FreeBSD pmbr 解读

今天我们来研究一下FreeBSD在x86平台上的启动引导代码，源代码的位置boot/i386/pmbr/pmbr.s。在分析代码之前，先简单介绍一些和启动引导有关的背景知识。

早先的硬盘都是使用MBR（主引导记录）方式进行分区管理和引导的。这种方式有几个特点：

MBR是硬盘的第一个扇区（LBA0），开机时由BIOS负责装载到内存0x7c00地址处，然后从第1条指令开始执行；
MBR中包含两部分重要内容：一是引导代码，二是分区表；
MBR方式支持4个主分区，其中一个主分区可设置为扩展分区，扩展分区中的“子分区”，称之为逻辑分区；
MBR的分区表用来表示LBA（逻辑块地址）的存储空间长度为32位，因而最多表示2^32个块，也就是说，MBR方式支持的硬盘容量最大为2TB；
近几年来，随着2T硬盘的使用，MBR就不够用了，替代MBR的，叫GPT。GPT实际上是Intel自20世纪末就开始开发一种新到分区表格式。而当时的硬盘不过几十G容量。Intel开发的新分区表格式使用64位作为LBA（参见pmbr.s中lba定义: lba: .quad 1），因此可以最大支持2^64个块。GPT方式支持的硬盘容量最大为？。
GPT使用硬盘开始的34个块作为分区的管理信息使用，其中：
LBA 0：Protective MBR，兼容BIOS。
LBA 1:  分区表头。Partition table header。
LBA 2-33：共32个块，每个块中包含4个分区表项，每个分区标项128字节。

start的地址，即整个pmbr的链接基准地址为$ORG=0x600，所以main链接地址为0x600+delta, 其中delta=$main-start，即main和start之间的差值。链接地址不等于运行地址，真正的运行地址是BIOS装载的地址，开机后pmbr被装载到$LOAD=0x07c00位置。也就是说，当start标号后的第一条语句”cld”执行时，pc的值是0x7c00。sp即栈指针则指向$EXEC+SECSIZE*4 = 0x600+0x200*4=0xe00。

start: cld
xorw %ax,%ax
movw %ax,%es
movw %ax,%ds
movw %ax,%as
movw $STACK,%sp
到此为止，指令都是从0x7c00顺序执行的。

下面，pmbr要将把自身从main标号开始到结束的代码区域整体搬迁到内存更低到位置去继续执行，具体复制到0x600+delta位置上。由于pmbr原本就是链接到0x600的，所以$start地址在汇编器看来就是0x600，尽管实际上被装载到0x7c00。代码移动之前，汇编器地址和实际运行地址的距离是(LOAD-EXEC)；而当代码移动之后，汇编器地址和实际运行地址就重合了。所以目的起始地址为$main；源起始地址是多少呢？我们知道，装载和链接的差值，是(LOAD-EXEC)，所以源起始地址为$main+(LOAD-EXEC)，即$main-EXEC+LOAD。要移动的长度则是$SECSIZE-(main-start)。

movw$main-EXEC+LOAD,%si
movw $main,%di
movw $SECSIZE-(main-start),%cx
rep
movsb

                               +------------+
                               |            |
                               |            |
                               |            |
                               |            |
                               |            |
                               +------------+ EXEC
               ^               |            |
               |               |            |
  low memory   |               |            |
               |         +---> +------------+ dest = main
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     |            |
               |         |     +------------+ LOAD
               |         |     |   start:   |
               |         |     |            |
  high memory  |         |     |    ...     |
               +         |  +- +------------+ source = main + LOAD - EXEC
                         |  |  |   main:    |
                         |  |  |            |
SECSIZE - (main - start) +--+  |            |
                            |  |            |
                            |  |            |
                            +- +------------+ SECSIZE

当代码移动完成后，就跳转到新到的地址：即$EXEC+(main-start)执行。那是不是应该使用：
jmp EXEC+(main-start) 或 jmp main
错了！汇编器在处理这条指令时，并不知道自己的真实运行地址。汇编器认为pmbr是从ORG或EXEC处开始运行的。start等于EXEC，所以上述地址实际上等于main。由于jmp指令时下一条指令地址为main。所以汇编器在计算jmp 偏移量时得出的结论是：偏移量为0。
为了让汇编器计算出正确的偏移量，我们看一下到底移动了多远。
汇编器在汇编jmp语句时，是要计算出要跳转地址相对于下一条指令地址的相对位移。由于下一条指令地址为main，要向前跳转的位移delta为（LOAD－EXEC），所以要jmp main - (LOAD - EXEC)。即：
jmp main-LOAD+EXEC