Linux開機過程的分析(關於bootsect.S)

發信人:huzq(你快樂所以我快樂),信區: LINUX 標 題:[轉載] Linux 開機過程的分析 發信站:武漢白雲黃鶴站(SatFeb1014:37:302001),站內信件 這篇文章的目的，在將linuxkernel的boot部份做一個介紹，因為筆者覺得很少有這樣的 文章介紹一個作業系統最最開始的一 發信人: huzq (你快樂所以我快樂), 信區: LINUX
標　題: [轉載]Linux開機過程的分析
發信站: 武漢白雲黃鶴站 (Sat Feb 10 14:37:30 2001), 站內信件
　
這篇文章的目的，在將linuxkernel的boot部份做一個介紹，因為筆者覺得很少有這樣的
文章介紹一個作業系統最最開始的一步--把kernel本身載入至內存中，同時進行一些機
器相關(machinedependent)的初始化工作，由於linux剛好使用的是大家最熟悉的386，
486系列PC，所以在說明其程序流程時，也剛好可以對其相關的PC硬體架構做探討，可以
說是一舉兩得，不過，我必須假設讀者對於組合語言及PC最基礎的架構，如寄存器，分
段，分頁，中斷服務等有大概的認識。
　　讀者可在linuxsourcecode的/boot子目錄下找到幾個以.S作為副檔名的組合語言檔
，本文要說明的即是其中的bootsect.S及setup.S兩個檔案，及盡量簡單的說明其所牽涉
的相關硬體部份。
bootsect.S
　　這個程序是linuxkernel的第一個程序，包括了linux自己的bootstrap程序，但是在
說明這個程序前，必須先說明一般IBMPC開機時的動作(此處的開機是指"打開PC的電源"
):
　　一般PC在電源一開時，是由內存中地址FFFF:0000開始執行(這個地址一定在ROMBIO
S中，ROMBIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此處的內容則是一個jump指令，jump到另
一個位於ROMBIOS中的位置，開始執行一系列的動作，包括了檢查RAM，keyboard，顯示
器，軟硬磁盤等等，這些動作是由系統測試碼(systemtestcode)來執行的，隨著制作BI
OS廠商的不同而會有些許差異，但都是大同小異，讀者可自行觀察自家機器開機時，螢
幕上所顯示的檢查訊息。
　　緊接著系統測試碼之後，控制權會轉移給ROM中的啟動程序(ROMbootstraproutine)
，這個程序會將磁盤上的零道零扇區讀入內存中(這就是一般所謂的bootsector，如果你
曾接觸過電腦病毒，就大概聽過它的大名)，至於被讀到內存的哪裡呢?--絕對位置07C0
:0000(即07C00h處)，這是IBM系列PC的特性。而位在linux開機磁盤的bootsector上的正
是linux的bootsect程序，也就是說，bootsect是第一個被讀入內存中並執行的程序。現
在，我們可以開始來看看到底bootsect做了什麼。
第一步
　　首先，bootsect將它"自己"從被ROMBIOS載入的絕對地址0x7C00處搬到0x90000處，
然後利用一個jmpi(jumpindirectly)的指令，跳到新位置的jmpi的下一行去執行，關鍵
的assemblycode如下:
.
(搬移bootsect本身)
.
.
jmpigo,INITSEC
go:
.
.
.
　　表示將跳到CS為0x9000，IP為offset"go"的位置(CS:IP=0x9000:offsetgo)，其中I
NITSEC=0x9000定義於程序開頭的部份，而go這個label則恰好是下一行指令所在的位置
。
第二步
　　接著，將其它segmentregisters包括DS，ES，SS都指向0x9000這個位置，與CS看齊
。另外將SP及DX指向一任意位移地址(offset)，這個地址等一下會用來存放磁盤參數表
(diskpara-metertable)
　　提到磁盤參數表，就必須提到BIOS中斷1Eh。先簡單的介紹一下BIOS的中斷服務:80
x86將內存最低的256*4byte保留給256個中斷向量(每個interruptvector大小為4byte，
所以一共有256*4=1024byte)，而其中的第1Eh個向量指向"磁盤參數表"，這個表會告訴
電腦如何去讀取磁盤機，而我們所要做的事是搬移磁盤參數表到剛才所設定的任意地址
。
　　接著，改變搬移來的參數表的參數，以符合我們的需要。再將中斷向量1Eh指向我們
所修改過的磁盤參數表，然後呼叫BIOSinterrupt的int13h(function0，即AH=0)重置磁
盤控制卡及磁盤驅動器，之後磁盤機就會照我們的意思動作了。如果你曾trace過DOS的
kernel，你會發現，上述的動作在DOS中也有類似的對應流程。
現在讓我們來看看關鍵的程序碼:.
.
.
push#0
popfs
movbx,#0x78
.
(使GS:SI=FS:BX，指向磁盤參數表，
再將GS:SI所指地址的內容搬移6個
word至ES:DI所指的地址)
.
.
