處理器以‘字節’管理和訪問內存,每個字節都有獨立的地址,即物理地址。有兩種地址映射方式:分段和分頁,skelix內核中都用到了。
段對于我們來說再熟悉不過了,先回顧一下dos時期的段吧。它是一個16位的寄存器,所以最多可以直接訪問2^16字節的內存,即64K。這對應用程序來說太少了,于是Intel使用Segment:Offset結合方式來表示一個虛擬地址。段寄存器左移4位加上偏移就得到實際的物理地址了。例如,0x7c00:0x0189表示物理地址0x7c189,而不是0x7c000189。計算過程如下:
7C000
+ 0189
-------
7C189
現在我們來計算最大可以訪問的地址:FFFF:FFFF
FFFF0
+ FFFF
-------
10FFEF
這個范圍是1M + 65519 bytes, 因為在80386中使用了20位地址線,所以可以額外多訪問65519個字節虛擬地址,例如地址0x100010被映射到地址0x10,訪問這兩個地址是等價的。
表示同一個物理地址有多種方式,例如07C0:0000和0000:7C00 就是一樣的。
另一個概念是線性地址,這個是32位地址,只有當分頁機制開啟時才有效,文章后面會提到它。
引導過程
當系統上電或RESET時,處理器將執行一些列的初始化,寄存器被設置成非預知狀態,并且cpu處于實模式。也許你想知道cpu是怎樣設置segment:offset為物理地址FFFF0的(0xf000:0xfff0就是bios入口地址),這是因為cs寄存器有一個非可見部分,它保存了ffff:0000地址,并且cs在初始化時會被裝入f000值。此后以正常方式使用它。當bois取得控制權后,根據用戶配置(從軟驅,硬盤,或cdrom)中讀取第一個sector到00007C00,并跳轉到該地址執行(就是引導程序bootstrap)。在bootstrap中我們可以使用bios中斷,但是進入kernel后就不能再使用了。
程序一:使用as和ld的范例
你可以在下載源程序的01/first.cry/bootsect.s
.text .text表示代碼段
.globl start表示start可以用作外部符號
.code16 GCC默認使用32位地址和操作數,這里告訴它使用16位
start:
jmp
start 死循環
.org 0x1fe,
0x90 .org NEW-LC,
FILL,說明:這里填充0x90,是nop指令的機器碼
.word 0xaa55
講解:.org指令指示下一個數據地址,為了編譯這個程序,我們寫了一個Makefile,總不能老是敲命令吧,呵呵。
網絡上可以找到很多寫Makefile的資料,編譯選項才是我們關注的焦點。
01/first.cry/Makefile
AS=as
gcc匯編工具
LD=ld
gcc連接器
.s.o:
${AS} -a $< -o $*.o >$*.map
all: final.img
final.img: bootsect
mv bootsect final.img
bootsect: bootsect.o
${LD} --oformat binary -N -e start -Ttext 0x7c00 -o bootsect $<
講解:ld可以被配置為支持多于一種的目標文件. binary表示沒有程序頭和其他信息,僅僅是一些裸數據。如果沒有這個選項,將被默認鏈接為elf格式。-N把text和data節設置為可讀寫。-Ttext將text節起始地址設置為0x7c00(在jmp和數據引用等重定位鏈接時會用到這個參考值),所有的引用地址都是在7c00這個地址上加出來的。-e選項指定程序入口點
現在我們運行make指令編譯一下:
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$ ls
bootsect.s COPYING Makefile
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$ make
as -a bootsect.s -o bootsect.o >bootsect.map
ld --oformat binary -N -e start -Ttext 0x7c00 -o bootsect bootsect.o
mv bootsect final.img
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$ ls
bootsect.map bootsect.o
bootsect.s COPYING final.img
Makefile
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$
現在,我們啟動vmware,運行,載入軟驅映象文件"final.img",我們得到一個黑屏,這是正確的,因為我們什么也沒有做。
程序一:顯示 Hello World!
好了,上面的黑屏程序并不是太好玩,現在我們嘗試在上面打印"Hello World!"
01/hello.world/bootsect.s
.text
.globl start
.code16
start:
jmp code
msg:
使用jmp指令跳過該變量,這是我們為什么在Makefile使用-N鏈接選項了
.string "Hello World!\x0"
code:
movw $0xb800,%ax
movw
%ax,
%es es段設置成B800,如前所述,segment:offset地址映射方式,它指向B8000,
這意味著第一個字節地址是0(映射到B8000),屬性字節是1(映射到B8001)
B8001值設置為0x07可以將這個byte顏色設置為黑底白字。
xorw
%ax, %ax
movw
%ax, %ds
movw $msg,
%si 為movsb指令設置正確的si和di
xorw
%di, %di
cld
movb $0x07,
%al 字的顏色
1:
cmp
$0, (%si)
je 1f
movsb
stosb
jmp 1b
1: jmp 1b
.org 0x1fe, 0x90
.word 0xaa55