Linux-0.01 引导代码分析－boot.s
Linux-0.01 的引导部分主要由两个源代码完成：boot.s 与 head.s 。boot.s 由 BIOS 加载执行，head.s 是 32 位的引导代码，在最后会调用 main() 函数，完成系统的引导。
boot.s 代码：
; ; boot.s ; ; boot.s is loaded at 0x7c00 by the bios-startup routines, and moves itself ; out of the way to address 0x90000, and jumps there. ; ; It then loads the system at 0x10000, using BIOS interrupts. Thereafter ; it disables all interrupts, moves the system down to 0x0000, changes ; to protected mode, and calls the start of system. System then must ; RE-initialize the protected mode in it's own tables, and enable ; interrupts as needed. ; ; NOTE! currently system is at most 8*65536 bytes long. This should be no ; problem, even in the future. I want to keep it simple. This 512 kB ; kernel size should be enough - in fact more would mean we'd have to move ; not just these start-up routines, but also do something about the cache- ; memory (block IO devices). The area left over in the lower 640 kB is meant ; for these. No other memory is assumed to be "physical", ie all memory ; over 1Mb is demand-paging. All addresses under 1Mb are guaranteed to match ; their physical addresses. ; ; NOTE1 abouve is no longer valid in it's entirety. cache-memory is allocated ; above the 1Mb mark as well as below. Otherwise it is mainly correct. ; ; NOTE 2! The boot disk type must be set at compile-time, by setting ; the following equ. Having the boot-up procedure hunt for the right ; disk type is severe brain-damage. ; The loader has been made as simple as possible (had to, to get it ; in 512 bytes with the code to move to protected mode), and continuos ; read errors will result in a unbreakable loop. Reboot by hand. It ; loads pretty fast by getting whole sectors at a time whenever possible. ; 1.44Mb disks: sectors = 18 ; 1.2Mb disks: ; sectors = 15 ; 720kB disks: ; sectors = 9 .globl begtext, begdata, begbss, endtext, enddata, endbss .text begtext: .data begdata: .bss begbss: .text BOOTSEG = 0x07c0;引导程序被加载到的地址 INITSEG = 0x9000;引导程序将自己移动到的目标地址 SYSSEG = 0x1000;系统核心被加载到的地址 ENDSEG = SYSSEG + SYSSIZE;系统代码的结束地址，其中 SYSSIZE 在 Makefile 中定义 entry start;程序入口标识 start: mov ax,#BOOTSEG;将引导程序被加载的地址移动到 AX 中 mov ds,ax;将数据段的基址设置为引导程序的起始地址 mov ax,#INITSEG;将上文提到的目标地址设置到 AX 中 mov es,ax;将 AX 中的值设置到 ES 中，使用基址加偏移的方式移动地址 mov cx,#256;将 CX 计数器的值设置为 256 sub si,si;清空 SI sub di,di;清空 DI rep;重复执行 movw 256 次，实际上是将 512K 的数据（引导程序自身）搬移到INITSEG 处 movw;搬移指令，数据寻址方式，源：DS:SI,目标：ES:DI jmpi go,INITSEG;jmpi 段间跳转指令，由于当前代码已经被复制到 INITSEG ，在不同的段。64K 一个段 go: mov ax,cs;将代码段的地址移动到 AX mov ds,ax;将 AX 的值移动到 DS mov es,ax;将 AX 的值移动到 ES mov ss,ax;将 AX 的值移动到 SS，堆栈段的基址 mov sp,#0x400;栈顶指针，堆栈段的大小设置为 512K。