从零开始写 OS 内核 - BIOS 启动到实模式

系列目录

• 序篇
• 准备工做
• BIOS 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• GDT 和 IDT，中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 建立第一个内核线程
• 多线程运行与切换
• 锁与多线程同步
• 进程的实现
• 进入用户态
• 一个简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 系统调用的实现
• 键盘驱动

• 运行 shell

  实现 Boot Loader

接上一篇准备工做，从这篇开始咱们将进入 boot loader 的编写。网上有一些相似的教程可能跳过了这个阶段，直接为你准备好了 boot loader，从而你能够直接开始 kernel 的编写，例如以前推荐的 JamesM's kernel development tutorials 就是这样的。不过我仍是强烈建议将 boot loader 也本身实现了，尤为是对初学者，缘由以下：

• 它并不困难，相比于后面的 kernel；
• 有助于你快速提升汇编能力，这在后面的 C 语言 kernel 编写、调试中仍然很重要；
• boot 裸机运行阶段的的编程有助于你创建起对磁盘、内存、指令和 data 之间的加载、映射关系的正确认识，为后面的内核、可执行程序的加载，以及虚拟内存的创建作好准备，尤为是若是你感受对这一块比较模糊的话；
• boot 阶段其实会初步搭建起 segment 以及虚拟内存的框架，为后续 kernel 编写打下基础；

开机进入 BIOS

这是一个经典的问题，就是计算机主板开机上电后到启动，发生了什么？

首先咱们须要知道开机后 CPU 和内存所处的状态，开机后 CPU 初始模式是实模式，地址宽度为 20 位，即最大地址空间 1MB。这 1MB 空间的划分是固定的，每一块都有规定的用途的，被映射到不一样的设备上：

BIOS 的工做

咱们来看一下开机后发生的事情：

1. 开机后 CPU 的指令寄存器 ip 被强置为地址 0xFFFF0，这一地址被映射到 BIOS 固件上的代码，这就是计算机开机后的第一条指令的地址；
2. CPU 开始执行 BIOS 上的代码，这一部分主要是硬件输入输出设备相关的检查，以及创建一个最初的中断向量表，目前没必要深究；
3. BIOS 代码最后阶段的工做，就是检查启动盘上的 mbr 分区，所谓 mbr 分区就是磁盘上的第一个 512B 内容，又叫引导分区；BIOS 会对这 512B 作一个检查：它的最后2个字节必须是两个 magic number：0x55 和 0xaa，不然它就不是一个合法的启动盘；
4. 检查经过后，BIOS 将这 512B 加载到内存 0x7C00 处，到 0x7E00 为止，而后指令跳转到 0x7C00 开始执行；至此 BIOS 退出舞台；

将上面那张表格画成图，去掉干扰项，只留下咱们关心的部分：

• 黄色部分是加载到内存的 mbr，起始地址 0x7C00；
• 白色部分是咱们后面能够自由使用的内存空间；
• 斜线阴影部分为 BIOS 代码；

图中标出了 BIOS 的主要工做流程，从地址 0xFFFF0 开始，通过一系列代码执行，最终校验并读取磁盘第一个 512B 扇区，加载到黄色部分即为 mbr，地址为 0x7C00，而后指令跳转过去，进入 mbr 的执行；

mbr 的工做

那么 mbr 须要作什么事情？由于 mbr 大小被限制在了 512B，你不可能在里面放不少代码和数据，因此它最重要的工做只有一个：

• 将后面的 loader 部分从磁盘加载到内存，并跳转到 loader 继续执行；

内存布局规划

因此咱们须要规划一下整个 boot load 阶段的内存布局，这里咱们直接给出磁盘以及内存的全貌：

咱们目前重点关注内存 1MB 如下部分的内容，不一样部分用了不一样的颜色标识出来：

• 黄色：mbr
• 蓝色：loader
• 白色：可自由使用

通过 BIOS 的工做，如今指令已经来到了 mbr 部分，它须要将蓝色部分的 loader 从磁盘上加载到内存，地址就定为 0x8000，注意这个地址能够自由指定的，只要在图中白色区域内，而且空间足够用便可。咱们的 loader 部分也不会很大，按照比较富余地估计，4KB 足以。

mbr 代码

先给出我项目里的代码，路径为 src/boot/mbr.S，供你参考。

首先关注开始部分：

SECTION mbr vstart=MBR_BASE_ADDR

MBR_BASE_ADDR 定义在了 boot.inc 中，为 0x7C00，这表示了整个 mbr 里的内容都是从 0x7C00 开始编址，包括代码和数据。这一点很是重要，由于咱们已经提早知道了 BIOS 会将 mbr 加载到这个位置，因此整个 mbr 里的内容的编址必须从这里开始，这样 BIOS 在跳转到 mbr 的第一条指令后，后续对 mbr 中代码和数据的访问才能正确寻址。

mbr 的入口我标记为了 mbr_entry，后面我定义了几个函数，后面的讲解咱们不妨用 C 语言给它作注释：

void init_segments();

