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  • Linux开机过程的分析(关于bootsect.S )
  • 这篇文章的目的,在将linuxkernel的boot部份做一个介绍,因为笔者觉得很少有这样的 文章介绍一个作业系统最最开始的一步--把kernel本身载入至内存中,同时进行一些机 器相关(machinedependent)的初始化工作,由于linux刚好使用的是大家最熟悉的386,
    486系列PC,所以在说明其程序流程时,也刚好可以对其相关的PC硬体架构做探讨,可以 说是一举两得,不过,我必须假设读者对于组合语言及PC最基础的架构,如寄存器,分 段,分页,中断服务等有大概的认识。

       读者可在linuxsourcecode的/boot子目录下找到几个以.S作为副档名的组合语言档 ,本文要说明的即是其中的bootsect.S及setup.S两个档案,及尽量简单的说明其所牵涉 的相关硬体部份。 bootsect.S
       这个程序是linuxkernel的第一个程序,包括了linux自己的bootstrap程序,但是在 说明这个程序前,必须先说明一般IBMPC开机时的动作(此处的开机是指"打开PC的电源" ):
       一般PC在电源一开时,是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROMBIO S中,ROMBIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中),而此处的内容则是一个jump指令,jump到另 一个位于ROMBIOS中的位置,开始执行一系列的动作,包括了检查RAM,keyboard,显示 器,软硬磁盘等等,这些动作是由系统测试码(systemtestcode)来执行的,随着制作BI OS厂商的不同而会有些许差异,但都是大同小异,读者可自行观察自家机器开机时,萤 幕上所显示的检查讯息。

       紧接着系统测试码之后,控制权会转移给ROM中的启动程序(ROMbootstraproutine) ,这个程序会将磁盘上的零道零扇区读入内存中(这就是一般所谓的bootsector,如果你 曾接触过电脑病毒,就大概听过它的大名),至于被读到内存的哪里呢?--绝对位置07C0
    :0000(即07C00h处),这是IBM系列PC的特性。而位在linux开机磁盘的bootsector上的正 是linux的bootsect程序,也就是说,bootsect是第一个被读入内存中并执行的程序。现 在,我们可以开始来看看到底bootsect做了什么。

    第一步
       首先,bootsect将它"自己"从被ROMBIOS载入的绝对地址0x7C00处搬到0x90000处, 然后利用一个jmpi(jumpindirectly)的指令,跳到新位置的jmpi的下一行去执行,关键 的assemblycode如下:
    .
    (搬移bootsect本身)
    jmpigo,IN99vSEC
    go:
    .
    .
       表示将跳到CS为0x9000,IP为offset"go"的位置(CS:IP=0x9000:offsetgo),其中I N99vSEC=0x9000定义于程序开头的部份,而go这个label则恰好是下一行指令所在的位置

    第二步
       接着,将其它segmentregisters包括DS,ES,SS都指向0x9000这个位置,与CS看齐 。另外将SP及DX指向一任意位移地址(offset),这个地址等一下会用来存放磁盘参数表 (diskpara-metertable)
       提到磁盘参数表,就必须提到BIOS中断1Eh。先简单的介绍一下BIOS的中断服务:80 x86将内存最低的256*4byte保留给256个中断向量(每个interruptvector大小为4byte, 所以一共有256*4=1024byte),而其中的第1Eh个向量指向"磁盘参数表",这个表会告诉 电脑如何去读取磁盘机,而我们所要做的事是搬移磁盘参数表到刚才所设定的任意地址 。
       接着,改变搬移来的参数表的参数,以符合我们的需要。再将中断向量1Eh指向我们 所修改过的磁盘参数表,然后呼叫BIOSinterrupt的int13h(function0,即AH=0)重置磁 盘控制卡及磁盘驱动器,之后磁盘机就会照我们的意思动作了。如果你曾trace过DOS的 kernel,你会发现,上述的动作在DOS中也有类似的对应流程。

    现在让我们来看看关键的程序码:. .
    push#0
    popfs
    movbx,#0x78
    .
    (使GS:SI=FS:BX,指向磁盘参数表, 再将GS:SI所指地址的内容搬移6个 word至ES:DI所指的地址)
    .
       此段程序是将FS:BX调整成0000:0078,接着再将GS:SI的内容设成与FS:BX相同,此 处0x78h即为int1Eh的起始位置(7*16+8=120,(1*16+14)*4=120)。调整ES:DI为刚才所设 定的任意地址,从GS:SI搬移6个word(即12byte)到ES:DI所指的位置,显然磁盘参数表的 长度就是6个word,(不过事实上,磁盘参数表的确实长度是11个byte)。关于磁盘参数表 ,有兴趣的读者可自行参阅讲述BIOSinterruptservices的技术手册,会有详细的说明。

