Lab_1：练习4——分析bootloader加载ELF格式的OS的过程

一、实验内容

通过阅读bootmain.c，了解bootloader如何加载ELF文件。通过分析源代码和通过qemu来运行并调试bootloader&OS，

• bootloader如何读取硬盘扇区的？
• bootloader是如何加载ELF格式的OS？

二、实验相关

ELF文件格式

ELF(Executable and linking format)文件格式是Linux系统下的一种常用目标文件(object file)格式，有三种主要类型:

• 用于执行的可执行文件(executable file)，用于提供程序的进程映像，加载到内存执行。 这也是本实验的OS文件类型。
• 用于连接的可重定位文件(relocatable file)，可与其它目标文件一起创建可执行文件和共享目标文件。
• 共享目标文件(shared object file),连接器可将它与其它可重定位文件和共享目标文件连接成其它的目标文件，动态连接器又可将它与可执行文件和其它共享目标文件结合起来创建一个进程映像。

ELF文件有两种视图（View），链接视图和执行视图，如下图：

链接视图通过Section Header Table描述，执行视图通过Program Header Table描述。Section Header Table描述了所有Section的信息，包括所在的文件偏移和大小等；Program Header Table描述了所有Segment的信息，即Text Segment, Data Segment和BSS Segment，每个Segment中包含了一个或多个Section。

 

对于加载可执行文件，我们只需关注执行视图，即解析ELF文件，遍历Program Header Table中的每一项，把每个Program Header描述的Segment加载到对应的虚拟地址即可，然后从ELF header中取出Entry的地址，跳转过去就开始执行了。对于ELF格式的内核文件来说，这个工作就需要由Bootloader完成。Bootloader支持ELF内核文件加载之后，用C语言编写的内核编译完成之后就不需要objcopy了。

 

Bootloader

我们知道计算机启动是从BIOS开始，再由BIOS决定从哪个设备启动以及启动顺序，比如先从DVD启动再从硬盘启动等。计算机启动后，BIOS根据配置找到启动设备，并读取这个设备的第0个扇区，把这个扇区的内容加载到0x7c00,之后让CPU从0x7c00开始执行，这时BIOS已经交出了计算机的控制权，由被加载的扇区程序接管计算机。

这第一个扇区的程序就叫Boot，它一般做一些准备工作，把操作系统内核加载进内存，并把控制权交给内核。由于Boot只能有一个扇区大小，即512字节，它所能做的工作很有限，因此它有可能不直接加载内核，而是加载一个叫Loader的程序，再由Loader加载内核。因为Loader不是BIOS直接加载的，所以它可以突破512字节的程序大小限制（在实模式下理论上可以达到1M）。如果Boot没有加载Loader而直接加载内核，我们可以把它叫做Bootloader。

Bootloader加载内核就要读取文件，在实模式下可以用BIOS的INT 13h中断。内核文件放在哪里，怎么查找读取，这里牵涉到文件系统，Bootloader要从硬盘（软盘）的文件系统中查找内核文件，因此Bootloader需要解析文件系统的能力。GRUB是一个专业的Bootloader，它对这些提供了很好的支持。

对于一个Toy操作系统来说，可以简单处理，把内核文件放到Bootloader之后，即从软盘的第1个扇区开始，这样我们可以不需要支持文件系统，直接读取扇区数据加载到内存即可。