　　此段程序是將FS:BX調整成0000:0078，接著再將GS:SI的內容設成與FS:BX相同，此
處0x78h即為int1Eh的起始位置(7*16+8=120,(1*16+14)*4=120)。調整ES:DI為剛才所設
定的任意地址，從GS:SI搬移6個word(即12byte)到ES:DI所指的位置，顯然磁盤參數表的
長度就是6個word，(不過事實上，磁盤參數表的確實長度是11個byte)。關於磁盤參數表
，有興趣的讀者可自行參閱講述BIOSinterruptservices的技術手冊，會有詳細的說明。
　
　　讀者可以用debug自行觀察自家機器上DOS的磁盤參數表的起始位置(即int1Eh的內容
)。以下是筆者機器的情形(筆者使用的作業系統是MSDOS6.2):
C:>debug
-d0000:0000
0000:00008A101601F4067000-1600CB04F4067000......p.......p.
0000:0010F40670000301790E-43EB00F0EBEA00F0..p...y.C.......
0000:002004108E340C118E34-5700CB046F00CB04...4...4W...o...
0000:00308700CB0408079433-B700CB04F4067000.......3......p.
0000:00400C01790E4DF800F0-41F800F0BA165F06..y.M...A....._.
0000:005039E700F01B01790E-70118E341201790E9.....y.p..4..y.
0000:006000E000F085175F06-6EFE00F0EE067000......_.n.....p.
0000:007053FF00F0A4F000F0-220500003E4600C0S......."...>F..
^^^^^^^^
由上圖中可知，在DOS中磁盤參數表的起始位置(int1Eh的內容)為0000:0522。接著觀察
DOS中位置0000:0522開始的11個byte，也就是磁盤參數表的內容
C:>debug
-d0000:0520l10
0000:05204D53DF022502121B-FF54F60F08000000MS..%....T......
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
此11byte即為磁盤參數表的內容(分別是byte00h到0Ah)
　　在程序中我們所更動的是第五個byte(byte04h)，改為18h(在上圖例子中為12h)，這
個byte的功能是定義磁軌上一個磁區的資料筆數。關鍵的程序碼如下:
.
movb4(di),*18
.
　
第三步
　　接著利用BIOS中斷服務int13h的第0號功能，重置磁盤控制器，使得剛才的設定發揮
功能。
.
.
xorah,ah
xordl,dl
int0x13
.
.
第四步
　　完成重置磁盤控制器之後，bootsect就從磁盤上讀入緊鄰著bootsect的setup程序，
也就是以後將會介紹的setup.S，此讀入動作是利用BIOS中斷服務int13h的第2號功能。
setup的image將會讀入至程序所指定的內存絕對地址0x90200處，也就是在內存中緊鄰著
bootsect所在的位置。待setup的image讀入內存後，利用BIOS中斷服務int13h的第8號功
能讀取目前磁盤機的參數。
第五步
　　再來，就要讀入真正linux的kernel了，也就是你可以在linux的根目錄下看到的"v
mlinuz"。在讀入前，將會先呼叫BIOS中斷服務int10h的第3號功能，讀取游標位置，之
後再呼叫BIOS中斷服務int10h的第13h號功能，在螢幕上輸出字符串"Loading"，這個字
符串在bootlinux時都會首先被看到，相信大家應該覺得很眼熟吧。
　　linux的kernel將會被讀入至內存絕對地址0x10000處，鍵關的程序碼如下:
.
.
movax,#SYSSEG
moves,ax
callread_it
callkill_motor
.
.
　　其中SYSSEG於程序開頭時定義為0x1000，先將ES內容設為0x1000，接著在read_it這
個子程序便以ES為目的地的節地址，將kernel讀入內存中，至於read_it子程序的詳細內
容筆者並不想一一介紹，不過聰明的讀者們應該已經猜到，read_it一定又利用了BIOSi
nt13h與磁盤有關的I/O中斷服務了。
　　至於kill_motor子程序，它的功能在於停止軟盤機的馬達(各位聰明的讀者會不會覺
得這個子程序的名稱取得頗為傳神呢?)，其程序碼如下:
.
.
kill_motor:
pushdx
movdx,#0x3f2
xoral,al
outb
popdx
ret
.
.
　　首先利用DX指定要輸出的port，而03f2這個port則是代表了軟盤控制器(floppydis
kcontroller)的所在，再利用outb將資料送出，而我們送出的資料，當然就是歸零過的
AL了。如此一來，軟盤的馬達就停止了。
第六步
　　接下來做的事是檢查rootdevice，之後就仿照一開始的方法，利用indirectjump跳

至剛剛已讀入的setup部份，程序碼如下:
.
.
jmpi0,SETYPSEG
　　其中SETUPSEG已在先前定義為0x9020，所以CS:IP會設定為9020:0000，即跳到絕對
地址為0x90200，也就是setup的起點。而bootsect也大功告成了。
到此為止，內存的內容應該如下圖所示:
比較
　　把大家所熟知的MSDOS與linux的開機部份做個粗淺的比較，MSDOS由位於磁盤上boo
tsector的boot程序負責把IO.SYS載入內存中，而IO.SYS則負有把DOS的kernel--MSDOS.
SYS載入內存的重責大任。而linux則是由位於bootsector的bootsect程序負責把setup及
linux的kernel載入內存中，再將控制權交給setup。
　　至於setup.S，就留到下一次再來討論了。