Lab 1: Booting a PC

最新推荐文章于 2023-10-11 13:54:47 发布

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这篇博客详细介绍了基于MIT 2017年6.826课程的实验，涉及PC的启动过程，包括PC的物理地址空间、ROM BIOS、引导加载器和内核的加载。实验内容涵盖了实模式到保护模式的转换、bootloader的加载、内存映射和虚拟内存的使用。同时，博主分享了在搭建环境和理解代码过程中遇到的挑战和解决方案。

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这个实验是基于MIT的2017的6.826课程，搭建环境的时候踩了几个坑，但是当时没有记录下来，可惜~

Part 1: PC Bootstrap

介绍了如何安装qemu以及如同通过qemu来模拟操作系统的启动。

The PC’s Physical Address Space

8088处理器的内存地址

0 - 640K 内存区域
0xF0000 - 0xFFFFF BIOS区域
0xB8000 - 0xBFFF 显卡区域

The ROM BIOS

[f000:fff0] 0xffff0:    ljmp   $0xf000,$0xe05b

mit 6.828 lab1 Exercise2

这部分的代码是嵌入在ROM BIOS中的，因此在磁盘上并没有对应的代码。

使用si命令得到的前22条汇编指令如下。虽然能看懂每条指令的字面意思，但看不懂具体实现的功能，后来参考myk的6.828 Lab1大致理解了基本功能：设置ss和esp寄存器的值，打开A20门（为了后向兼容老芯片）、进入保护模式（需要设置cr0寄存器的PE标志）。

1 [ f000:fff0]    0xffff0:	ljmp   $0xf000,$0xe05b
2  [f000:e05b]    0xfe05b:	cmpl   $0x0,%cs:0x6ac8
3  [f000:e062]    0xfe062:	jne    0xfd2e1
4  [f000:e066]    0xfe066:	xor    %dx,%dx
5  [f000:e068]    0xfe068:	mov    %dx,%ss
6  [f000:e06a]    0xfe06a:	mov    $0x7000,%esp
7  [f000:e070]    0xfe070:	mov    $0xf34c2,%edx
8  [f000:e076]    0xfe076:	jmp    0xfd15c
9  [f000:d15c]    0xfd15c:	mov    %eax,%ecx
10 [f000:d15f]    0xfd15f:	cli    
11 [f000:d160]    0xfd160:	cld    
12 [f000:d161]    0xfd161:	mov    $0x8f,%eax
13 [f000:d167]    0xfd167:	out    %al,$0x70
14 [f000:d169]    0xfd169:	in     $0x71,%al
15 [f000:d16b]    0xfd16b:	in     $0x92,%al
16 [f000:d16d]    0xfd16d:	or     $0x2,%al
17 [f000:d16f]    0xfd16f:	out    %al,$0x92
18 [f000:d171]    0xfd171:	lidtw  %cs:0x6ab8
19 [f000:d177]    0xfd177:	lgdtw  %cs:0x6a74
20 [f000:d17d]    0xfd17d:	mov    %cr0,%eax
21 [f000:d180]    0xfd180:	or     $0x1,%eax
22 [f000:d184]    0xfd184:	mov    %eax,%cr0
23 [f000:d187]    0xfd187:	ljmpl  $0x8,$0xfd18f