堆栈可能是向下发展，否则会覆盖 INITSEG 的代码 mov ah,#0x03;BIOS 10H 中断的 03H 服务，读取当前光标位置，dh：行，dl：列 int 0x10;执行 10H 中断 mov cx,#24;将 CX 的值设置为 24，需要显示字符的个数 mov bx,#0x0007;设置显示属性 ; page 0, attribute 7 (normal) mov bp,#msg1;将要显示字符的起始地址加载到 BP mov ax,#0x1301;13H显示字符串（ES:BP=显示串地址）AL＝显示输出方式（1：字符串中只含显示字符，其显示属性在BL中，显示后，光标位置改变），综合起来功能是：向屏幕写字符串并移动光标 int 0x10;执行中断 ; ok, we've written the message, now ; we want to load the system (at 0x10000) mov ax,#SYSSEG;将 AX 的值设置为：SYSSEG mov es,ax;将 ES 的值设置为 SYSSEG call read_it;调用 read_it，call 指令会使用堆栈寄存器 call kill_motor;调用 kill_motor，关闭软驱 ; if the read went well we get current cursor position and save it for ; posterity. mov ah,#0x03 ; read cursor pos xor bh,bh int 0x10 ; save it in known place, con_init fetches mov [510],dx ; it from 0x90510.将当前光标位置存储到系统代码最后一个段的最后两个字节 ; now we want to move to protected mode ... cli ; 关闭中断 ; first we move the system to it's rightful place mov ax,#0x0000;AX 清零 cld ; DF 被置为 0，SI 与 DI 增加 do_move: mov es,ax ; 设置目标代码段索引：0 add ax,#0x1000 ;将代码段索引加一 cmp ax,#0x9000 ;将目标代码段索引与结束段索引进行比较 jz end_move ;如果相等则完成复制，跳转到 end_move mov ds,ax ;复制时的源代码段 sub di,di;DI 清零 sub si,si;SI 清零 mov cx,#0x8000;复制的字节数 rep movsw;按 word(16bit) 的方式移动 j do_move;循环执行，直到复制完成 ; then we load the segment descriptors end_move: mov ax,cs ; 在完成加载系统代码后，代码还在当前段执行，由于没有使用数据段，数据都存放在当前代码段，因此需要恢复 DS 到当前段基址 mov ds,ax ;将 DS 设置为正确的值 lidt idt_48 ;加载中断描述符表 load idt with 0,0 lgdt gdt_48 ;加载全局描述符表 load gdt with whatever appropriate ; that was painless, now we enable A20 参考 Intel 8042 芯片资料 call empty_8042;调用empty_8042 mov al,#0xD1 ; 控制码 out #0x64,al ; 输出控制码 call empty_8042 mov al,#0xDF ; A20 on out #0x60,al call empty_8042 ; well, that went ok, I hope. Now we have to reprogram the interrupts :-( ; we put them right after the intel-reserved hardware interrupts, at ; int 0x20-0x2F. There they won't mess up anything. Sadly IBM really ; messed this up with the original PC, and they haven't been able to ; rectify it afterwards. Thus the bios puts interrupts at 0x08-0x0f, ; which is used for the internal hardware interrupts as well. We just ; have to reprogram the 8259's, and it isn't fun.参考 Intel 8259 中断控制器的芯片资料 mov al,#0x11 ; 初始化控制码 out #0x20,al ; 输出控制码，send it to 8259A-1 .word 0x00eb,0x00eb ; jmp $+2, jmp $+2 机器码，由于当前在代码段，会被执行，延迟作用 out #0xA0,al ; and to 8259A-2 .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x20 ; start of hardware int's (0x20) out #0x21,al .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x28 ; start of hardware int's 2 (0x28) out #0xA1,al .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x04 ; 8259-1 is master out #0x21,al .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x02 ; 8259-2 is slave out #0xA1,al .