操做系统设计中的加电引导

做者：丁宋涛
系统启动过程概述
在掀下电脑开机按钮后,电源就会开始向主板和其余外围设备供电。初始状态下的电压还不太稳定,所以并不会当即开始指令的执行。此时,主板上的控制芯片组会发出重置信号,而后等待内部初始化工做的完成。等到控制芯片组检测到电源己经开始稳定供电后,它撤去信号,跳转到合适的内存地址处,读取并执行第一条机器指令。系统须要完成一系列的准备工做,以确保后续系统及程序的正确执行。这些准备工做包括检测基础的外围设备是否存在、检测系统实际物理内存及程序可用内存大小、创建内存空间的映射图、对硬件设备发出初始化信号等等。这些工做应当完成于操做系统内核运行以前,将软硬件调整到合适的状态下,为最终操做系统内核的调入架设好正确的外围环境。而执行该工做的程序就被称为引导加载程序。
当操做系统可以运行系统服务及用户程序时,或者说计算机能够与用户进行交互时,系统启动过程就被认为是完成了。典型的开机启动时间大约为一分钟,这包括了上电自检、引导时间和操做系统与其余相关软件的装载和初始化时间。嵌入式系统,如电视、通讯设备等,一般要求更快速的,甚至是瞬时的启动时间。对于这些系统而言,相关功能能够被制造厂商直接烧在存储器中,从而略去了较复杂的引导加载程序的设计。
引导加载程序的做用
主板上的中央处理单元,即CPU,只能运行贮存在只读存储器上的程序代码。在启动阶段时,系统被认为处于一个“彻底空白”的状态下,即在存储器上的数据要么是空白的,要么是因为前次的系统崩溃而残留下的不合法代码。而现代操做系统的设计日趋复杂,代码量日趋庞大,将其固化在造价昂贵的存储器中显然是不合理不科学的。操做系统与应用程序的镜像与数据通常存放在一些非易失性的存储介质上,典型如硬盘、光盘、U盘等设备中。所以,须要调用引导加载程序,将这部分数据和代码加载到存储器中,以备后续执行。相较于完整的操做系统镜像,引导加载程序的代码量要小得多,且访问的数据量是很少的。
此外,为了执行过程当中操做系统与外界可以正常交互,系统须要提供给操做系统一份完备的系统环境信息,这就须要引导加载程序在启动阶段就完成对外设的探测工做。如今的硬件设备在设计与实现时,每每会板载一块ROM,保存自身的启动代码,用于在接收到系统发来的启动信号时可以正确响应,完成自身的初始化工做,并在完成后向系统发送回中断信号。引导加载程序将会按照硬件规范所提供的端口,向其发送正确的信号或硬件命令,提醒它们及时完成自身的启动。
引导加载程序的设计
在系统上电或复位后,几乎全部的都是从芯片制造商预先规定的地址上取出并执行第一条指令的。我的电脑每每会在计算机主板芯片上固化一个小程序,保存系统初始化设置信号、开机自检等信息。这段程序称为BIOS,即基本输入输出系统,它与硬盘中的操做系统引导加载程序协同工做,一块儿完成整个引导加载程序的功能。
我的pc机的操做系统引导介绍
首先，咱们看一下操做系统启动部分的执行流程。当PC的电源打开之后，80X86结构的CPU将自动进入实模式，并从地址0XFFFF0开始自动执行程序代码，这个地址一般是BIOS中的地址。PC机的BIOS将执行某些系统的硬件检测，并在物理地址0处开始初始化中断向量。此后，计算机将可启动设备的第一个扇区（磁盘引导扇区，512字节）读入内存绝对地址0x7C00处，并跳转到这个地方。
如今假定机器在BIOS自检完成后，选择从软盘启动，那么计算机就会检查软盘的0面0磁道1扇区，若是发现磁盘以0xAA55结束，则计算机就会认为这是一个引导扇区，此时计算机将这512个字节的内容装载到内存地址0000:7c000处，而后跳转到0000:7c000处讲控制权完全交给这段引导代码。今后，计算机再也不由固化在主板上的BIOS的程序控制，而变成由操做系统的一部分来控制。
从计算机组成原理看操做系统引导
大约一个操做系统源代码中一般就会包含大约10%的起关键做用的汇编语言代码。为了便于你们理解，咱们从最为熟悉的桌面PC平台，开始讲解。
首先让咱们看一下，下面一段的汇编代码：
org 07c00h
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
上述的汇编代码完成这样的功能，其中汇编指令org 07c00h就是告诉编译器程序，将这段代码加载到7c00处，这样在计算机自检完成后就能够访问咱们的程序了。那么，咱们考虑一下，咱们如何验证，咱们的代码被计算机读取并开始工做呢？若是，能让计算机显示诸如“hello world”的字样能够吗？这就要求咱们实现字符加载的功能。
在开机的默认状态下，显示器处于80*25的文本模式。显存的范围是0xB8000到0xBFFFF，共计32KB。每两个字节表明一个字符，其中低字节表示字符的ASCII码，高字节表示字符属性。一个屏幕总共能够显示25行，每行80个字符。咱们可使用BIOS的显示中断完成显示。
INT 10H 是由 BIOS 对屏幕及显示器所提供的服务程序。使用 INT 10H 中断服务程序时，先指定 AH 寄存器为下表编号其中之一，该编号表示欲调用的功用，而其余寄存器的详细说明，参考表后文字，当一切设定好以后再调用 INT 10H。
若是要清楚屏幕，咱们可使用：
mov ah, 06h ; 屏幕初始化或上卷
mov aL, 00h ; AH = 6, AL = 0h
mov bx, 01111h ; 设置底色为蓝色
mov cx, 0 ; 左上角开始: (0, 0)
mov dl, 4fh ; 到第x列
mov dh, 1fh ; 到第x行
int 10h ; 显示中断
若是要显示一个字符，咱们可使用：
;显示字符
mov ah, 09h
mov al, 'O'
mov cx, 1
mov bx, 0014h ; 页号为0(BH = 0) 蓝底红字(BL = 14h)
int 10h ; 显示中断

