一个简单多任务内核编译和运行

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#linux #多任务内核编译和运行 #virtual-machine #ubuntu 14.04 LTS #Bochs-2.6.8

于 2016-08-26 14:00:42 首次发布

本文介绍了计算机启动过程，从BIOS自检到引导加载内核，详细解析了一个简单的多任务内核如何通过boot.s和head.s在Bochs模拟器中编译和运行。内容涉及MBR结构、读扇区操作和从实模式转换到保护模式的过程，以及在遇到编译和模拟器运行问题时的解决办法。

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系统的启动过程:任何一台计算机，在开机后，它要做的第一件事情就是引导(Booting)，通过引导，计算机为自身搭建好运行环境，为以后OS的启动与运行做好准备。首先，我们来看看一台计算机是如何引导自身的。在机器加电后，电源供电稳定后，电源会传给8284A时钟生成器一个“Power Good”低电位信号，随后8284A会输出有效的RESET信号，使CPU复位，这时CS:IP = FFFF:0000。CPU在这里执行一条jmp far addr类指令，跳转到实际BIOS映射代码的位置，开始执行BIOS代码。

在跳转到BIOS后，首先会先关闭中断，然后开始自检(POST)工作，这个自检主要检测计算机最基本设备的运转状态。其主要包括对,CPU内部寄存器测试，BIOS芯片字节的检查，8237 DMA控制器测试,基本32K RAM检测等最基本内容。由于被检测设备在系统运行中的重要性，因此在此过程中，BIOS一旦检测到任何异常，都将判为致命性错误，系统将被停机。

通过上面的自检后，BIOS开始初始化8259可编程中断控制器，并设置BIOS的8个主要中断向量(int 10h—int 17h)，然后初始化并测试CRT视频接口以及显示内存，在确认正常后，执行其内部的显示卡标准驱动程序(注意这里的驱动跟安装操作系统下的驱动是不一样的),这段代码会存放在C0000h,其主要目的是初始化显示卡。然后BIOS会打印显卡信息。

接着BIOS开始检查其他设备，其包括对8259中断控制器测试，8253定时器测试,键盘复位和卡键测试，扩展I/O测试,设置硬件中断向量，扩展RAM测试（这里的RAM测试会检测除0—32K以外的整个RAM空间），.然后BIOS会搜索其他设备的ROM,如果找到，则会执行它们。接着测试ROM-BASIC的字节检查，测试磁盘驱动器（如：FDC等），测试打印机端口和RS-232，并设置他们的地址。

然后打开NMI（不可屏蔽中断），最后就是调用Int 19h进行自举。这一阶段的自检如果发生错误,系统会判断其为一般性错误,并显示出相应的提示信息。在此过程中，BIOS会将检测收集到的数据保存在内存低1K--2K的区域，并将BIOS中断向量表，以及BIOS程序运行所需要的stack保存在内存低0K--1K的地方。

下面就是系统自举工作了,系统调用int 19h进行自举，寻找启动设备，如：软驱，硬盘，光驱等等。找到后系统读取启动设备的0号逻辑扇区（如是软盘就读取0面0道1扇区的整个内容），并将读取的内容放到内存地址为0000:7C00的地方。

当然，如果找不到启动设备，BIOS就会调用Int 18h,并给出相应的提示信息，然后进入ROM-BASIC。至此，BIOS的引导程序结束，CPU开始执行0000:7C00处的代码。在这里需要说明一下的是，BIOS的引导程序是与操作系统无关的，但随后CPU开始执行的代码就开始与操作系统存在较大的相关性了，因此对于不同的操作系统，下面这一部分可能会存在着较大的不同。不过，从目的上来讲，它们是相同的，即都是为将要运行OS的内核（Kernel）作准备。

进入这一部分的首要工作就是执行启动设备的引导程序。硬盘与软盘的对于引导程序的存放结构是不同的。硬盘有一个叫做MBR（Master Boot Record）的扇区,系统会首先执行它，以判断那个分区是启动分区，并读入该分区的第一个扇区，并执行。并且在这个扇区中还存放着硬盘分区表（DPT），这个表的地位相当重要，因为它包含了

各个分区的诸如：分区类型，起始位置，结束位置等重要参数。下面我们来详细介绍一下MBR的结构。MBR的结构分为三部分，首先是可执行代码，占446个字节，然后是4个分区表，每个占16个字节，共64个字节，最后是签字AA55H

参照赵炯老师《Linux内核完全剖析》中的一个简单多任务内核实现源码，来分析一下boot.s（源码下载：oldlinux.org/Linux.old/bochs/linux-0.00-050613.zip）

!   boot.s
!
! It then loads the system at 0x10000, using BIOS interrupts. Thereafter
! it disables all interrupts, changes to protected mode, and calls the

BOOTSEG = 0x07c0
SYSSEG = 0x1000           ! system loaded at 0x10000 (65536).
SYSLEN = 17               ! sectors occupied.

entry start
start:
   jmpi   go,#BOOTSEG //跳转到段BOOTSEG,段内偏移为go的地方执行代码,此时为实模式,所以BOOTSEG为段地址，jmpi后面跟的是偏移和段选择符。为什么要跳转到这里，上面说过系统调用int 19h进行自举，寻找启动设备，如：软驱，硬盘，光驱等等。找到后系统读取启动设备的0号逻辑扇区（如是软盘就读取0面0道1扇区的整个内容），并将读取的内容放到内存地址为0000:7C00的地方。

通过调试也可以查看到内容被读取到内存地址为0000:7C00的地方