2021-08-05hit-oslab1操作系统的引导

一、背景知识
1、引导启动程序分为三个部分（bootsect.s / setup.s / head.s)

2、80x86结构的CPU在开机启动后，位于0xFFF0处的ROM-BIOS带电自检，检测和诊断相关硬件（不清楚是哪些硬件），并且在物理地址的起始地址0处设置和初始化中断向量（中断服务程序的入口地址。中断：在运行程序时出现异常和特殊的请求的时候，停止运行程序，转而去处理这些特殊的请求，处理完成后回到中断开始的地方接着去处理请求)。
然后将可启动设备（软驱或者磁盘）的0扇区0磁道（512字节）的内容（bootsect.s)读入内存中的0x7c00中。

在bootsect.s被执行的时候会将其移动到内存绝对地址0x90000处（为什么执行的时候要移动自己，害怕在以后加载system的时候被覆盖吗？）
之后会将setup.s的部分载入到内存0x90200处（bootsect.s的大小为512字节，换成16进制为200）

二、实验过程

实验开始
引导程序由BIOS加载和运行，操作系统此时还未被加载到内存当中，只能利用BIOS所提供的中断。
本实验所使用的中断为0x10和0x13中断

第一部分：bootsect.s在屏幕上输出开机需要输出的字符串

entry _start !伪代码entry使得由链接程序生成的可执行程序中有指定的标识和符号，告知链接程序，程序将从_start开始执行
_start: ！指明程序的入口！下面利用 BIOS INT 0x10 功能 0x03 和 0x13 来显示信息：mov ah,#0x03  ！获取光标的位置和形状！BIOS 中断 0x10 功能号 ah = 0x03，读光标位置xor bh,bh ！bh=页号，读光标的位置，返回值在dx中int 0x10 ！中断这个操作的返回值为：ch=行扫描开始，cl=行扫描结束（ch、cl这两个符号描述了光标的形状），dh=行号，dl=列号页号相当于显示缓冲区界面的编号，默认第0页是活动的显示页。! BIOS 中断 0x10 功能号 ah = 0x13，显示字符串。mov cx,#38！将要打印的字符的长度。（位于msg1段内，字符串的长度为32，再包含3对回车和空格，共38个字符串）! bh = 显示页面号；bl = 字符属性；dh = 行号；dl = 列号。mov bx,#0x0007 ！page 0, attribute 7 (normal)! es:bp 此寄存器对指向要显示的字符串起始位置处mov bp,#msg1 ！要打印的字符串所放置的数据段的位置mov ax,#0x07c0 mov es,ax  ! 输入：al = 放置光标的方式及规定属性。0x01-表示使用 bl 中的属性值，光标停在字符串结尾处。mov ax,#0x1301 ！write string, move cursorint 0x10 ! 写字符串并移动光标到串结尾处。inf_loop: ！无限循环的地址jmp inf_loop !无条件跳转指令，无条件跳转到无限循环的地方，这样使得之前输出的字符能够一直在屏幕上显示
msg1:.byte   13,10 ！13为回车，10为换行！13光标回到本行开头，10光标到下一行，不一定是在开头.ascii  "Hello OS world, my name is HeHao".byte   13,10,13,10
.org 510
！.org 伪指令的格式是 .org new_lc, fill
！把当前区的位置计数器设置为 new_lc
！当位置计数器值増长时，所跳跃过的字节将被填入值 fill
！如果省略了逗号和 fill，则填入 0
boot_flag:.word   0xAA55
！设置引导扇区标记，必须在最后两个字节

将上述代码在开发环境中编译，得到Image文件
编译命令

$ as86 -0 -a -o bootsect.o bootsect.s
$ ld86 -0 -s -o bootsect bootsect.o

使用as86和ld编译器来进行编译
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。
如果文件中有语法错误都会有相应的输出信息，如果没有输出信息说明编译都通过了。

使用ls -al来看编译后生成的文件的信息，

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
};

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。
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