这里初始化了几个 segment 寄存器，初始值均为 0，这表示 flat mode 的段内存分布方式，如今你也没必要深究。另外我还将 stack 移动到了 0x7B00 的位置，这只是自由发挥，彻底不是必须的。

接下来加载 loader：

void load_loader_img();

// 这个函数的汇编代码直接使用寄存器传参。
void read_disk(short load_mem_addr,
               short load_start_sector,
               short sectors_num);

这里就是 mbr 最主要的工做，把 loader 从磁盘上加载进来到内存 0x8000 的位置，
read_disk 三个参数传参分别为：

// loader 加载地址为 0x8000；
short load_mem_addr = LOADER_BASE_ADDR;
// loader 镜像在磁盘上起始位置为第 2 个sector，紧接着 mbr 以后；
short load_start_sector = 1;
// loader 大小为 8 个 sectors，共 4KB；
short sectors_num = 8;

read_disk 函数涉及到了读取磁盘，须要用到一堆 CPU 控制磁盘的端口和中断功能，你须要查阅文档使用，冗长繁杂，我是照搬了《操做系统真相还原》一书第三章的内容。你其实也没必要深究，拿来用就能够，只须要知道它作了什么工做便可。

加载完 loader 以后，就能够跳转到 loader 地址 0x8000 执行：

jmp LOADER_BASE_ADDR

整个从 BIOS -> mbr -> loader 的指令运行跳转流程以下图所示。loader 部分用浅蓝色阴影标出，由于它实际上目前没有有效数据，等待咱们后续将它实现并加载入内存：

最后还有个关键的小东西：
这一通代码下来，所用的空间还远未到 512B，咱们将剩余的空间所有用 0 填充（其实随便填什么都行，反正执行不到），最后在 512B 的末尾处写上 0x55 和 0xaa 两个 magic number：

times 510-($-$$) db 0
db 0x55, 0xaa

至此 mbr 便编码完成了，很是短小简单。接下来咱们须要将它编译而且制做成启动镜像，加载到 Bochs 里运行。

运行 mbr

首先你须要制做一个磁盘镜像文件，这里又用到了 Bochs 自带的 bximage 这个命令行工具：

>> bximage -hd -mode="flat" -size=3 -q scroll.img 1>/dev/null

它其实就是产生了一个 3MB 的写满了 0 的文件，3MB 的大小的磁盘对于咱们的项目已经足够容纳 mbr，boot，kernel 以及其它用户程序等全部数据。bximage 的打印日志还会告诉你，应该给配置文件 bochsrc.txt 里的磁盘设置什么参数，很方便。

接下来使用 nasm 编译 mbr.S：

nasm -o mbr mbr.S

而后你就获得一个 512B 大小的 mbr 文件。接下来将它刻写进磁盘镜像文件，这里用到了 dd 这个命令：

dd if=mbr of=scroll.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc

注意到这里把 mbr 写到了磁盘镜像文件的第一个扇区（512B）。

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如今咱们获得一个这样的磁盘镜像文件：

而后你就能够把磁盘镜像文件加载到 Bochs 里运行了，和以前同样：

bochs -f bochsrc.txt

不过在此以前，mbr 最好先作一个小小的改动。由于此时咱们镜像里尚未任何 loader 内容，加载完的 loader 其实全是 0，这不是能够执行的代码，所以 mbr 的最后一条指令 jmp LOADER_BASE_ADDR 以后 CPU 就会挂掉，因此你能够在这条指令以前加一句 jmp $，这至关因而死循环 while (true) {}，让程序悬停在这里，你就能够暂停 Bochs 而后看它是否是停在这条指令了，若是是的话，说明 mbr 的运行已经成功了。

总结

mbr 短小精悍，自己没有太多难点在里面，不过完事开头难，做为整个内核镜像的开篇，咱们须要开始提早对整个内存的布局进行谋划。若是是对汇编，指令，内存等在裸机上运行的原理还不太熟悉的同窗，mbr 也是一个很是好的练手机会，建议你多对照着反编译后 mbr 代码，以及 Bochs 调试，能快速地帮助你创建相关的认知。