操作系统实现

操作系统

操作系统实现之BootLoader引导启动程序

1. 基本原理

  • 计算机启动流程

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    graph LR
    A[加电] --> B[BIOS自检]
    B --BIOS加载引导扇区--> C[Boot引导程序]
    C --Boot加载Loader--> D[Loader引导加载程序]
    D --Loader加载内核--> E[操作系统]

  • 为什么引导程序要分为boot和loader，为什么BIOS不直接加载Loader?

    • 一个扇区的空间太小，所以需要两级接力进行初始化和引导。

  • 引导扇区是软盘的第0磁头0磁道1扇区，且以数值0x55和0xaa两字节结尾。BIOS程序即根据这两个特征识别启动设备。

  • BIOS识别到引导扇区后，会将此扇区数据加载到内存，然后跳转至0x7c00地址处执行。因此Boot程序必须以0x7c00为起始地址。

  • FAT12文件系统结构

2. 实现过程

简单的boot引导程序

  • 程序如下

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    org 0x7c00					;程序从0x7c00处开始
    BaseofStack equ 0x7c00		;栈地址
    Label_Start:
        mov ax,cs
        mov ds,ax
        mov es,ax
        mov ss,ax
        mov sp,BaseofStack
        
    ;显示引导程序日志信息
    ;清屏
        mov ax,0600h
        mov bx,0700h
        mov cx,0
        mov dx,0184fh
        int 10h
        
    ;设置光标
        mov ax,0200h
        mov bx,0000h
        mov dx,0000h
        int 10h
        
    ;在屏幕上显示Start Boot
        mov ax,1301h
        mov bx,000fh
        mov dx,0000h
        mov cx,10
        push ax
        mov ax,ds
        mov es,ax
        pop ax
        mov bp,StartBootMessage
        int 10h
        
    ;操作磁盘驱动器
        
    ;软盘驱动器初始化，将软盘磁头移动至默认位置
        xor ah,ah
        xor dl,dl
        int 13h
        
     ;死循环
        jmp $
        
    StartBootMessage:   db  "Start Boot"
        
    ;用0填充剩余位置
        times   510 - ($-$$)    db  0
        
    ;以0x55 0xaa结尾，表示扇区为引导扇区
        dw  0xaa55

  • 使用nasm编译boot.asm程序，得到二进制文件boot.bin

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    nasm boot.asm -o boot.bin

  • 使用bximage制作软盘boot.img

  • 使用dd命令将二进制文件boot.bin写入到软盘镜像的第一个扇区

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    dd if=boot.bin of=boot.img bs=512 count=1 conv=notrunc

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  • 配置好bochs之后，启动bochs，出现如下界面则boot引导程序正常

    image-20220105213618969

加载Loader到内存

  • 编译boot.asm和loader.asm

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    nasm boot.asm -o boot.bin
    nasm loader.asm -o loader.bin

  • 将boot.bin写入镜像boot.img中

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    dd if=boot.bin of=boot.img bs=512 count=1 conv=notrunc

  • 挂载boot.img镜像

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    sudo mount boot.img ../boot/ -t vfat -o loop
    #-t指定文件系统，-o loop表示把此文件描述为磁盘分区

  • 将loader.bin复制到文件系统中

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    sudo cp loader.bin ../boot/
    sync	#磁盘同步命令，防止写入信息还在缓存中，没有真正写入磁盘

  • 卸载设备

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    sudo umount	../boot/

  • 运行结果

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loader程序

基本原理

  • loader引导加载程序的功能——检测硬件信息、处理器模式切换、向内核传递数据
  • 检测硬件信息
    • 因为BIOS上电自检出的信息为实模式下的信息，而内核运行于非实模式下。需要在进入内核之前，将这些信息检测出来作为参数提供给内核程序使用。
    • 其中最重要的信息是物理地址空间信息，还有VBE功能获取的显示信息。
  • 处理器模式切换
    • Loader引导加载程序经历三个模式：实模式16位——保护模式32位——长模式IA-32e。
    • 在各个阶段，程序要手动创建运行各膜式的临时数据，并实现切换。
  • 向内核传递数据
    • 传递两类信息：控制信息、硬件数据信息
    • 控制信息：控制内核启动流程或限制内核的某些功能，是纯软件控制逻辑。
    • 硬件数据信息：检测出的硬件信息，如内存信息，VBE信息等

内核

内核执行头程序

  • 一小段汇编代码，控制权从Loader程序移交到内核之后即先执行内核执行头程序。
  • 作用：为操作系统创建段结构和页表结构、设置某些结构的默认处理函数、配置关键寄存器。

内核主程序

  • 相当于应用程序的主函数，不会返回，因为内核执行头程序没有提供返回地址
  • 作用：调用各个系统模块的初始化函数，将这些模块初始化之后创建第一个进行init，然后将控制权移交给init进程

屏幕显示

编译链接时出现如下错误提示

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错误undefined reference to __stack_chk_fail是因为使用gcc编译源码到目标文件时，默认会调用__stack_chk_fail进行栈相关检查，但是使用ld进行链接时并不会自动链接到__stack_chk_fail所在的库文件，所以链接时一定会报错。此时在编译时添加-fno-stack-protector，强制gcc不进行栈检查即可。

错误undefined reference to strlen是由于strlen定义为内联函数，而内联函数嵌入到调用者代码中的操作是一种优化操作，只有进行优化编译时才会进行。如果不是优化编译，则内联函数的代码不会被嵌入到调用者的代码中，而是作为普通函数来处理。此时在编译时添加-O选项，打开优化编译即可解决问题。

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参考