Bootloader
我們知道計算機(jī)啟動是從BIOS開始，再由BIOS決定從哪個設(shè)備啟動以及啟動順序，比如先從DVD啟動再從硬盤啟動等。計算機(jī)啟動后，BIOS根據(jù)配置找到啟動設(shè)備，并讀取這個設(shè)備的第0個扇區(qū)，把這個扇區(qū)的內(nèi)容加載到0x7c00,之后讓CPU從0x7c00開始執(zhí)行，這時BIOS已經(jīng)交出了計算機(jī)的控制權(quán)，由被加載的扇區(qū)程序接管計算機(jī)。
這第一個扇區(qū)的程序就叫Boot，它一般做一些準(zhǔn)備工作，把操作系統(tǒng)內(nèi)核加載進(jìn)內(nèi)存，并把控制權(quán)交給內(nèi)核。由于Boot只能有一個扇區(qū)大小，即512字節(jié)，它所能做的工作很有限，因此它有可能不直接加載內(nèi)核，而是加載一個叫Loader的程序，再由Loader加載內(nèi)核。因?yàn)長oader不是BIOS直接加載的，所以它可以突破512字節(jié)的程序大小限制（在實(shí)模式下理論上可以達(dá)到1M）。如果Boot沒有加載Loader而直接加載內(nèi)核，我們可以把它叫做Bootloader。
Bootloader加載內(nèi)核就要讀取文件，在實(shí)模式下可以用BIOS的INT 13h中斷。內(nèi)核文件放在哪里，怎么查找讀取，這里牽涉到文件系統(tǒng)，Bootloader要從硬盤（軟盤）的文件系統(tǒng)中查找內(nèi)核文件，因此Bootloader需要解析文件系統(tǒng)的能力。GRUB是一個專業(yè)的Bootloader，它對這些提供了很好的支持。
對于一個Toy操作系統(tǒng)來說，可以簡單處理，把內(nèi)核文件放到Bootloader之后，即從軟盤的第1個扇區(qū)開始，這樣我們可以不需要支持文件系統(tǒng)，直接讀取扇區(qū)數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存即可。
實(shí)模式到保護(hù)模式
我們知道Intel x86系列CPU有實(shí)模式和保護(hù)模式，實(shí)模式從8086開始就有，保護(hù)模式從80386開始引入。為了兼容，Intel x86系列CPU都支持實(shí)模式。現(xiàn)代操作系統(tǒng)都是運(yùn)行在保護(hù)模式下（Intel x86系列CPU）。計算機(jī)啟動時，默認(rèn)的工作模式是實(shí)模式，為了讓內(nèi)核能運(yùn)行在保護(hù)模式下，Bootloader需要從實(shí)模式切換到保護(hù)模式，切換步驟如下：
- 準(zhǔn)備好GDT(Global Descriptor Table)
- 關(guān)中斷
- 加載GDT到GDTR寄存器
- 開啟A20，讓CPU尋址大于1M
- 開啟CPU的保護(hù)模式，即把cr0寄存器第一個bit置1
- 跳轉(zhuǎn)到保護(hù)模式代碼
GDT是Intel CPU保護(hù)模式運(yùn)行的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所有保護(hù)模式操作的數(shù)據(jù)都從GDT表開始查找，
這里有GDT的詳細(xì)介紹。
GDT中的每一個表項(xiàng)由8字節(jié)表示，如下圖：
其中Access Byte和Flags如下圖：
GDTR是一個6字節(jié)的寄存器，有4字節(jié)表示GDT表的基地址，2字節(jié)表示GDT表的大小，即最大65536（實(shí)際值是65535，16位最大值是65535），每個表項(xiàng)8字節(jié)，那么GDT表最多可以有8192項(xiàng)。
實(shí)模式的尋址總線是20bits，為了讓尋址超過1M，需要開啟A20，可以通過以下指令開啟：
in al, 0x92
or al, 2
out 0x92, al
把上述步驟完成之后，我們就進(jìn)入保護(hù)模式了。在保護(hù)模式下我們要使用GDT通過GDT Selector完成，它是GDT表項(xiàng)相對于起始地址的偏移，因此它的值一般是0x0 0x8 0x10 0x18等。
ELF文件
Bootloader程序是原始可執(zhí)行文件，如果程序由匯編寫成，匯編編譯器編譯生成的文件就是原始可執(zhí)行文件，也可以使用C語言編寫，編譯成可執(zhí)行文件之后通過objcopy轉(zhuǎn)換成原始可執(zhí)行文件，
這篇文章介紹了用C語言寫B(tài)ootloader。
那么內(nèi)核文件是什么格式的呢？跟Bootloader一樣的當(dāng)然可以。內(nèi)核一般使用C語言編寫，每次編譯鏈接完成之后調(diào)用objcopy是可以的。我們也可以支持通用的可執(zhí)行文件格式，ELF(Executable and Linkable Format)即是一種通用的格式，它的
維基百科。
ELF文件有兩種視圖（View），鏈接視圖和執(zhí)行視圖，如下圖：
鏈接視圖通過Section Header Table描述，執(zhí)行視圖通過Program Header Table描述。Section Header Table描述了所有Section的信息，包括所在的文件偏移和大小等；Program Header Table描述了所有Segment的信息，即Text Segment, Data Segment和BSS Segment，每個Segment中包含了一個或多個Section。
對于加載可執(zhí)行文件，我們只需關(guān)注執(zhí)行視圖，即解析ELF文件，遍歷Program Header Table中的每一項(xiàng)，把每個Program Header描述的Segment加載到對應(yīng)的虛擬地址即可，然后從ELF header中取出Entry的地址，跳轉(zhuǎn)過去就開始執(zhí)行了。對于ELF格式的內(nèi)核文件來說，這個工作就需要由Bootloader完成。Bootloader支持ELF內(nèi)核文件加載之后，用C語言編寫的內(nèi)核編譯完成之后就不需要objcopy了。
為什么寫操作系統(tǒng)
首先是興趣，在現(xiàn)在這個時代，寫操作系統(tǒng)幾乎沒有實(shí)用價值，只能是一個Toy，在寫一個Toy OS時，可以學(xué)習(xí)掌握很多知識，并把這些知識貫穿實(shí)用起來。操作系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，牽涉到的東西很多，我相信寫操作系統(tǒng)可以幫助理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)及其它底層知識。我目前才剛開始寫，代碼放在
Github上。
posted on 2014-10-30 19:13
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