附表是它们的说明
表1-1 BIOS int 10号说明表

动手实践
在实现一个简单的操做系统时，咱们是不可能拿一台真正的机器作实验的，一是不多有人有这个条件，还有就是那样作比较麻烦。因此咱们使用虚拟机来模拟一台真实的电脑，这样咱们就能直接用虚拟机加载软盘镜像来启动了。
在Windows下有不少虚拟机软件，例如Virtual PC、Vmware和Bochs等等。其中微软公司推出的VirtualPC2007已经提供了免费下载，同时Bochs系统调试功能很是强大，咱们将这两个平台做为主要的实现平台。
Virtual PC作演示，而Bochs主要用做调试。今天的实验咱们主要使用Bochs虚拟机，下面给出一些虚拟机设置的指导。
Bochs是一种开源且高度可移植的IA-32(x86)PC模拟器，用C++写成，可以在大部分常见的平台上运行。它包括了对Intel x86 CPU，通用I/O设备，和定制BIOS的模拟。一般状况下，Bochs可以被编译成模拟386,486或者Pentium CPU。Bochs可以模拟运行大部分的操做系统，包括Linux,DOS 和 Windows。
Bochs的下载能够经过" https://sourceforge.net/projects/bochs/ "访问，如图1-2所示：

图 1-2 Bochs下载连接
接下来，会导航到bochs的发行界面界面，如图1-3所示：

图 1-3 Bochs发行导航
最后，进入下载界面，若是是Windows平台，选择exe格式便可，如图1-4所示：

图 1-4 Windows版本的Bochs
下载完毕以后，一路next安装便可。（安装时建议将自带的“DLX Linux Demo”选中，这样能够有利于咱们参考Bochs的安装文件）
其次，咱们须要下载的工具是汇编编译器nasm。相似的，咱们能够到NASM的官方网站下载，参考网址为
http://www.nasm.us/

