从实模式启动 → 保护模式切换 → 加载 ELF → 构建页表启用分页 → 跳转 e_entry

从零实现 OS 的完整启动流程

原创于 2025-04-17 15:40:26 发布 · 308 阅读

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一步步完整地讲清楚整个自举过程：从 实模式启动 → 保护模式切换 → 加载 ELF → 构建页表启用分页 → 跳转 e_entry，全部解释清楚，绝无黑箱。

🚀 从零实现 OS：完整启动流程（x86）

我们按时间线分 6 个阶段：

✅ 1. BIOS 启动阶段（实模式）

CPU 上电后默认进入 实模式（Real Mode），从 0xFFFF0 开始执行 BIOS 引导代码

BIOS 会：

初始化硬件
读取主引导扇区（MBR，512 字节）到内存 0x7C00
跳转到 0x7C00 执行

👉 你的工作：

写一个 bootloader（512 字节）
用 BIOS int 13h 从磁盘加载 kernel ELF 文件（比如从扇区 1 开始加载 200 扇区）到内存（如 0x100000）

✅ 2. 切换到保护模式（Protected Mode）

实模式只能寻址 1MB，不能用分页，不支持 32 位寄存器。我们要进入保护模式来访问大内存并启用分页。

步骤：

关闭中断（cli）
构建 GDT（全局描述符表），设置代码段/数据段为 flat 模式（基址 0，长度 4GB）
加载 GDT（lgdt）
设置 CR0 的 PE（bit 0）位，开启保护模式
jmp 到 32 位段选择子刷新流水线

cli
lgdt [gdt_ptr]
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
jmp CODE_SELECTOR:flush     ; 长跳转刷新流水线，进入保护模式

✅ 3. 加载并解析 ELF 文件（你自己写）

现在你在保护模式，已经可以用 32 位寻址了（可以用 mov eax, [0x100000] 这种访问方式）。

你从之前加载的地址（比如 0x100000）开始：

读取 Elf32_Ehdr 头，校验 0x7F 45 4C 46
遍历 Program Header Table
对每个 p_type == PT_LOAD 的段：
- 把 p_filesz 字节从 p_offset 拷贝到 p_vaddr
- 再对 .bss 做零填充：p_memsz > p_filesz

你现在就把 ELF 的段映射到了“它们想要的地址”。

⚠️ 这时候它们的地址可能是虚拟地址，要不要启用分页，取决于 e_entry 是不是一个“高地址”

✅ 4. 启用分页（Paging）

如果你想支持虚拟地址（比如内核用 0xC0000000 以上的地址）：

步骤：

分配页目录（Page Directory）和页表（Page Table）结构
设置页表映射，比如：
- 0x00000000 → 0x00000000（identity 映射，保留 bootloader 可继续运行）
- 0xC0000000 → 0x00100000（高地址映射你的内核段）
将页目录地址写入 CR3
设置 CR0 的 PG 位（bit 31）

mov eax, page_directory
mov cr3, eax
mov eax, cr0
or eax, 0x80000000
mov cr0, eax

✅ 5. 跳转到 ELF 的 `e_entry`（虚拟地址）

现在内核已经加载，页表已经映射，你只需要：

jmp e_entry   ; e_entry 是 ELF Header 中指定的入口点

因为你已经设置了分页，虚拟地址到物理地址的映射是生效的，CPU 能直接跳转过去执行！

你此时就完成了整个“自举”，从 BIOS 到自己的内核启动

✅ 6. 你在内核 C 的 `void kernel_main()` 中运行啦！

此时你处于：

CR0.PG = 1（分页已开启）
CR0.PE = 1（保护模式）
页表已经启用
栈也应该初始化了（你要在跳转 e_entry 前设置好栈）

现在就可以开始写你的 printf、内核态 malloc、虚拟内存管理器、进程管理器了！

🧠 整体流程图（简化）

[BIOS]
   ↓ (读取 MBR 到 0x7C00)
[你写的 bootloader (实模式)]
   ↓
BIOS int13h → 读取 kernel.elf 到内存
   ↓
切换到保护模式（设置 GDT、CR0.PE）
   ↓
你写的 ELF loader 解析 kernel.elf
   ↓
如果用虚拟地址 → 建立页表 → 设置 CR3、开启分页
   ↓
跳转到 e_entry（虚拟地址）
   ↓
[C语言内核入口：kernel_main()]

📦 附加建议：分页地址推荐布局

区域	虚拟地址	映射到物理地址	用途
bootloader	`0x00000000`	`0x00000000`	identity 映射
kernel ELF	`0xC0000000`	`0x00100000`	高半区映射
页目录/页表	`0x00102000+`	自己分配	内核管理页表
栈	`0xC03FFFFF` 向下	高内核区	内核栈

✅ 总结一句话：

你作为 bootloader，需要负责从磁盘加载 ELF 文件 → 构造保护模式与页表环境 → 跳转到 e_entry 虚拟地址运行内核，整个“从无到有”的链条你都要手动构建！

🛠️ 想继续搞实战？

我可以给你提供：

Bootloader 示例（汇编）
ELF Loader 代码（C语言）
页表构建模板（4KB页、页目录+页表）
启用分页+跳转 e_entry 示例
最后一跳的 jmp e_entry + 设置内核栈的写法

要哪个部分，我直接贴你代码 ✅