从0写自己的操作系统（1） boot-＞loader引导程序-优快云博客

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计算机上电启动：

最早16位实模式

跳转到bios （flash) 对硬件进行自检检测主板什么的 0x7c00

前三步是硬件自己完成的

后面的boot_loader和操作系统是我们自己写的

然后根据引导加载引导程序到内存中运行准备OS运行环境，然后加载OS到内存

BIOS 会将磁盘的第 0 扇区（也就是 MBR）加载到内存的 0x7C00 地址处，然后将控制权转交给它执行。

怎么判断第0个扇区有引导代码，通过0x55 0xaa

✅ 详细解释：

🔹 1. 启动流程（x86 BIOS 启动）：

加电启动（Power On）
BIOS 执行 POST（Power-On Self-Test）
搜索可启动设备（硬盘、U盘、光盘…）
找到启动设备后：
- 读取该设备的 第 1 个扇区（LBA 0，大小 = 512 字节）
- 把它加载到内存地址 0x0000:0x7C00（实地址 = 0x7C00）
检查最后两个字节是否为 0x55AA（有效的引导扇区签名）
如果正确 → 跳转到 0x7C00 执行

🧠 为什么是 `0x7C00`？

因为早期 IBM PC BIOS 规范规定了：

启动扇区必须装载到实模式内存的 0x0000:0x7C00
这是 8086/real-mode 下可安全使用的一块地址（下方保留给 BIOS）

📌 MBR 大小和限制：

项目	数值
MBR 大小	512 字节（固定）
启动代码	前 446 字节
分区表	64 字节（4×16）
魔数签名	`0x55AA`（末尾2字节）

✅ 示例：简单 MBR bootloader 程序

nasm
复制编辑
[BITS 16]
[ORG 0x7C00]

start:
    mov ah, 0x0E
    mov al, 'H'
    int 0x10
    mov al, 'i'
    int 0x10

hang:
    jmp hang

times 510 - ($ - $$) db 0
dw 0xAA55   ; BIOS 魔数

这个代码编译为 512 字节的 .bin 文件，BIOS 就能加载并执行。

✅ 总结一句话：

在 BIOS 启动模式中，BIOS 会将硬盘的第 0 扇区（MBR）加载到 0x7C00，并从那里开始执行。

这就是你写 Bootloader 的入口点 —— 你的第一个操作系统字节就是从这里开始的！

创建可引导的启动编译

什么是引导程序？

1.检测内存容量

2.实模式-》保护模式

3.从xx加载OS,从而调到内核运行

x86上电后为什么会先进入实模式？

为了兼容8086早期OS，只能跑16位，1M内存

BIOS显示字符

BIOS中断读取磁盘

进入C语言环境并跳转到loader

在这里插入图片描述

我们设置0x8000的地方有一个函数，给跳转过去没有返回值

((void (*)(void))LOADER_START_ADDR)();//是一种 C 写法的裸机跳转语句，它让你从 bootloader 跳到 loader 或内核入口去执行，类似于 jmp 指令。

把 LOADER_START_ADDR 当作一个函数地址，强制转换成 void (*)(void) 类型，然后直接调用它 → 这就跳转到了 loader 的入口处。

部分	解释
`LOADER_START_ADDR`	通常是一个整数常量（如 `0x8000`），表示 loader 被加载到的内存地址
`(void (*)(void))`	将地址强制转换成 “无参、无返回值函数” 的指针
`((void (*)(void))addr)();`	调用这个地址上的代码，就像调用一个函数一样

是一种 C 写法的裸机跳转语句，它让你从 bootloader 跳到 loader 或内核入口去执行，类似于 jmp 指令。

需要在vscode中的launch.jason设置这个才不会出错

{
  "description": "加载load符号文件",
  "text": "add-symbol-file ./build/source/loader/loader.elf 0x8000",
  "ignoreFailures": false
}

这条命令的作用是：

**你需要在 launch.json 中手动指定 add-symbol-file 命令，告诉 GDB loader 被加载到了 0x8000，**否则 GDB 无法知道 loader 的符号地址 → 调试时无法识别函数、变量、断点就会出错。

bios boot loader区别

question: boot是放加载loader的代码吗在磁盘第一个扇区加载到0x7c00 由boot加载到loader,loader的代码就是为了加载os

ChatGPT said:

