天衣有縫

第1課：引導(dǎo)程序

聲明：轉(zhuǎn)載請保留：

譯者：http://m.shnenglu.com/jinglexy

原作者：xiaoming.mo at skelix dot org

目標(biāo)：使"system"從軟盤啟動，并打印"Hello World!" 下載源程序

內(nèi)存尋址

處理器以‘字節(jié)’管理和訪問內(nèi)存，每個(gè)字節(jié)都有獨(dú)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(nèi)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(shí)期的段吧。它是一個(gè)16位的寄存器，所以最多可以直接訪問2^16字節(jié)的內(nèi)存，即64K。這對應(yīng)用程序來說太少了，于是Intel使用Segment:Offset結(jié)合方式來表示一個(gè)虛擬地址。段寄存器左移4位加上偏移就得到實(shí)際的物理地址了。例如，0x7c00:0x0189表示物理地址0x7c189，而不是0x7c000189。計(jì)算過程如下：

 7C000
+ 0189
-------
 7C189

現(xiàn)在我們來計(jì)算最大可以訪問的地址：FFFF:FFFF

 FFFF0
+ FFFF
-------
10FFEF

這個(gè)范圍是1M + 65519 bytes, 因?yàn)樵?span lang="EN-US">80386中使用了20位地址線，所以可以額外多訪問65519個(gè)字節(jié)虛擬地址，例如地址0x100010被映射到地址0x10，訪問這兩個(gè)地址是等價(jià)的。

表示同一個(gè)物理地址有多種方式，例如07C0:0000和0000:7C00 就是一樣的。

另一個(gè)概念是線性地址，這個(gè)是32位地址，只有當(dāng)分頁機(jī)制開啟時(shí)才有效，文章后面會提到它。

引導(dǎo)過程

當(dāng)系統(tǒng)上電或RESET時(shí)，處理器將執(zhí)行一些列的初始化，寄存器被設(shè)置成非預(yù)知狀態(tài)，并且cpu處于實(shí)模式。也許你想知道cpu是怎樣設(shè)置segment:offset為物理地址FFFF0的（0xf000:0xfff0就是bios入口地址），這是因?yàn)?span lang="EN-US">cs寄存器有一個(gè)非可見部分，它保存了ffff:0000地址，并且cs在初始化時(shí)會被裝入f000值。此后以正常方式使用它。當(dāng)bois取得控制權(quán)后，根據(jù)用戶配置（從軟驅(qū)，硬盤，或cdrom）中讀取第一個(gè)sector到00007C00，并跳轉(zhuǎn)到該地址執(zhí)行（就是引導(dǎo)程序bootstrap）。在bootstrap中我們可以使用bios中斷，但是進(jìn)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(rèn)使用32位地址和操作數(shù)，這里告訴它使用16位
start:
        jmp      start     死循環(huán)

.org    0x1fe,   0x90      .org NEW-LC, FILL，說明：這里填充0x90，是nop指令的機(jī)器碼
.word   0xaa55

講解：.org指令指示下一個(gè)數(shù)據(jù)地址，為了編譯這個(gè)程序，我們寫了一個(gè)Makefile，總不能老是敲命令吧，呵呵。

網(wǎng)絡(luò)上可以找到很多寫Makefile的資料，編譯選項(xiàng)才是我們關(guān)注的焦點(diǎn)。

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(biāo)文件. binary表示沒有程序頭和其他信息，僅僅是一些裸數(shù)據(jù)。如果沒有這個(gè)選項(xiàng)，將被默認(rèn)鏈接為elf格式。-N把text和data節(jié)設(shè)置為可讀寫。-Ttext將text節(jié)起始地址設(shè)置為0x7c00（在jmp和數(shù)據(jù)引用等重定位鏈接時(shí)會用到這個(gè)參考值），所有的引用地址都是在7c00這個(gè)地址上加出來的。-e選項(xiàng)指定程序入口點(diǎn)

現(xiàn)在我們運(yùn)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(xiàn)在，我們啟動vmware，運(yùn)行，載入軟驅(qū)映象文件"final.img"，我們得到一個(gè)黑屏，這是正確的，因?yàn)槲覀兪裁匆矝]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(xiàn)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?yōu)槭裁丛?span lang="EN-US">Makefile使用-N鏈接選項(xiàng)了
        .string "Hello World!\x0"
code:
        movw    $0xb800,%ax
        movw    %ax,    %es            es段設(shè)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(gè)字節(jié)地址是0（映射到B8000），屬性字節(jié)是1（映射到B8001）

                                       B8001值設(shè)置為0x07可以將這個(gè)byte顏色設(shè)置為黑底白字。
        xorw    %ax,    %ax
        movw    %ax,    %ds

        movw    $msg,   %si            為movsb指令設(shè)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