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0x01 ; 8086 mode for both out #0x21,al .word 0x00eb,0x00eb out #0xA1,al .word 0x00eb,0x00eb mov al,#0xFF ; 设置中断控制器的标志位，关闭全部中断 mask off all interrupts for now out #0x21,al .word 0x00eb,0x00eb out #0xA1,al ; well, that certainly wasn't fun :-(. Hopefully it works, and we don't ; need no steenking BIOS anyway (except for the initial loading :-). ; The BIOS-routine wants lots of unnecessary data, and it's less ; "interesting" anyway. This is how REAL programmers do it. ; ; Well, now's the time to actually move into protected mode. To make ; things as simple as possible, we do no register set-up or anything, ; we let the gnu-compiled 32-bit programs do that. We just jump to ; absolute address 0x00000, in 32-bit protected mode. mov ax,#0x0001 ; protected mode (PE) bit PE 将被设置为 1，将要进入保护模式 lmsw ax ; lmsw是指装入机器状态字，即实际进入保护模式
;进入保护模式后，段寄存器就变成了选择子，选择子的结构：
; 16 2 1 0
; ———————————————
; | 索引 | TI | RDL |
; ———————————————
;其中TI=0时是从GDT中找描述符
jmpi 0,8 ; jmp offset 0 of segment 8 (cs)选择子=8，跳到GDT中的索引号为1的描述符，即代码段，参考 GDT 的定义 ; This routine checks that the keyboard command queue is empty ; No timeout is used - if this hangs there is something wrong with ; the machine, and we probably couldn't proceed anyway. empty_8042:;8042 是键盘控制器 .word 0x00eb,0x00eb in al,#0x64 ;将#0x64端口的状态值读取到 AL中， 8042 status port test al,#2 ;测试 AL 的第二位是否为 1， is input buffer full? jnz empty_8042 ;如果输入缓冲区没有满，就循环执行，如果满了，函数返回 ret ; This routine loads the system at address 0x10000, making sure ; no 64kB boundaries are crossed. We try to load it as fast as ; possible, loading whole tracks whenever we can. ; ; in: es - starting address segment (normally 0x1000) ; 读取过程：先读一个磁道，再读同磁道的另一个盘面，然后重复上面过程读取下一个磁道 ; This routine has to be recompiled to fit another drive type, ; just change the "sectors" variable at the start of the file ; (originally 18, for a 1.44Mb drive) ;1.44Mb 的软盘结构：2面、80道/面、18扇区/道、512字节/扇区，2880扇区，512字节/扇区X 2880扇区 = 1440 KB ，每个磁道 9K，每个段64K（7个磁道+2个扇区），注意下面的溢出处理 sread: .word 1 ; 当前磁道已经读取的扇区数 head: .word 0 ; 当前磁头号 track: .word 0 ; 当前磁道号 read_it: mov ax,es;ES 是系统代码的段基址（当前段读满后 ES 会被加一） test ax,#0x0fff;相当于 AX 高 4 位清零，低 4 位保持原来的值，0x0FFF 是 64 die: jne die ;按扇区复制，要求对齐 xor bx,bx;BX 清零，用来标记起始地址,后面读取数据后 BX 会变化 rp_read: mov ax,es;将 ES 的值加载到 AX 中 cmp ax,#ENDSEG;将 AX 的值与结束地址进行比较，判断是否完成加载 jb ok1_read;如果小于#ENDSEG，跳转到 ok1_read ret;过程结束，返回，通过跳转到存储在堆栈中的返回地址继续执行 ok1_read:;在没有填满数据到 #ENDSEG 时执行 mov ax,#sectors;将扇区数加载到 AX 中，实际为 AL sub ax,sread;将 AX 的值减一，实际为 AL，在下面读磁盘时 AL 代表扇区数 mov cx,ax;将 CX 的值设置为 AX 的值，此时 AX 中存放的上次读取的扇区数 shl cx,#9;2 的 9 次方是 512，剩余扇区数乘以 512Byte 等于已经读取的字节数 add cx,bx;CX 为 16 位寄存器，最多可以表示 64K 数据，如果已经读取的字节数加上基址（BX）超过当前段需要溢出处理 jnc ok2_read;若CF没有置位则跳转，即：没有溢出就继续执行，此处表示如果读取的数据少于 64K 跳转执行 je ok2_read;利用零标志ZF 作跳转判断条件，此处表示如果读取的数据等于 64K 跳转执行 xor ax,ax;AX 清零，如果执行此处代码，表示读取发生了溢出即：当前磁道的剩余字节数超过了当前段需要的字节 sub