✅ 是的，你的理解已经非常接近完整正确了！我来为你 系统整理一下：boot → loader → os 的加载过程，帮助你完全搞清楚这三个阶段的角色。

✅ 一句话概括：

boot 是引导扇区代码（位于磁盘第0扇区，MBR），由 BIOS 加载到 0x7C00，

它的主要作用就是：加载并跳转到更大的第二阶段加载器（loader），

而 loader 的主要作用是：加载真正的操作系统内核（os）到内存并跳转执行。

✅ 整体启动流程图：

text
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[BIOS] (硬件开机)
   ↓ 读取硬盘第0扇区 → 加载到内存地址 0x7C00
[boot] （512字节以内的 MBR/bootloader阶段1）
   ↓ 加载并跳转到更复杂的 loader（通常是 2阶）
[loader] （多段程序，支持文件系统、内核加载等）
   ↓ 加载操作系统内核（kernel）
[OS内核] （操作系统正式启动）

✅ 各阶段详解

🔹 1. BIOS → boot（引导扇区）

BIOS 会自动将第 0 扇区（MBR）加载到内存地址 0x7C00
boot 是你写的“第一阶段 bootloader”
限制：
- 512 字节大小限制
- 最后两个字节必须是 0x55AA 才能被当作合法引导扇区

功能：尽快加载 loader（更大的程序）

🔹 2. boot → loader（第二阶段引导器）

boot 阶段非常小，所以它只做一件事：加载 loader

loader 通常位于：

某个指定的扇区（比如 1 号扇区开始）
某个简易的文件系统中（FAT12、ext2）

loader 的能力更强，比如：

实现磁盘读取
初始化分页、保护模式
加载文件系统中的内核文件（如 /boot/kernel.bin）

功能：加载并跳转到操作系统内核的入口地址

🔹 3. loader → OS（内核）

loader 将内核文件从磁盘加载到指定内存位置（如 0x100000）
构造内核启动参数（如 GRUB 的 multiboot header）
跳转到内核的入口地址（如 _start:）

内核开始运行：设置页表 → 启动中断 → 启动第一个进程 → 欢迎来到操作系统世界！

✅ 示例流程图（你可以这样设计）：

text
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磁盘布局：
[0] bootloader（阶段1）→ 加载 1~N 扇区的 loader
[1~10] loader → 读取 kernel 并跳转
[11~] kernel.bin 操作系统内核

✅ 举个最小例子：

你可以写一个 boot.asm（bootloader）：

nasm
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[BITS 16]
[ORG 0x7C00]

start:
    ; 简单提示
    mov ah, 0x0E
    mov al, 'B'
    int 0x10

    ; 加载loader扇区（假设在 LBA 1）
    mov ah, 0x02      ; BIOS读
    mov al, 1         ; 读1个扇区
    mov ch, 0
    mov cl, 2         ; LBA=1 → CHS=0,2
    mov dh, 0
    mov dl, 0x80      ; 硬盘
    mov bx, 0x8000    ; 目标地址
    int 0x13

    ; 跳转到 loader
    jmp 0x0000:0x8000

times 510 - ($ - $$) db 0
dw 0xAA55

✅ 总结一句话：

boot 是启动的最小入口（512字节），只负责加载 loader；loader 是功能完整的加载器，加载真正的内核（OS）；os 是你写的操作系统本体。

x86 中主要的内核寄存器有哪些？它们都有什么作用？

这是你写操作系统、写中断处理器、做上下文切换时必须掌握的底层知识。

✅ 一、常用通用寄存器（General Purpose Registers）

寄存器	位数	作用
`EAX`	32	累加器（返回值、临时运算）
`EBX`	32	基址寄存器（某些寻址使用）
`ECX`	32	计数器（循环、位移）
`EDX`	32	数据寄存器（I/O、高位乘除）
`ESI`	32	源地址指针（字符串操作）
`EDI`	32	目的地址指针
`EBP`	32	栈基址指针（函数帧）
`ESP`	32	栈顶指针（栈操作）
`EIP`	32	指令指针（下一条执行的地址）
`EFLAGS`	32	标志寄存器（中断标志、条件码）