在Ubuntu下面使用一个命令，可以将该文件前32个字节去掉

$ dd bs=1 if=bootsect of=Image skip=32

（dd实现输入文件到输出文件的拷贝、if 输入文件、of 输出文件、bs 同时设置读/写缓冲区的字节数）

当前的工作路径为，这个可以使用pwd来查看

/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

以上的bootsect.s只是实现了屏幕上开机引导的字符的输出
并未实现将setup.s加载入内存的功能。

第二部分：setup在屏幕上输出需要输出的字符串

entry _start !伪代码entry使得由链接程序生成的可执行程序中有指定的标识和符号，告知链接程序，程序将从_start开始执行
_start: ！指明程序的入口
！获取光标的位置mov ah,#0x03  ！获取光标的位置和形状xor bh,bh ！bh=页号int 0x10 ！中断这个操作的返回值为：ch=行扫描开始，cl=行扫描结束（ch、cl这两个符号描述了光标的形状），dh=行号，dl=列号页号相当于显示缓冲区界面的编号，默认第0页是活动的显示页。
！在屏幕上输出字符串（放置在es：bp当中）mov cx,#25！将要打印的字符的长度。（位于msg2段内，字符串的长度为32，再包含3对回车和空格，共38个字符串）mov bx,#0x0007 ！page 0, attribute 7 (normal)mov bp,#msg2 ！要打印的字符串所放置的数据段的位置mov ax,csmov es,ax  ！设置数据段放置bootsect.smov ax,#0x1301 ！write string, move cursorint 0x10 !中断
inf_loop: ！无限循环的地址jmp inf_loop !无条件跳转指令，无条件跳转到无限循环的地方，这样使得之前输出的字符能够一直在屏幕上显示
msg2:.byte   13,10 ！13为回车，10为换行！13光标回到本行开头，10光标到下一行，不一定是在开头.ascii  "NOW we are in SETUP".byte   13,10,13,10
.org 510
！.org 伪指令的格式是 .org new_lc, fill
！把当前区的位置计数器设置为 new_lc
！当位置计数器值増长时，所跳跃过的字节将被填入值 fill
！如果省略了逗号和 fill，则填入 0
boot_flag:.word   0xAA55
！设置引导扇区标记，必须在最后两个字节

第三部分：通过bootsect.s将setup.s加载入内存

SETUPLEN=2 ！setup程序代码占用的磁盘扇区数
！（疑问，原来的磁盘扇区数目不是四个吗？）
SETUPSEG=0x07e0
entry _start
_start:mov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#36mov bx,#0x0007mov bp,#msg1mov ax,#0x07c0mov es,axmov ax,#0x1301int 0x10！以上和第一部分的代码一样！利用 ROM BIOS 中断 INT 0x13 将 setup 模块从磁盘第 2 个扇区开始读到! 0x90200 开始处，
load_setup:! dh = 磁头号； dl = 驱动器号（如果是硬盘则位 7 要置位）；! 设置驱动器和磁头(drive 0, head 0): 软盘 0 磁头 0mov dx,#0x0000! ch = 磁道(柱面)号的低 8 位； cl = 开始扇区(位 0-5)，磁道号高 2 位(位 6-7)；! 设置扇区号和磁道(sector 2, track 0): 0 磁头、0 磁道、2 扇区mov cx,#0x0002！address = 512, in INITSEG! 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）! ah = 0x02 - 读磁盘扇区到内存；al = 需要读出的扇区数量；mov ax,#0x0200+SETUPLEN! 应用 0x13 号 BIOS 中断读入 2 个 setup.s扇区int 0x13 ！read it! 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。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:！设置CS=0x90200，IP=0。！jmpi段间跳转指令jmpi    0,SETUPSEGmsg1:.byte   13,10.ascii  "Hello OS world, my name is LZJ".byte   13,10,13,10
.org 510
boot_flag:.word   0xAA55

借助MakeFile来进行bootsect.s和setup.s的编译。
在 Ubuntu 下，进入 linux-0.11 目录后，使用下面命令（注意大小写）：

$ make BootImage

会在信息的最后一行看到

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。

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。

再次编译运行

$ cd ~/oslab/linux-0.11
$ make BootImage
$ ../run

第四部分：用setup.s获取基本硬件参数
setup.s获取硬件的参数，并且将其存放在内存0x90000处

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！以上两行的作用没有看懂
! init ss:sp（初始化栈段）mov ax,#INITSEGmov ss,axmov sp,#0xFF00! Get Params！设置ds为0x9000mov ax,#INITSEGmov ds,ax！读入光标的位置mov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10！将光标的位置存入到内存当中（ds：0x0000）mov [0],dx!读扩展内存大小，超过1M则为扩展mov ah,#0x88int 0x15mov [2],ax!读第1个磁盘参数表，共16个字节大小；其首地址在int 0x41的中断向量位置!中断向量表的起始地址是0x000, 共1KB大小,并且每个表项占4B!所以第1个磁盘参数表的首地址的地址:0x41*4=0x104, 此处4B由段地址和偏移地址组成mov ax,#0x0000mov ds,axlds si,[4*0x41]！从内存指定位置处读取一个长指针值，并放入 ds 和 si 寄存器。ds 中放段地址，! si 是段内偏移地址。这里是把内存地址 4 * 0x41（= 0x104）处保存的 4 个字节读出。这 4 字节即是硬盘参数表所处位置的段和偏移值。！! 取中断向量 0x41 的值，即 hd0 参数表的地址（ds:si）mov ax,#INITSEGmov es,axmov di,#0x0004 ！传输的目的地址: 0x9000:0x0004 （es:di）mov cx,#0x10 ！共传输 16 字节。/重复16次rep ！表示重复movsb ！movsb以字节为单位进行移动！补充：1）movsb以字节为单位进行移动2）movsd以双字为单位进行移动3）movsw以字为单位进行移动! Be Ready to Printmov ax,csmov es,axmov ax,#INITSEGmov ds,ax! Cursor Position
！和第一部分的bootsect.s是一样的，读入光标的位置和打印相应的字符的位置mov ah,#0x03xor bh,bhint 0x10mov cx,#18mov bx,#0x0007mov bp,#msg_cursormov ax,#0x1301int 0x10！将内存的大小放入0x90000mov dx,[0]以16进制打印数据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,#8mov 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_loop
！以16进制
print_hex:
！打印4个十六进制数字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 "Cyles:"
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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