系列目录
- 序篇
- 准备工作
- BIOS 启动到实模式
- GDT 与保护模式
- 虚拟内存初探
- 加载并进入 kernel
- 显示与打印
- 全局描述符表 GDT
- 中断处理
- 虚拟内存完善
- 实现堆和 malloc
- 第一个 kernel 线程
- 多线程切换
- 锁与多线程同步
- 进入用户态
- 进程的实现
- 系统调用
- 简单的文件系统
- 加载可执行程序
- 键盘驱动
- 运行 shell
从 mbr 到 loader
接上一篇 BIOS 启动到实模式,这篇开始 loader
的编写。首先回顾一下那张磁盘镜像和内存分布图:
目前只需要关注 1MB 一下的内存分布,主要是黄色 mbr
和蓝色 loader
部分。上一篇中已经将 mbr
加载到内存,并且程序流通过 mbr 最后一条指令 jmp LOADER_BASE_ADDR (0x8000)
已经执行到了 loader
的入口处,接下来就需要将 loader 实现。
loader 的工作
总的来说, loader 的工作主要有以下几项:
- 建立
GDT(Global Descriptor Table)
,初始化内核代码和数据段寄存器(segment registers
),带领 CPU 进入保护模式(protection mode
); - 建立 kernel 页目录(
page directory
)和页表(page tables
),打开虚拟内存(virtual memory
),进入paging
模式; - 加载
kernel
镜像到内存,然后进入到 kernel 代码执行,至此系统的控制权转交到了 kernel ;
可以看到 loader 的工作是比较多的,并且已经涉及到了x86 体系架构中的一些核心部分,因此为了读懂并实现 loader,你必须做好以下的知识准备:
- GDT,段内存寻址,段寄存器,保护模式;
- 虚拟内存,页目录,页表;
elf
文件格式,因为 kernel 会被编译链接成该格式的文件;
loader 实现
仍然和之前一样,先给出我的项目代码链接 src/boot/loader.S,供你参考。
这个源代码已经比较多了,尤其是它还是汇编写成的,而且代码里还包含了很多工具函数和打印相关的函数。为了避免陷入混乱,这里抽取出几个最重要的关键节点(函数),分别代表了上面所述的 loader
需要做的几项工作:
# 入口
loader_start
# 初始化 GDT 并进入保护模式
setup_protection_mode
protection_mode_entry
# 初始化 kernel 页目录和页表
setup_page
# 加载并进入 kernel
init_kernel
接下来我们一个一个实现这些功能。本篇我们首先初始化 GDT,进入 32-bit 保护模式
。
进入 loader
在开始之前,我们首先看 loader 的开始部分的代码,和 mbr 一样,这里仍然首先定义了 loader 编码的起始内存地址,为 0x8000
,这是因为我们预先设计好了,mbr 会将 loader 从磁盘上加载到内存 0x8000 位置处并跳转过去,所以 loader 的编址必须从该地址开始。
; LOADER_BASE_ADDR = 0x8000
SECTION loader vstart=LOADER_BASE_ADDR
接下来正式进入 loader 的第一条代码 jmp loader_start
,它是一个简单的跳转,我们跳到了 loader_start
开始真正执行 loader 的工作:
loader_entry:
jmp loader_start
; 全局数据
; ...
loader_start:
call clear_screen
call setup_protection_mode
如果你对这种汇编编码的方式不熟悉,可能会觉得奇怪,为什么要 jmp
一下,中间跳过的部分是什么?答案是,中间是我们要定义的数据部分,类似于 .c
文件里定义的全局变量。那里定义了一堆用来打印的字符串,以及至关重要的 GDT
。
你可能已经意识到了,汇编源代码里的指令和数据部分是可以自由混杂排布的,而且最终编译出来的二进制里它们排布顺序完全遵循源代码的排布。所以你可以任意安排你的指令和数据所处的位置,只要指令流能顺利地流转和执行下去,不至于跑飞就行。当然,整个 loader
的起始位置,即 0x8000
处必须是入口代码,因为这是和 mbr
约定好的跳转地址。至于后面全部可以自由发挥和排布。
初始化 GDT 表
来到上面说的全局数据的定义部分,你可以跳过我加入的一些打印字符串信息,直接来到 GDT 的定义处。这里定义了 4 个 GDT entry
,每个 entry 占了 8 个字节即 64 bits。关于 GDT 的含义和字段格式,可以参考这里,也可以参考我之前推荐的 JamesM's kernel development tutorials 。这些都是 x86 体系架构的历史包袱,我不想浪费笔墨再解释一遍,但是我们的代码必须实现并遵从它的法则。
GDT 第一个 entry 是保留项不做使用;第四个为显示器 video
内存段描述符,这个其实并不是必须的,你可以无视它;所以我们只需要关注第二和第三项即可,它们是:
- 内核代码段(
kernel code
)描述符; - 内核数据段 (
kernel data
)描述符;
我们用 dd
伪指令定义这两个段描述符(segment descriptor
):
CODE_DESC:
dd DESC_CODE_LOW_32
dd DESC_CODE_HIGH_32
DATA_DESC:
dd DESC_DATA_LOW_32
dd DESC_DATA_HIGH_32
DESC_CODE_LOW_32
, DESC_CODE_HIGH_32
,DESC_DATA_LOW_32
,DESC_DATA_HIGH_32
都定义在了 src/boot/boot.inc 中,你可以对照上面给出的手册文档验证每一个 bit。还是那句话,这是一个枯燥、麻烦、细致但是绕不开的工作,没有什么难点,需要的是读文档手册的耐心。
为了照顾对汇编还不是很熟悉的同学,有必要将 dd
伪指令的作用解释一遍。dd
的意思是 define double (4-bytes)
,与之类似的还有 db (byte)
,dw (word, 2-bytes)
,它们出现在汇编源代码里,就是指在编译后的二进制里,在该位置上写入后面所定义的数据内容。由此你可以再次体会一下汇编与编译后的二进制的关系,这几乎就是一种刻板的翻译而已。
进入保护模式
设置完 GDT 后,我们就可以进入保护模式:
; enable A20
in al, 0x92
or al, 0000_0010b
out 0x92, al
; load GDT
lgdt [gdt_ptr]
; open protection mode - set cr0 bit 0
mov eax, cr0
or eax, 0x00000001
mov cr0, eax
; refresh pipeline
jmp dword SELECTOR_CODE:protection_mode_entry
注意这里使用了 lgdt
指令加载 GDT
,并且打开了 cr0
寄存器的保护模式的 bit 位,正式进入保护模式。后面通过一个 far jump
,将 cs
段寄存器初始化为 kernel code
段。注意 cs
寄存器的值不能直接通过 mov
指令设置,而是必须通过跳转语句隐式地被设置。
跳转后,接下来程序来到 protection_mode_entry
的执行,这里初始化了几个 kernel data
段寄存器:
protection_mode_entry:
; set data segments
mov ax, SELECTOR_DATA
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
; set video segment
mov ax, SELECTOR_VIDEO
mov gs, ax
到此保护模式的初始化工作算是完成,然后就来到了 loader 的重点部分 setup_page
函数,开始建立 kernel 的虚拟内存,留待下一篇。