XV6学习(一) bootloader的实现

news/2025/1/8 1:03:15/文章来源:https://www.cnblogs.com/collin-chen/p/18656560

bootloader作用

一句话描述: 加载内核到内存，建立内存空间的映射，将系统的控制权交给内核并且运行，PC的BIOS和bootloader分开了(先BIOS后bootloader)，嵌入式一般一起集成到了bootloader

组成

XV6上的bootloader分为bootasm.S与bootmain.c

加载流程

bootasm.S

处理器在BIOS运行完成后运行bootasm.S,并且处于实模式(只能访问20位的地址空间1MB)，有8个16位的寄存器可用，但是处理器需要发送的是20位的地址,因此地址的计算方式为segment:offset, segment由cs,es,ds,ss四个寄存器提供,bootasm.S的操作如下

.code16                       # Assemble for 16-bit mode
.globl start
start:cli                         # BIOS enabled interrupts; disable# Zero data segment registers DS, ES, and SS.xorw    %ax,%ax             # Set %ax to zeromovw    %ax,%ds             # -> Data Segmentmovw    %ax,%es             # -> Extra Segmentmovw    %ax,%ss             # -> Stack Segment

前面提到的地址计算方式中由于segment<<4 + offset中的segment和offset都是16位的，因此最大值为0xffff0 + 0xffff = 0x10ffef也即21位，因此bootasm.S需要激活第21位的地址线，这是通过IO端口的输出实现的(需要0x64口和0x60为0xd1和0xdf)
相应的代码如下

seta20.1:inb     $0x64,%al               # Wait for not busytestb   $0x2,%aljnz     seta20.1movb    $0xd1,%al               # 0xd1 -> port 0x64outb    %al,$0x64seta20.2:inb     $0x64,%al               # Wait for not busytestb   $0x2,%aljnz     seta20.2movb    $0xdf,%al               # 0xdf -> port 0x60outb    %al,$0x60

在激活了A20之后，需要转入到保护模式，指定临时的GDT代码如下，这里将cr0寄存器的数值或上了CR0_PE，打开了保护模式

lgdt    gdtdesc
movl    %cr0, %eax
orl     $CR0_PE, %eax
movl    %eax, %cr0

之后需要填充cs，寄存器的值，cs寄存器的值无法直接设置，使用ljmp汇编命令设置

ljmp    $(SEG_KCODE<<3), $start32start32:# Set up the protected-mode data segment registersmovw    $(SEG_KDATA<<3), %ax    # Our data segment selectormovw    %ax, %ds                # -> DS: Data Segmentmovw    %ax, %es                # -> ES: Extra Segmentmovw    %ax, %ss                # -> SS: Stack Segmentmovw    $0, %ax                 # Zero segments not ready for usemovw    %ax, %fs                # -> FSmovw    %ax, %gs                # -> GS# SEG_KCODE被定义成1,并且翻译成段选择子的意义之后代表着offset为0，选择gdt中的第一项

最后设置栈顶寄存器的值，这里直接设置成了$start,也即0x7c00(引导器自己的位置，栈向下生长至0x0000，会离引导器越来越远)最后调用bootmain，代码如下

 # Set up the stack pointer and call into C.movl    $start, %espcall    bootmain

bootmain.c

bootmain.c的作用就是从磁盘上加载内核的ELF的前4096个字节并且拷贝到0x10000处，代码如下

void
bootmain(void)
{struct elfhdr *elf;struct proghdr *ph, *eph;void (*entry)(void);uchar* pa;elf = (struct elfhdr*)0x10000;  // scratch space// Read 1st page off diskreadseg((uchar*)elf, 4096, 0);// Is this an ELF executable?if(elf->magic != ELF_MAGIC)return;  // let bootasm.S handle error// Load each program segment (ignores ph flags).ph = (struct proghdr*)((uchar*)elf + elf->phoff);eph = ph + elf->phnum;for(; ph < eph; ph++){pa = (uchar*)ph->paddr;readseg(pa, ph->filesz, ph->off);if(ph->memsz > ph->filesz)stosb(pa + ph->filesz, 0, ph->memsz - ph->filesz);}// Call the entry point from the ELF header.// Does not return!entry = (void(*)(void))(elf->entry);entry();
}

而entry.S的定义如下

entry:# Turn on page size extension for 4Mbyte pagesmovl    %cr4, %eaxorl     $(CR4_PSE), %eaxmovl    %eax, %cr4# Set page directorymovl    $(V2P_WO(entrypgdir)), %eaxmovl    %eax, %cr3# Turn on paging.movl    %cr0, %eaxorl     $(CR0_PG|CR0_WP), %eaxmovl    %eax, %cr0# Set up the stack pointer.movl $(stack + KSTACKSIZE), %esp# Jump to main(), and switch to executing at# high addresses. The indirect call is needed because# the assembler produces a PC-relative instruction# for a direct jump.mov $main, %eaxjmp *%eax

开启了分页并且跳转到了main函数开启了内核的运行