下载完毕以后，一路next安装便可。
最后，因为咱们是在虚拟机上进行试验，咱们还须要一个虚拟软盘读写工具，这里咱们使用“dd for windows”，下载地址为
http://www.chrysocome.net/download/ dd-0.5.zip
直接解压便可。
引导扇区编写显示字符串的引导程序
ORG 7c00h ；告诉编译器，在7c00处加载程序

mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
; 清屏
mov ah, 06h ; 屏幕初始化或上卷
mov aL, 00h ; AH = 6, AL = 0h
mov cx, 0 ; 左上角开始: (0, 0)
mov dl, 4fh ; 到第x列
mov dh, 1fh ; 到第x行
int 10h ; 显示中断
; 显示字符串
mov ax,&Msg
mov bp,ax ; es:bp=串地址
mov ah, 13h ; AH:13显示字符串
mov al, 1h ; AH = 13, AL = 01h
mov bx, 000Bh ; 页号为0(BH = 0) 黑底青字(BL = 0Bh)
mov cx, MsgLngth ; CX = 串长度
mov dl, 00h ; 起始列
mov dh, 00h ; 起始行
int 10h ; 显示中断
Msg： db "Welcome To OS World ^-^";
首先，咱们将上述代码使用记事本编写，并保存为boot.asm。接下来咱们使用nasm对上述代码进行编译：
在开始菜单中，选中运行，在运行中键入cmd，打开命令行菜单。

图1-5进入命令行模式
在命令行状态下，切换到nasm的安装目录，在个人机器中nasm的安装路径为D:\Program_Files\nasm，咱们使用以下的dos命令：
cd D:\Program_Files\nasm，如图1-6所示：
(提示安装路径中最好不要有空格或中文)

图1-6 切换工做目录演示
此时，咱们的工做目录仍然是逻辑盘符C，咱们键入D:，便可到达nasm目录。

图 1-7 进入nasm目录
这是由于咱们须要启动nasm才能将咱们boot.asm代码编译成为可执行代码，咱们将咱们刚刚编写好的boot.asm，拷贝到nasm目录下，键入以下命令：
nasm boot.asm –o boot.bin
在虚拟机中，咱们是使用虚拟文件vhd来模拟硬盘的，咱们能够直接在windows 10中使用diskpart命令完成，首先咱们进入cmd命令行，如图1-8所示：

图1-8 使用diskpart生成虚拟硬盘
在接下来，咱们在diskpart中输入命令：create vdisk file=你须要存放的文件名（我这里是f盘下的dingst.vhd）maximum=10 type=fixed,如同1-9 所示

图 1-9得到vhd文件
接下来，咱们将获得dingst.vhd文件拷贝到“dd for windows”的安装目录。一样的，咱们将编译成功获得的boot.bin拷贝至“dd for windows”的安装目录，在命令行状态下切换到该目录，键入以下命令：
dd if=boot.bin of=dingst.vhd bs=512 count=1
就将咱们的可执行文件拷贝至a.img虚拟软盘中，咱们启动Virtual PC。在首次进入Virtual box时，咱们须要生成一个虚拟机：
首先，系统会启动“新建虚拟机向导(New Virtual Machine Wizard)”，询问是否使用向导一步步建立新的虚拟机。咱们选择“Create a virtual machine”，点击“Next”，如图1-9所示：

图 1-10 设置Virtual box虚拟机
接下来系统会提问将虚拟机文件存放在哪一个位置，咱们选择虚拟机的存放路径。而后，类型选择other，如图1-10所示，其余均保持默认便可：

图1-11 设置虚拟机类型
同时，内存选择16MB为宜，最大不要超过64M（当年windows95，超过64MB的内存，OS反而会崩溃）。

图1-12 设置虚拟机内存
再接下来，核心是选择已经烧录了引导程序的vhd做为你的硬盘，如图1-13所示：
当虚拟设置完毕，咱们点击start按钮，启动虚拟机，如图1-11所示：

图1-13选择虚拟机的硬盘
接下来直接启动咱们的虚拟机，便可获得咱们的实验结果，如图1-14所示：

图1-14 虚拟硬盘引导启动成功
相关视频请点击https://edu.51cto.com/course/23737.html
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