✅ 二、段寄存器（Segment Registers）

寄存器	作用
`CS`	代码段（控制当前代码位置）
`DS`	数据段（默认数据访问）
`SS`	栈段（`ESP` 的段选择子）
`ES`	附加段（字符串操作）
`FS`	用户/线程专用（如 TEB）
`GS`	用户/内核专用（如 GDT base）

🧠 段寄存器存放的是“段选择子”（Selector），用于访问 GDT/LDT 的段描述符。

✅ 三、控制寄存器（Control Registers）

这些是内核最重要的系统控制寄存器：

寄存器	作用
`CR0`	控制 CPU 模式：启用分页、保护模式、缓存等
`CR2`	页错误地址（Page Fault 时自动填入）
`CR3`	页目录基址寄存器（指向页表）
`CR4`	扩展控制位（启用 PAE、SSE、SMEP 等功能）

📌 重点：`CR0` 位字段（示例）

位	名称	含义
0	PE（保护模式）	1=启用保护模式
31	PG（分页）	1=启用分页
2	TS（任务切换）	控制浮点/任务切换等

✅ 四、系统寄存器（与段机制有关）

寄存器	作用
`GDTR`	全局描述符表寄存器，存 GDT 的基址和长度
`LDTR`	局部描述符表寄存器，存 LDT 的位置
`IDTR`	中断描述符表寄存器，存 IDT 的位置
`TR`	任务寄存器，存当前活动的 TSS 描述符

这些通常通过汇编指令设置，比如：

nasm
复制编辑
lgdt [gdtr]
lidt [idtr]
ltr ax      ; 加载 TSS

✅ 五、调试/其他寄存器（可选了解）

寄存器	作用
`DR0`–`DR7`	硬件断点（调试用途）
`MSRs`	模型特定寄存器，控制 APIC、SMP、性能等（需要 `rdmsr/wrmsr`）

✅ 总结图（用途分类）

分类	寄存器
通用	`EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EBP`
控制	`CR0, CR2, CR3, CR4`
段机制	`CS, DS, SS, ES, FS, GS`
描述符表	`GDTR, IDTR, LDTR, TR`
执行流程	`EIP, EFLAGS`

✅ 最重要的几个你要熟练掌握：

CR0：进入保护模式、分页
CR3：页表基址
EFLAGS：中断标志、条件标志
ESP/EBP：栈管理
EIP：指令控制
GDTR/IDTR：GDT/IDT 设置
TR：TSS 启用

总结

文章的最后做个小总结
这一章主要讲解了计算机的启动流程，首先上电后先进入磁盘的第一个扇区，首先加载0x7c00，在检测结尾是否是魔数0x55 0xaa，检测是符合MBR规范后，,跳转并加载loader程序，最后由Loader从磁盘加载完整的内核到内存。

这一章主要讲解了计算机的启动流程。在 x86 架构中，当计算机上电后，CPU 先进入实模式，由 BIOS
执行硬件自检（POST），然后从磁盘加载第 0 扇区（即 MBR）到内存的 0x7C00 地址。加载完成后，BIOS
会检查该扇区末尾是否是合法的引导签名 0x55AA，以此判断它是否是有效的引导扇区。如果校验通过，CPU 就从 0x7C00 开始执行
bootloader 程序。 bootloader 的任务是将后续更复杂的 loader 程序加载到内存中（通常放在如 0x8000
的位置），并跳转执行。而 loader
的作用是设置好必要的操作系统运行环境，如打开保护模式、初始化分页表，最后从磁盘加载完整的操作系统内核到高地址（如
0x100000），并跳转进入内核执行。

一句话总结：计算机上电后，BIOS 会将磁盘第 0 扇区加载到 0x7C00，验证 0x55AA 魔数后跳转执行 bootloader，bootloader 加载 loader，最终由 loader 加载内核并跳转运行，完成系统启动流程。