ax,bx;发生溢出，相当于0xFFFF-BX，等于还需要填写的字节数 shr ax,#9;AX/512;每个扇区 512 Byte，此时 AX 中是还需要读取的扇区数 ok2_read:;在没有填满当前段时执行 call read_track;调用 read_track mov cx,ax;将 CX 设置为 AX，AX 中存放的是上次读取的扇区数 add ax,sread;将 AX 的值设置为 AX + sread = Total Sectors cmp ax,#sectors;判断是否已经读完 jne ok3_read;如果没有读完，跳转到 ok3_read mov ax,#1;将 AX 设置为 1，运行到此处是代表当前磁道的扇区已经读完 sub ax,head;AX = AX - head jne ok4_read;如果不为 0，当前盘面已经读完，跳转到 ok4_read inc track;如果为 0，当前盘面没有读完，增加磁道号，继续读下一个磁道 ok4_read:;在当前盘面读完时执行 mov head,ax;将 AX 的值保存到 head 中 xor ax,ax;将 AX 清零，继续执行 ok3_read:;在当前磁道没有读完时执行 mov sread,ax;将下一个需要读取的磁道号保存到 sread 中 shl cx,#9;将 CX 乘以 512，CX 代表剩余读取的扇区数，此时 CX 代表剩余读取的字节数 add bx,cx;BX = BX + CX，此时 BX 为下次存放数据的起始地址 jnc rp_read;如果没有超过 64K 继续读 mov ax,es;如果超过 64K，将 ES（段基址）的值设置到 AX 中 add ax,#0x1000;AH 加一 mov es,ax;将 ES 设置为 AX，移动到下一个段 xor bx,bx;清空 BX jmp rp_read;继续读当前磁道 read_track:
;BIOS 13H的02H功能：将从磁盘上把一个或更多的扇区内容读进存贮器。因为这是一个低级功能，在一个操作中读取的全部扇区必须在同一条磁道上（磁头号和磁道号相同）
;入口参数: AH=02H ;功能号
; AL=扇区数
; CH、CL=磁道号的低8位数、位7-6表示磁道号的高2位，低6位放入所读起始扇区号
; DH、DL=磁头号、驱动器号
; ES:BX=数据缓冲区地址
;返回: AH=0：成功，AL=读取的扇区数；
; 如果CF=1，AX中存放出错状态：AH=错误码。
;注意： 寄存器DS、BX、CX、DX不变。
;磁头号： 软盘A面=0；软盘B面=1。
;驱动器号：软驱A=0；软驱B=1；硬驱=80H
push ax push bx push cx push dx;保护现场，此时 AL 等于剩余读取的扇区数，注意：下面的代码中 DX 作为临时数据存放饿寄存器 mov dx,track;将 DX 设置为 track（磁道号），此时 DL 为磁道号，DX 中是临时数据 mov cx,sread;将 CX 设置为 sread（扇区号），此时 CL 为扇区号 inc cx;CX 加 1，加一的原因：磁盘的第一个扇区（512K）存放的是引导代码，不是系统代码，系统代码从第二个扇区开始，除了第一次其它从 1 开始读取 mov ch,dl;将 CH 设置为 DL，即磁道号，此时 CH 为磁道号－磁道号与扇区号已经设置完成 mov dx,head;DX 设置为磁头号，此处为 DL，此时 DL 为磁头号，DL 中是临时数据 mov dh,dl;将 DH 同样设置为磁头号，此时 DH 为磁头号 mov dl,#0;将 DL 设置为 0，软驱A=0，DL 为驱动器号 and dx,#0x0100;DX中的值除了 DH 的最后一位被保留，其它清零（上面那句代码可以去掉？），DH为磁头号 mov ah,#2;将 AH 设置为 2，功能号 int 0x13;调用 BIOS 13H 中断 jc bad_rt pop dx pop cx pop bx pop ax;恢复现场 ret bad_rt: mov ax,#0 mov dx,#0 int 0x13;软盘复位，13H的00H号功能——软盘系统复位，AH=00H 功能号，DL=驱动器号，总之：将软驱A复位 pop dx pop cx pop bx pop ax jmp read_track;跳转到 read_track，即：如果读取当前扇区出现异常，继续读 /* * This procedure turns off the floppy drive motor, so * that we enter the kernel in a known state, and * don't have to worry about it later. */ kill_motor: push dx mov dx,#0x3f2 mov al,#0 outb pop dx ret gdt: .word 0,0,0,0 ; dummy .word 0x07FF ; 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb) .word 0x0000 ; base address=0 .word 0x9A00 ; code read/exec .word 0x00C0 ; granularity=4096, 386 .word 0x07FF ; 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb) .word 0x0000 ; base address=0 .word 0x9200 ; data read/write .word 0x00C0 ; granularity=4096, 386 idt_48:; .word 0 ; idt limit=0 .word 0,0 ; idt base=0L gdt_48: .word 0x800 ; gdt limit=2048, 256 GDT entries .word gdt,0x9 ; gdt base = 0X9xxxx msg1: .byte 13,10 .ascii "Loading system ..." .byte 13,10,13,10 .text endtext: .data enddata: .bss endbss:
