傳送方式
查詢傳送方式
中斷傳送方式
直接存儲器存取方式DMA
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內核源碼，並仿照逐步完善寫一個十分簡單的內核。

實模式雜談

弄了這麼多，我們需要複習一下實模式相關的知識，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。
在實模式下CPU訪問數據將按照基址 + 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，用戶程式和作業系統可以說是同一特權的程式，因為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，可以隨意訪問任意物理記憶體，包括訪問作業系統所在的記憶體數據，完全沒有保護性可言。用戶程式甚至可以覆蓋作業系統在記憶體中的映像，整個電腦世界的和平全靠程式設計師的心情。

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，就不要看下一節教程了。

練習與思考

獨立完成本篇實驗，並成功在Bochs中列印出紅色的Loading system...!字元串。

羽夏看Linux內核——段相關入門知識

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