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从零开始写 OS 内核 - BIOS 启动到实模式

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实现 Boot Loader

接上一篇准备工作，从这篇开始我们将进入 boot loader 的编写。网上有一些类似的教程可能跳过了这个阶段，直接为你准备好了 boot loader，从而你可以直接开始 kernel 的编写，例如之前推荐的 JamesM's kernel development tutorials 就是这样的。不过我还是强烈建议将 boot loader 也自己实现了，尤其是对初学者，原因如下：

  • 它并不困难，相比于后面的 kernel；
  • 有助于你快速提高汇编能力，这在后面的 C 语言 kernel 编写、调试中仍然很重要；
  • boot 裸机运行阶段的的编程有助于你建立起对磁盘、内存、指令和 data 之间的加载、映射关系的正确认识，为后面的内核、可执行程序的加载，以及虚拟内存的建立做好准备，尤其是如果你感觉对这一块比较模糊的话；
  • boot 阶段其实会初步搭建起 segment 以及虚拟内存的框架，为后续 kernel 编写打下基础；

开机进入 BIOS

这是一个经典的问题，就是计算机主板开机上电后到启动，发生了什么？

首先我们需要知道开机后 CPU 和内存所处的状态，开机后 CPU 初始模式是实模式，地址宽度为 20 位，即最大地址空间 1MB。这 1MB 空间的划分是固定的，每一块都有规定的用途的，被映射到不同的设备上：

BIOS 的工作

我们来看一下开机后发生的事情：

  1. 开机后 CPU 的指令寄存器 ip 被强置为地址 0xFFFF0，这一地址被映射到 BIOS 固件上的代码，这就是计算机开机后的第一条指令的地址；
  2. CPU 开始执行 BIOS 上的代码，这一部分主要是硬件输入输出设备相关的检查，以及建立一个最初的中断向量表，目前不必深究；
  3. BIOS 代码最后阶段的工作，就是检查启动盘上的 mbr 分区，所谓 mbr 分区就是磁盘上的第一个 512B 内容，又叫引导分区；BIOS 会对这 512B 做一个检查：它的最后2个字节必须是两个 magic number：0x55 和 0xaa，否则它就不是一个合法的启动盘；
  4. 检查通过后，BIOS 将这 512B 加载到内存 0x7C00 处，到 0x7E00 为止，然后指令跳转到 0x7C00 开始执行；至此 BIOS 退出舞台；

将上面那张表格画成图，去掉干扰项，只留下我们关心的部分：

  • 黄色部分是加载到内存的 mbr，起始地址 0x7C00；
  • 白色部分是我们后面可以自由使用的内存空间；
  • 斜线阴影部分为 BIOS 代码；

图中标出了 BIOS 的主要工作流程，从地址 0xFFFF0 开始，经过一系列代码执行，最终校验并读取磁盘第一个 512B 扇区，加载到黄色部分即为 mbr，地址为 0x7C00，然后指令跳转过去，进入 mbr 的执行；

mbr 的工作

那么 mbr 需要做什么事情？因为 mbr 大小被限制在了 512B，你不可能在里面放很多代码和数据，所以它最重要的工作只有一个：

  • 将后面的 loader 部分从磁盘加载到内存，并跳转到 loader 继续执行；

内存布局规划

所以我们需要规划一下整个 boot load 阶段的内存布局，这里我们直接给出磁盘以及内存的全貌：

我们目前重点关注内存 1MB 以下部分的内容，不同部分用了不同的颜色标识出来：

  • 黄色：mbr
  • 蓝色：loader
  • 白色：可自由使用

经过 BIOS 的工作，现在指令已经来到了 mbr 部分，它需要将蓝色部分的 loader 从磁盘上加载到内存，地址就定为 0x8000，注意这个地址可以自由指定的，只要在图中白色区域内，并且空间足够用即可。我们的 loader 部分也不会很大，按照比较富余地估计，4KB 足以。

mbr 代码

先给出我项目里的代码，路径为 src/boot/mbr.S，供你参考。

首先关注开始部分：

SECTION mbr vstart=MBR_BASE_ADDR

MBR_BASE_ADDR 定义在了 boot.inc 中，为 0x7C00，这表示了整个 mbr 里的内容都是从 0x7C00 开始编址，包括代码和数据。这一点非常重要，因为我们已经提前知道了 BIOS 会将 mbr 加载到这个位置，所以整个 mbr 里的内容的编址必须从这里开始，这样 BIOS 在跳转到 mbr 的第一条指令后，后续对 mbr 中代码和数据的访问才能正确寻址。

mbr 的入口我标记为了 mbr_entry，后面我定义了几个函数，后面的讲解我们不妨用 C 语言给它做注释：

void init_segments();

