哈工大-操作系统的引导
操作系统的引导
1. 课程说明
本实验是 操作系统之基础 - 网易云课堂 课程的配套实验,推荐大家进行实验之前先学习相关课程:
- L2 开始揭开钢琴的盖子
- L3 操作系统启动
Tips:点击上方文字中的超链接或者输入 https://mooc.study.163.com/course/1000002004#/info 进入理论课程的学习。 如果网易云上的课程无法查看,也可以看 Bilibili 上的 操作系统哈尔滨工业大学李治军老师。
2. 实验目的
- 熟悉 hit-oslab 实验环境;
- 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;
- 能对操作系统代码进行简单的控制,揭开操作系统的神秘面纱。
3. 实验内容
此次实验的基本内容是:
- 阅读《Linux 内核完全注释》的第 6 章,对计算机和 Linux 0.11 的引导过程进行初步的了解;
- 按照下面的要求改写 0.11 的引导程序 bootsect.s
- 有兴趣同学可以做做进入保护模式前的设置程序 setup.s。
改写 bootsect.s
主要完成如下功能:
- 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,也可以显示一个特色 logo,以表示自己操作系统的与众不同。)
改写 setup.s
主要完成如下功能:
- 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"。
- setup.s 能获取至少一个基本的硬件参数(如内存参数、显卡参数、硬盘参数等),将其存放在内存的特定地址,并输出到屏幕上。
- setup.s 不再加载 Linux 内核,保持上述信息显示在屏幕上即可。
4. 实验报告
在实验报告中回答如下问题:
- 有时,继承传统意味着别手蹩脚。x86 计算机为了向下兼容,导致启动过程比较复杂。请找出 x86 计算机启动过程中,被硬件强制,软件必须遵守的两个“多此一举”的步骤(多找几个也无妨),说说它们为什么多此一举,并设计更简洁的替代方案。
5. 评分标准
- bootsect 显示正确,30%
- bootsect 正确读入 setup,10%
- setup 获取硬件参数正确,20%
- setup 正确显示硬件参数,20%
- 实验报告,20%
6. 实验提示
操作系统的 boot 代码有很多,并且大部分是相似的。本实验仿照 Linux-0.11/boot
目录下的 bootsect.s
和 setup.s
,以剪裁它们为主线。当然,如果能完全从头编写,并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(修正版 V3.0)》(以后简称《注释》)的第 6 章是非常有帮助的参考,实验中可能遇到的各种问题,几乎都能找到答案。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,oslab 中的汇编代码使用 as86 编译。
下面将给出一些更具体的 “提示”。这些提示并不是实验的一步一步的指导,而是罗列了一些实验中可能遇到的困难,并给予相关提示。它们肯定不会涵盖所有问题,也不保证其中的每个字都对完成实验有帮助。所以,它们更适合在你遇到问题时查阅,而不是当作指南一样地亦步亦趋。本课程所有实验的提示都是秉承这个思想编写的。
6.1 开始实验前
在正式开始实验之前,你需要先了解下面的内容:
(1)相关代码文件
Linux 0.11 文件夹中的 boot/bootsect.s
、boot/setup.s
和 tools/build.c
是本实验会涉及到的源文件。它们的功能详见《注释》的 6.2、6.3 节和 16 章。
(2)引导程序的运行环境
引导程序由 BIOS 加载并运行。它活动时,操作系统还不存在,整台计算机的所有资源都由它掌控,而能利用的功能只有 BIOS 中断调用。
实验中主要使用 BIOS 0x10 和 0x13 中断。
6.2 完成 bootsect.s 的屏幕输出功能
代码中以
!