1、Bootloader的作用

简单的说，BootLoader就是在操作系统运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统做好准备。对于Bootloader的启动过程又分为两个阶段stage1和stage2。

stage1全部由汇编编写，它的主要工作是（1）初始化硬件设备、（2）为加载Bootlodader的stage2准备RAM空间（3）拷贝Bootloader的stage2到RAM空间（4）设置好堆栈段为stager2的C语言环境做准备。

stage2全部由C语言编写，其的主要工作是（1）初始化本阶段要使用到的硬件设备（2）将内核映像和根文件系统映像从 flash 上读到RAM （3）调用内核

2、为什么需要Bootloader？

每种不同的CPU体系结构都有不同的Bootloader。除了依赖于CPU的体系结构外，Bootloader还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置，比如板卡的硬件地址分配，外设芯片类型等。也就是说，对于两块不同的开发板而言，即使他们是基于同一种CPU而构建的，但是如果他们的硬件资源或配置不一致的话，想要在一块开发板上运行Bootloader程序也能在另一块板子上运行，还是需要做修改。

bootmain.c代码

#include <defs.h>
#include <x86.h>
#include <elf.h>

/* *********************************************************************
 * 这是一个非常简单的引导加载程序，它的唯一工作就是引导
 * 来自第一个IDE硬盘的ELF内核映像
 *
 * 磁盘布局
 * 这个程序(bootasm)。S和bootmain.c)是引导加载程序。
 * 应该存储在磁盘的第一个扇区。
 *
 *  *第二个扇区包含内核映像。
 *
 *  * 内核映像必须是ELF格式。
 *
 * 开机步骤
 *  * 当CPU启动时，它将BIOS加载到内存中并执行它
 *
 *  * BIOS初始化设备，设置中断例程，以及
 *    读取启动设备（硬盘）的第一个扇区
 *    进入内存并跳转到它。
 *
 *  * Assuming this boot loader is stored in the first sector of the
 *    hard-drive, this code takes over...
 *
 *  * 控制启动bootasm.S -- 设置保护模式,
 *    和一个堆栈，C代码然后运行，然后调用bootmain()
 *
 *  * bootmain()在这个文件中接管，读取内核并跳转到它
 * */
unsigned int    SECTSIZE  =      512 ;
struct elfhdr * ELFHDR    =      ((struct elfhdr *)0x10000) ;     // scratch space

/* waitdisk - wait for disk ready */
static void
waitdisk(void) {
    while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
        /* do nothing */;
}

/* readsect - read a single sector at @secno into @dst */
static void
readsect(void *dst, uint32_t secno) {
    // wait for disk to be ready
    waitdisk();

    outb(0x1F2, 1);                         // count = 1
    outb(0x1F3, secno & 0xFF);
    outb(0x1F4, (secno >> 8) & 0xFF);
    outb(0x1F5, (secno >> 16) & 0xFF);
    outb(0x1F6, ((secno >> 24) & 0xF) | 0xE0);
    outb(0x1F7, 0x20);                      // cmd 0x20 - read sectors

    // wait for disk to be ready
    waitdisk();

    // read a sector
    insl(0x1F0, dst, SECTSIZE / 4);
}

/* *
 * readseg - read @count bytes at @offset from kernel into virtual address @va,
 * might copy more than asked.
 * */
static void
readseg(uintptr_t va, uint32_t count, uint32_t offset) {
    uintptr_t end_va = va + count;

    // round down to sector boundary
    va -= offset % SECTSIZE;

    // translate from bytes to sectors; kernel starts at sector 1
    uint32_t secno = (offset / SECTSIZE) + 1;

    // If this is too slow, we could read lots of sectors at a time.
    // We'd write more to memory than asked, but it doesn't matter --
    // we load in increasing order.
    for (; va < end_va; va += SECTSIZE, secno ++) {
        readsect((void *)va, secno);
    }
}

/* bootmain - the entry of bootloader */
void
bootmain(void) {
    // read the 1st page off disk
　　// 首先读取ELF的头部

    readseg((uintptr_t)ELFHDR, SECTSIZE * 8, 0);

    // is this a valid ELF?
　　// 通过储存在头部的幻数判断是否是合法的ELF文件

    if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC) {
        goto bad;
    }

    struct proghdr *ph, *eph;