这里初始化了几个 segment 寄存器，初始值均为 0，这表示 flat mode 的段内存分布方式，现在你也不必深究。另外我还将 stack 移动到了 0x7B00 的位置，这只是自由发挥，完全不是必须的。

接下来加载 loader：

void load_loader_img();
// 这个函数的汇编代码直接使用寄存器传参。
void read_disk(short load_mem_addr,
               short load_start_sector,
               short sectors_num);

这里就是 mbr 最主要的工作，把 loader 从磁盘上加载进来到内存 0x8000 的位置，
read_disk 三个参数传参分别为：

// loader 加载地址为 0x8000；
short load_mem_addr = LOADER_BASE_ADDR;
// loader 镜像在磁盘上起始位置为第 2 个sector，紧接着 mbr 之后；
short load_start_sector = 1;
// loader 大小为 8 个 sectors，共 4KB；
short sectors_num = 8;

read_disk 函数涉及到了读取磁盘，需要用到一堆 CPU 控制磁盘的端口和中断功能，你需要查阅文档使用，冗长繁杂，我是照搬了《操作系统真相还原》一书第三章的内容。你其实也不必深究，拿来用就可以，只需要知道它做了什么工作即可。

加载完 loader 之后，就可以跳转到 loader 地址 0x8000 执行：

jmp LOADER_BASE_ADDR

整个从 BIOS -> mbr -> loader 的指令运行跳转流程如下图所示。loader 部分用浅蓝色阴影标出，因为它实际上目前没有有效数据，等待我们后续将它实现并加载入内存：

最后还有个关键的小东西：
这一通代码下来，所用的空间还远未到 512B，我们将剩余的空间全部用 0 填充（其实随便填什么都行，反正执行不到），最后在 512B 的末尾处写上 0x55 和 0xaa 两个 magic number：

times 510-($-$$) db 0
db 0x55, 0xaa

至此 mbr 便编码完成了，非常短小简单。接下来我们需要将它编译并且制作成启动镜像，加载到 Bochs 里运行。

运行 mbr

首先你需要制作一个磁盘镜像文件，这里又用到了 Bochs 自带的 bximage 这个命令行工具：

>> bximage -hd -mode="flat" -size=3 -q scroll.img 1>/dev/null

它其实就是产生了一个 3MB 的写满了 0 的文件，3MB 的大小的磁盘对于我们的项目已经足够容纳 mbr，boot，kernel 以及其它用户程序等所有数据。bximage 的打印日志还会告诉你，应该给配置文件 bochsrc.txt 里的磁盘设置什么参数，很方便。

接下来使用 nasm 编译 mbr.S：

nasm -o mbr mbr.S

然后你就得到一个 512B 大小的 mbr 文件。接下来将它刻写进磁盘镜像文件，这里用到了 dd 这个命令：

dd if=mbr of=scroll.img bs=512 count=1 seek=0 conv=notrunc

注意到这里把 mbr 写到了磁盘镜像文件的第一个扇区（512B）。

现在我们得到一个这样的磁盘镜像文件：

然后你就可以把磁盘镜像文件加载到 Bochs 里运行了，和之前一样：

bochs -f bochsrc.txt

不过在此之前，mbr 最好先做一个小小的改动。因为此时我们镜像里还没有任何 loader 内容，加载完的 loader 其实全是 0，这不是可以执行的代码，因此 mbr 的最后一条指令 jmp LOADER_BASE_ADDR 之后 CPU 就会挂掉，所以你可以在这条指令之前加一句 jmp $，这相当于是死循环 while (true) {}，让程序悬停在这里，你就可以暂停 Bochs 然后看它是不是停在这条指令了，如果是的话，说明 mbr 的运行已经成功了。

总结

mbr 短小精悍，本身没有太多难点在里面，不过完事开头难，作为整个内核镜像的开篇，我们需要开始提前对整个内存的布局进行谋划。如果是对汇编，指令，内存等在裸机上运行的原理还不太熟悉的同学，mbr 也是一个非常好的练手机会，建议你多对照着反编译后 mbr 代码，以及 Bochs 调试，能快速地帮助你建立相关的认知。

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