参考MIT6.828——Lab 1. Part 2 启动qemu

代码笔记

第一条指令：[f000:fff0] 0xffff0: ljmp $0xf000,$0xe05b
因为8086加载或者复位的时候，CS = 0xFFFF, IP = 0x0000，所以它取的第一条指令位于0xFFFF0处。
通过ljmp指令来跳转到地址0xfe05b，并改变CS和IP的地址，CS = 0xF000，IP = 0xe05b。
第二、三条指令：[f000:e05b] 0xfe05b: cmpl $0x0,%cs:0x6ac8
判断0xf6ac8是否等于0，具体意思不清楚。如果不为0，则跳转到0xfd2e1。
第四、五、六、七条指令
置ss为0，esp为0x7000，edx为0xf34e2，之后再跳转到0xfd15c
CLI：Clear Interupt，禁止中断发生。STI：Set Interupt，允许中断发生。CLI和STI是用来屏蔽中断和恢复中断用的，如设置栈基址SS和偏移地址SP时，需要CLI，因为如果这两条指令被分开了，那么很有可能SS被修改了，但由于中断，而代码跳去其它地方执行了，SP还没来得及修改，就有可能出错。
CLD: Clear Director。STD：Set Director。在字行块传送时使用的，它们决定了块传送的方向。CLD使得传送方向从低地址到高地址，而STD则相反。这里要解释一下，要实现段之间的批量数据传送，比如movsb或者movsw，需要指定是正向传送还是反向传送，正向传送是指传送操作的方向是从内存区域的低地址端到高地址端。
第十二到十四条指令：
处理器是通过端口来和外围设备打交道的。本质上，端口就是一些寄存器，端口是处理器和外围设备通过I/O接口交流的窗口，每一个I/O接口都可能拥有好几个端口，所有端口都是统一编号的，比如I/O接口A有3个端口，端口号分别为0x0021~0x0023。
这里引入in，out操作：
out %al, PortAddress 向端口地址为PortAddress的端口写入值，值为al寄存器中的值
in PortAddres,%al 把端口地址为PortAddress的端口中的值读入寄存器al中
0x70端口和0x71端口是用于控制系统中一个叫做CMOS的设备。
操作CMOS存储器中的内容需要两个端口，一个是0x70另一个就是0x71。其中0x70可以叫做索引寄存器，这个8位寄存器的最高位是不可屏蔽中断(NMI)使能位。如果你把这个位置1，则NMI不会被响应。低7位用于指定CMOS存储器中的存储单元地址。
第十五到十七条指令
读端口0x92的值，并将0x92端口对应的寄存器的1号bit位置1。
它控制的是 PS/2系统控制端口A，可以查到这个端口的bit1的功能是
bit 1= 1 indicates A20 active
即A20位，即第21个地址线被使能。
lidt指令：加载中断向量表寄存器(IDTR)。这个指令会把从地址0xf6ab8起始的后面6个字节的数据读入到中断向量表寄存器(IDTR)中。中断是操作系统中非常重要的一部分，有了中断操作系统才能真正实现进程。每一种中断都有自己对应的中断处理程序，那么这个中断的处理程序的首地址就叫做这个中断的中断向量。中断向量表自然是存放所有中断向量的表了。
把从0xf6a74为起始地址处的6个字节的值加载到全局描述符表格寄存器中GDTR中。这个表实现保护模式非常重要的一部分。
第20-22指令
CR0是处理器内部的控制寄存器，它是32位寄存器，包含了一系列用于控制处理器操作模式和运行状态的标志位。它的第1位是保护模式允许位，是开启保护模式大门的门把手。如果把该位置"1"，则处理器进入保护模式。但是这里出现了问题，我们刚刚说过BIOS是工作在实模式之下，后面的boot loader开始的时候也是工作在实模式下，所以这里把它切换为保护模式，显然是自相矛盾。所以只能推测它在检测是否机器能工作在保护模式下。
23条指令之后
https://en.wikibooks.org/wiki/X86_Assembly/Global_Descriptor_Table指出，如果刚刚加载完GDTR寄存器我们必须要重新加载所有的段寄存器的值，而其中CS段寄存器必须通过长跳转指令，即23号指令来进行加载。所以这些步骤是在第19步完成后必须要做的。这样才能是GDTR的值生效。

后面的就看不懂了，应该是调用了BIOS中的各种函数来检测各种底层的设备

Part 2: The Boot Loader

If the disk is bootable, the first sector is called the boot sector, since this is where the boot loader code resides。
For 6.828, however, we will use the conventional hard drive boot mechanism, which means that our boot loader must fit into a measly 512 bytes. The boot loader must perform two main functions:
- First, the boot loader switches the processor from real mode to 32-bit protected mode, because it is only in this mode that software can access all the memory above 1MB in the processor’s physical address space.
- Second, the boot loader reads the kernel from the hard disk by directly accessing the IDE disk device registers via the x86’s special I/O instructions.
分析boot/boot.S的代码

00007c00 <start>:
    7c00:	fa                   	cli    
    7c01:	fc                   	cld    
    7c02:	31 c0                	xor    %eax,%eax
    7c04:	8e d8                	mov    %eax,%ds
    7c06:	8e c0                	mov    %eax,%es
    7c08:	8e d0                	mov    %eax,%ss
00007c0a <seta20.1>:
    7c0a:	e4 64                	in     $0x64,%al
    7c0c:	a8 02                	test   $0x2,%al
    7c0e:	75 fa                	jne    7c0a <seta20.1>
    7c10:	b0 d1                	mov    $0xd1,%al
    7c12:	e6 64