开头的行都是注释,实际在写代码时可以忽略。实验中所有提到的修改,均是指相对于 linux-0.11 中的代码。
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,#0x03xor bh,bhint 0x10! 显示字符串 “Hello OS world, my name is LZJ”
! 要显示的字符串长度mov cx,#36mov bx,#0x0007mov bp,#msg1
! es:bp 是显示字符串的地址
! 相比与 linux-0.11 中的代码,需要增加对 es 的处理,因为原代码中在输出之前已经处理了 esmov ax,#0x07c0mov es,axmov ax,#0x1301int 0x10! 设置一个无限循环
inf_loop:jmp inf_loop
这里需要修改的是字符串长度,即用需要输出的字符串长度替换 mov cx,#24
中的 24。要注意:除了我们设置的字符串 msg1 之外,还有三个换行 + 回车,一共是 6 个字符。比如这里 Hello OS world, my name is LZJ
的长度是 30,加上 6 后是 36,所以代码应该修改为 mov cx,#36
。
接下来就是修改输出的字符串了:
! msg1 处放置字符串
msg1:
! 换行 + 回车.byte 13,10.ascii "Hello OS world, my name is LZJ"
! 两对换行 + 回车.byte 13,10,13,10! boot_flag 必须在最后两个字节
.org 510
! 设置引导扇区标记 0xAA55
! 必须有它,才能引导
boot_flag:.word 0xAA55
将 .org 508
修改为 .org 510
,是因为这里不需要 root_dev: .word ROOT_DEV
,为了保证 boot_flag
一定在最后两个字节,所以要修改 .org
。
完整的代码如下:
entry _start
_start:mov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#36mov bx,#0x0007mov bp,#msg1mov ax,#0x07c0mov es,axmov ax,#0x1301int 0x10
inf_loop:jmp inf_loop
msg1:.byte 13,10.ascii "Hello OS world, my name is LZJ".byte 13,10,13,10
.org 510
boot_flag:.word 0xAA55
接下来,将完成屏幕显示的代码在开发环境中编译,并将编译后的目标文件做成 Image 文件。
6.3 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,用 cd 命令进入 linux-0.11\boot。
无论那种系统,都执行下面两个命令编译和链接 bootsect.s:
$ 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。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!
# 当前的工作路径为 /home/shiyanlou/oslab/linux-0.11/boot/# 将刚刚生成的 Image 复制到 linux-0.11 目录下
$ cp ./Image ../Image# 执行 oslab 目录中的 run 脚本
$ ../../run
图 2 bootsect 引导后的系统启动情况
6.4 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(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”。
可供参考的代码如下图所示:
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:
! 设置驱动器和磁头(drive 0, head 0): 软盘 0 磁头mov dx,#0x0000
! 设置扇区号和磁道(sector 2, track 0): 0 磁头、0 磁道、2 扇区mov cx,#0x0002
! 设置读入的内存地址:BOOTSEG+address = 512,偏移512字节mov bx,#0x0200
! 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(因此还需要添加变量 SETUPLEN=2)mov ax,#0x0200+SETUPLEN
! 应用 0x13 号 BIOS 中断读入 2 个 setup.s扇区int 0x13
! 读入成功,跳转到 ok_load_setup: ok - continuejnc ok_load_setup
! 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 dx,#0x0000
! 否则复位软驱 reset the diskettemov ax,#0x0000int 0x13
! 重新循环,再次尝试读取jmp load_setup
ok_load_setup:
! 接下来要干什么?当然是跳到 setup 执行。
! 要注意:我们没有将 bootsect 移到 0x9000,因此跳转后的段地址应该是 0x7ce0
! 即我们要设置 SETUPSEG=0x07e0
所有需要的功能在原版 bootsect.s 中都是存在的,我们要做的仅仅是将这些代码添加到新的 bootsect.s
中去。
除了新增代码,我们还需要去掉 5.2 小节中我们在 bootsect.s
添加的无限循环。
编写完成后大致如下:
SETUPLEN=2
SETUPSEG=0x07e0
entry _start
_start:mov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#36mov bx,#0x0007mov bp,#msg1mov ax,#0x07c0mov es,axmov ax,#0x1301int 0x10
load_setup:mov dx,#0x0000mov cx,#0x0002mov bx,#0x0200mov ax,#0x0200+SETUPLENint 0x13jnc ok_load_setupmov dx,#0x0000mov ax,#0x0000int 0x13jmp load_setup
ok_load_setup:jmpi 0,SETUPSEG
msg1:.byte 13,10.ascii "Hello OS world, my name is LZJ".byte 13,10,13,10
.org 510
boot_flag:.word 0xAA55
6.5 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):
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。
6.6 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,可以参考下面的方式,将圈起来的部分注释掉。
当按照前一节所讲的编译方法编译成功后再 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。
$ cd ~/oslab/linux-0.11
$ make BootImage
$ ../run
图 3 用修改后的 bootsect.s 和 setup.s 进行引导的结果
6.7 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
! 设置 ds = 0x9000
mov ds,ax
mov ah,#0x03
! 读入光标位置
xor bh,bh
! 调用 0x10 中断
int 0x10
! 将光标位置写入 0x90000.