       读者可以用debug自行观察自家机器上DOS的磁盘参数表的起始位置(即int1Eh的内容 )。以下是笔者机器的情形(笔者使用的作业系统是MSDOS6.2):
    C:>debug
    -d0000:0000
    0000:00008A101601F4067000-1600CB04F4067000......p.......p.
    0000:0010F40670000301790E-43EB00F0EBEA00F0..p...y.C.......
    0000:002004108E340C118E34-5700CB046F00CB04...4...4W...o...
    0000:00308700CB0408079433-B700CB04F4067000.......3......p.
    0000:00400C01790E4DF800F0-41F800F0BA165F06..y.M...A....._.
    0000:005039E700F01B01790E-70118E341201790E9.....y.p..4..y.
    0000:006000E000F085175F06-6EFE00F0EE067000......_.n.....p.
    0000:007053FF00F0A4F000F0-220500003E4600C0S......."...>F..
    ^^^^^^^^
    由上图中可知,在DOS中磁盘参数表的起始位置(int1Eh的内容)为0000:0522。接着观察 DOS中位置0000:0522开始的11个byte,也就是磁盘参数表的内容
    C:>debug
    -d0000:0520l10
    0000:05204D53DF022502121B-FF54F60F08000000MS..%....T......
    ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
    此11byte即为磁盘参数表的内容(分别是byte00h到0Ah)
       在程序中我们所更动的是第五个byte(byte04h),改为18h(在上图例子中为12h),这 个byte的功能是定义磁轨上一个磁区的资料笔数。关键的程序码如下:
    .
    movb4(di),*18

    第叁步
       接着利用BIOS中断服务int13h的第0号功能,重置磁盘控制器,使得刚才的设定发挥 功能。
    xorah,ah
    xordl,dl
    int0x13
    .
    .
    第四步
       完成重置磁盘控制器之后,bootsect就从磁盘上读入紧邻着bootsect的setup程序, 也就是以后将会介绍的setup.S,此读入动作是利用BIOS中断服务int13h的第2号功能。 setup的image将会读入至程序所指定的内存绝对地址0x90200处,也就是在内存中紧邻着 bootsect所在的位置。待setup的image读入内存后,利用BIOS中断服务int13h的第8号功 能读取目前磁盘机的参数。
    第五步
       再来,就要读入真正linux的kernel了,也就是你可以在linux的根目录下看到的"v mlinuz"。在读入前,将会先呼叫BIOS中断服务int10h的第3号功能,读取游标位置,之 后再呼叫BIOS中断服务int10h的第13h号功能,在萤幕上输出字符串"Loading",这个字 符串在bootlinux时都会首先被看到,相信大家应该觉得很眼熟吧。
       linux的kernel将会被读入至内存绝对地址0x10000处,键关的程序码如下: .
    .
    movax,#SYSSEG
    moves,ax
    callread_it
    callkill_motor
    .
    .
       其中SYSSEG于程序开头时定义为0x1000,先将ES内容设为0x1000,接着在read_it这 个子程序便以ES为目的地的节地址,将kernel读入内存中,至于read_it子程序的详细内 容笔者并不想一一介绍,不过聪明的读者们应该已经猜到,read_it一定又利用了BIOSi
    nt13h与磁盘有关的I/O中断服务了。
       至于kill_motor子程序,它的功能在于停止软盘机的马达(各位聪明的读者会不会觉 得这个子程序的名称取得颇为传神呢?),其程序码如下:
    .
    .
    kill_motor:
    pushdx
    movdx,#0x3f2
    xoral,al
    outb
    popdx
    ret
    .
    .
       首先利用DX指定要输出的port,而03f2这个port则是代表了软盘控制器(floppydis kcontroller)的所在,再利用outb将资料送出,而我们送出的资料,当然就是归零过的 AL了。如此一来,软盘的马达就停止了。
    第六步
       接下来做的事是检查rootdevice,之后就仿照一开始的方法,利用indirectjump跳 至刚刚已读入的setup部份,程序码如下:
    .
    .
    jmpi0,SETYPSEG
       其中SETUPSEG已在先前定义为0x9020,所以CS:IP会设定为9020:0000,即跳到绝对 地址为0x90200,也就是setup的起点。而bootsect也大功告成了。 到此为止,内存的内容应该如下图所示:
    比较
       把大家所熟知的MSDOS与linux的开机部份做个粗浅的比较,MSDOS由位于磁盘上boo tsector的boot程序负责把IO.SYS载入内存中,而IO.SYS则负有把DOS的kernel--MSDOS. SYS载入内存的重责大任。而linux则是由位于bootsector的bootsect程序负责把setup及
    linux的kernel载入内存中,再将控制权交给setup。
       至于setup.S,就留到下一次再来讨论了。  
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