    // load each program segment (ignores ph flags)
　　 // ELF头部有描述ELF文件应加载到内存什么位置的描述表， 
　　 // 先将描述表的头地址存在ph

    ph = (struct proghdr *)((uintptr_t)ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
    eph = ph + ELFHDR->e_phnum;

　　 // 按照描述表将ELF文件中数据载入内存
    for (; ph < eph; ph ++) {
        readseg(ph->p_va & 0xFFFFFF, ph->p_memsz, ph->p_offset);
    }

    // call the entry point from the ELF header
    // note: does not return
　　 // ELF文件0x1000位置后面的0xd1ec比特被载入内存0x00100000 
　　 // ELF文件0xf000位置后面的0x1d20比特被载入内存0x0010e000 
　　 // 根据ELF头部储存的入口信息，找到内核的入口

    ((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry & 0xFFFFFF))();
　　 //跳到内核程序入口地址，将cpu控制权交给ucore内核代码

bad: 
　　outw(0x8A00, 0x8A00); 
　　outw(0x8A00, 0x8E00); 

　　/* do nothing */ 
　　
　　while (1); 
}

 

bootmain的内容：

bootasm.S完成了bootloader的大部分功能，包括打开A20，初始化GDT，进入保护模式，更新段寄存器的值，建立堆栈

接下来bootmain完成bootloader剩余的工作，就是把内核从硬盘加载到内存中来，并把控制权交给内核。

三、问题解答

问题一：bootloader如何读取硬盘扇区的？

读硬盘扇区的代码如下:

static voidreadsect(void *dst, uint32_t secno) {

    // wait for disk to be ready
    waitdisk();
    //读取扇区内容
    outb(0x1F2, 1);                         // count = 1 outb(使用内联汇编实现),设置读取扇区的数目为1
    outb(0x1F3, secno & 0xFF);
    outb(0x1F4, (secno >> 8) & 0xFF);
    outb(0x1F5, (secno >> 16) & 0xFF);
    outb(0x1F6, ((secno >> 24) & 0xF) | 0xE0);
    outb(0x1F7, 0x20);                      // cmd 0x20 - read sectors
　　// 上面四条指令联合制定了扇区号
　　// 在这4个字节联合构成的32位参数中
　　// 29-31位强制设为1
　　// 28位(=0)表示访问"Disk 0"
　　// 0-27位是28位的偏移量

    // wait for disk to be ready
    waitdisk();
    //将扇区内容加载到内存中虚拟地址dst
    // read a sector
    insl(0x1F0, dst, SECTSIZE / 4);                 //也用内联汇编实现
}

 就是把硬盘上的kernel，读取到内存中

从outb()可以看出这里是用LBA模式的PIO（Program IO）方式来访问硬盘的（即所有的IO操作是通过CPU访问硬盘的IO地址寄存器完成）。从磁盘IO地址和对应功能表可以看出，该函数一次只读取一个扇区。　　

IO地址	功能
0x1f0	读数据，当0x1f7不为忙状态时，可以读。
0x1f2	要读写的扇区数，每次读写前，你需要表明你要读写几个扇区。最小是1个扇区
0x1f3	如果是LBA模式，就是LBA参数的0-7位
0x1f4	如果是LBA模式，就是LBA参数的8-15位
0x1f5	如果是LBA模式，就是LBA参数的16-23位
0x1f6	第0~3位：如果是LBA模式就是24-27位 第4位：为0主盘；为1从盘
0x1f7	状态和命令寄存器。操作时先给命令，再读取，如果不是忙状态就从0x1f0端口读数据

其中insl的实现如下：

// x86.h
static inline void
insl(uint32_t port, void *addr, int cnt) {
    asm volatile (
            "cld;"
            "repne; insl;"
            : "=D" (addr), "=c" (cnt)
            : "d" (port), "0" (addr), "1" (cnt)
            : "memory", "cc");
}