mov [0],dx! 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
! 重复16次
rep
movsb
6.8 显示获得的参数
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:
! 4 个十六进制数字mov cx,#4
! 将(bp)所指的值放入 dx 中,如果 bp 是指向栈顶的话mov dx,(bp)
print_digit:
! 循环以使低 4 比特用上 !! 取 dx 的高 4 比特移到低 4 比特处。rol dx,#4
! ah = 请求的功能值,al = 半字节(4 个比特)掩码。mov ax,#0xe0f
! 取 dl 的低 4 比特值。and al,dl
! 给 al 数字加上十六进制 0x30add al,#0x30cmp al,#0x3a
! 是一个不大于十的数字jl outp
! 是a~f,要多加 7add al,#0x07
outp:int 0x10loop print_digitret
! 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:
! CRmov ax,#0xe0dint 0x10
! LFmov al,#0xaint 0x10ret
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,并阅读《Bochs 使用手册》,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。
实验楼的环境中参数可能跟上面给出的不一致。大家需要根据自己环境中
bochs/bochsrc.bxrc
文件中的内容才能确定具体的输出信息。
下面是提供的参考代码,大家可以根据这个来进行编写代码:
INITSEG = 0x9000
entry _start
_start:
! Print "NOW we are in SETUP"mov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#25mov bx,#0x0007mov bp,#msg2mov ax,csmov es,axmov ax,#0x1301int 0x10mov ax,csmov es,ax
! init ss:spmov ax,#INITSEGmov ss,axmov sp,#0xFF00! Get Paramsmov ax,#INITSEGmov ds,axmov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov [0],dxmov ah,#0x88int 0x15mov [2],axmov ax,#0x0000mov ds,axlds si,[4*0x41]mov ax,#INITSEGmov es,axmov di,#0x0004mov cx,#0x10repmovsb! Be Ready to Printmov ax,csmov es,axmov ax,#INITSEGmov ds,ax! Cursor Positionmov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#18mov bx,#0x0007mov bp,#msg_cursormov ax,#0x1301int 0x10mov dx,[0]call print_hex
! Memory Sizemov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#14mov bx,#0x0007mov bp,#msg_memorymov ax,#0x1301int 0x10mov dx,[2]call print_hex
! Add KBmov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#2mov bx,#0x0007mov bp,#msg_kbmov ax,#0x1301int 0x10
! Cylesmov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#7mov bx,#0x0007mov bp,#msg_cylesmov ax,#0x1301int 0x10mov dx,[4]call print_hex
! Headsmov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#8mov bx,#0x0007mov bp,#msg_headsmov ax,#0x1301int 0x10mov dx,[6]call print_hex
! Secotrsmov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#10mov bx,#0x0007mov bp,#msg_sectorsmov ax,#0x1301int 0x10mov dx,[12]call print_hexinf_loop:jmp inf_loopprint_hex:mov cx,#4
print_digit:rol dx,#4mov ax,#0xe0fand al,dladd al,#0x30cmp al,#0x3ajl outpadd al,#0x07
outp:int 0x10loop print_digitret
print_nl:mov ax,#0xe0d ! CRint 0x10mov al,#0xa ! LFint 0x10retmsg2:.byte 13,10.ascii "NOW we are in SETUP".byte 13,10,13,10
msg_cursor:.byte 13,10.ascii "Cursor position:"
msg_memory:.byte 13,10.ascii "Memory Size:"
msg_cyles:.byte 13,10.ascii "Cyls:"
msg_heads:.byte 13,10.ascii "Heads:"
msg_sectors:.byte 13,10.ascii "Sectors:"
msg_kb:.ascii "KB".org 510
boot_flag:.word 0xAA55
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