读取硬盘扇区的步骤：

1. 等待硬盘空闲。waitdisk的函数实现只有一行：while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)，意思是不断查询读0x1F7寄存器的最高两位，直到最高位为0、次高位为1（这个状态应该意味着磁盘空闲）才返回。

2. 硬盘空闲后，发出读取扇区的命令。对应的命令字为0x20，放在0x1F7寄存器中；读取的扇区数为1，放在0x1F2寄存器中；读取的扇区起始编号共28位，分成4部分依次放在0x1F3~0x1F6寄存器中。

3. 发出命令后，再次等待硬盘空闲。

4. 硬盘再次空闲后，开始从0x1F0寄存器中读数据。注意insl的作用是"That function will read cnt dwords from the input port specified by port into the supplied output array addr."，是以dword即4字节为单位的，因此这里SECTIZE需要除以4.

问题二：bootloader如何加载ELF格式的OS

1. 从硬盘读了8个扇区数据到内存0x10000处，并把这里强制转换成elfhdr使用；
2. 校验e_magic字段；
3. 根据偏移量分别把程序段的数据读取到内存中。

首先看readsect函数， readsect从设备的第secno扇区读取数据到dst位置

 

    static void
    readsect(void *dst, uint32_t secno) {
        waitdisk();
    
        outb(0x1F2, 1);                         // 设置读取扇区的数目为1
        outb(0x1F3, secno & 0xFF);
        outb(0x1F4, (secno >> 8) & 0xFF);
        outb(0x1F5, (secno >> 16) & 0xFF);
        outb(0x1F6, ((secno >> 24) & 0xF) | 0xE0);
            // 上面四条指令联合制定了扇区号
            // 在这4个字节线联合构成的32位参数中
            //   29-31位强制设为1
            //   28位(=0)表示访问"Disk 0"
            //   0-27位是28位的偏移量
        outb(0x1F7, 0x20);                      // 0x20命令，读取扇区
    
        waitdisk();

        insl(0x1F0, dst, SECTSIZE / 4);         // 读取到dst位置，
                                                // 幻数4因为这里以DW为单位
    }

 

readseg简单包装了readsect，可以从设备读取任意长度的内容。

    static void
    readseg(uintptr_t va, uint32_t count, uint32_t offset) {
        uintptr_t end_va = va + count;
    
        va -= offset % SECTSIZE;
    
        uint32_t secno = (offset / SECTSIZE) + 1; 
        // 加1因为0扇区被引导占用
        // ELF文件从1扇区开始
    
        for (; va < end_va; va += SECTSIZE, secno ++) {
            readsect((void *)va, secno);
        }
    }

在bootmain函数中，

    void
    bootmain(void) {
        // 首先读取ELF的头部
        readseg((uintptr_t)ELFHDR, SECTSIZE * 8, 0);
    
        // 通过储存在头部的幻数判断是否是合法的ELF文件
        if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC) {
            goto bad;
        }
    
        struct proghdr *ph, *eph;
    
        // ELF头部有描述ELF文件应加载到内存什么位置的描述表，
        // 先将描述表的头地址存在ph
        ph = (struct proghdr *)((uintptr_t)ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
        eph = ph + ELFHDR->e_phnum;
    
        // 按照描述表将ELF文件中数据载入内存
        for (; ph < eph; ph ++) {
            readseg(ph->p_va & 0xFFFFFF, ph->p_memsz, ph->p_offset);
        }
        // ELF文件0x1000位置后面的0xd1ec比特被载入内存0x00100000
        // ELF文件0xf000位置后面的0x1d20比特被载入内存0x0010e000

        // 根据ELF头部储存的入口信息，找到内核的入口
        ((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry & 0xFFFFFF))();
    
    bad:
        outw(0x8A00, 0x8A00);
        outw(0x8A00, 0x8E00);
        while (1);
    }

 

 

四、参考链接

Bootloader的作用、为什么需要Bootloader？

《ucore lab1 exercise4》实验报告

ucore_lab1