一个操作系统的设计与实现——第5章 加载内核

一直以来，我们都在使用汇编语言对MBR编程，但对于操作系统这样的复杂程序来说，使用汇编语言是比较困难的。本章将实现操作系统内核的加载与进入。

5.1 读硬盘的实现原理

操作系统存储于硬盘中，现在需要将其读出至内存。想要读硬盘，就需要依次进行以下操作：

1. 设定读取的扇区数
2. 设定起始扇区号
3. 发送读硬盘命令
4. 等待硬盘准备完毕
5. 将硬盘中的数据读出

5.1.1 设定读取的扇区数

读取的扇区数需要写入到0x1f2端口。这是一个8位端口，如果向此端口写入0，则读取的扇区数为256个；否则，读取的扇区数就是写入的值。

5.1.2 设定起始扇区号

我们的操作系统使用的是具有28位逻辑扇区号的硬盘。然而，硬盘中用于存放逻辑扇区号的端口全都是8位的。也就是说，一共需要"3.5个端口"来存放逻辑扇区号。"3.5个端口"显然是不存在的，实际使用的是3个8位端口，加上1个8位端口的低4位，共同凑成28位的逻辑扇区号。这些端口如下表所示：

端口号	作用
0x1f3	存放逻辑扇区号的0~7位
0x1f4	存放逻辑扇区号的8~15位
0x1f5	存放逻辑扇区号的16~23位
0x1f6	低4位存放逻辑扇区号的24~27位，高4位固定为0xe

5.1.3 发送读硬盘命令

0x1f7端口是一个既可读又可写的8位端口。如果向此端口写入数据，其用于接收命令。读硬盘的命令是0x20。

5.1.4 等待硬盘准备完毕

硬盘接收到0x20命令后就会开始准备。在此期间，需要不断的读0x1f7端口以查询硬盘状态。对于读取到的这个8位整数，只需要关注其中的两位：

1. 如果第7位为1，表示硬盘忙，其他位都无效；如果第7位为0，表示硬盘不忙，其他位有效
2. 如果第3位为1，表示硬盘已经准备就绪；如果第3位为0，表示硬盘尚未准备就绪

综上，等待的目标是第7位为0且第3位为1。

5.1.5 将硬盘中的数据读出

0x1f0端口用于读取数据。这是一个16位的端口。当硬盘准备完毕后，可以通过（大量的）in指令或insw指令将数据读出。

5.2 编译内核

本章代码5/Kernel.c是用于测试的内核。

内核在编译时不能依赖任何已有的库，且需要一些特殊设定。

请看本章代码5/Makefile。

第3行，将内核编译成库文件。

在我们的操作系统中，会使用一些与C语言标准库重名的函数，命令中的-fno-builtin用于关闭GCC对这些函数名的警告。

第4行，将库文件链接，得到可执行文件。

-Ttext-segment 0x0用于设定内核在内存中的起始加载地址。事实上，最低1K内存中存储的是中断向量表，但我们并不使用这个表，所以可以直接覆盖这段内存。

-e main用于设定入口点，如果没有这个设置，链接器会提示"找不到_start"。读者可能会疑惑：C语言的入口点难道不是main函数吗？这个问题将在后续章节中讨论。此外，读者也可以将代码中的main改成_start，并去除-e main，也能通过链接。

第6行，将内核写入虚拟硬盘。在我们的操作系统中，内核使用99个扇区，与MBR使用的1个扇区共同凑整到100个扇区。

5.3 ELF文件

在Linux中，不管是上文得到的Kernel.o文件还是Kernel文件，其格式都是ELF，即可执行与可链接格式（Executable and Linkable Format，ELF）。ELF格式适用于多种文件，包括静态链接库，动态链接库，可执行程序等，在我们的操作系统中，只需要关注可执行程序。

ELF文件的加载分为两个阶段，首先需要将整个文件读入内存的一个缓冲区中，在这里解析该文件，并按文件中提供的信息将程序加载到目的地址。

ELF文件的开头记录了一些最重要的信息，以下只列出和可执行程序有关的部分：

相对于文件开头的偏移量	字节数	含义
0x0	1	魔数0x7f
0x1	3	字符串ELF
...	...	...
0x18	4	入口地址
0x1c	4	程序头表相对于文件开头的偏移量
...	...	...
0x26	2	程序头表中每个表项的大小
0x28	2	程序头表中表项的数量
...	...	...

程序头表中存放的是可执行程序的加载信息。其由一组表项构成，每个表项的结构如下：

相对于表项开头的偏移量	字节数	含义
0x0	4	类型
0x4	4	这段程序相对于ELF文件开头的偏移量
0x8	4	这段程序需要加载到的地址
...	...	...
0x10	4	这段程序的大小
0x14	4	这段程序要求的内存大小
...	...	...

在我们的操作系统中，只需要关注类型为0x1的表项，这个类型表示可加载的程序段。

之所以要区分"这段程序的大小"和"这段程序要求的内存大小"，是因为BSS段的存在。所以，加载一段程序时要分两步：

1. 使用"这段程序的大小"，将这段程序加载到目的地址中
2. 计算这段程序要求的内存大小 - 这段程序的大小，记作N，将这段程序需要加载到的地址 + 这段程序的大小后面的N字节清零，这样就完成了BSS段的加载

综上，加载并进入一个ELF文件需要以下步骤：

1. 将ELF文件读取至缓冲区
2. 取偏移量0x1c处的4字节整数，将其与ELF文件的起始地址相加，得到程序头表的起始地址
3. 取偏移量0x26处的2字节整数，这是程序头表中每个表项的大小
4. 取偏移量0x28处的2字节整数，这是程序头表中表项的数量
5. 遍历程序头表，将其中每一段类型为0x1的程序加载到目的地址中，并将BSS段清零
6. jmp到偏移量0x18处的入口地址

5.4 加载内核的实现

请看本章代码5/Mbr.s。

第1~49行与上一章一致，用于进入保护模式和分页模式。

第51~53行，设定读取的扇区数为99。

第55~68行，设定起始扇区号为1。

第70~72行，向硬盘发送读命令。此时，硬盘开始准备。

第74~79行，不断读取0x1f7端口，以等待硬盘准备完毕。等待的目标已于上文中讨论过：第7位为0且第3位为1。

第81~84行，将硬盘中的数据读出。参数如下：

1. 端口号：0x1f0
2. 目的地址：0x80000。这个地址离0xa0000有128K，远远超过我们的操作系统的大小
3. 读取次数：99 * 512 / 2。读取的扇区数是99，一个扇区是512字节，insw指令一次读取2字节，所以可以使用这个公式计算读取次数

至此，ELF文件已经加载到0x80000处，接下来需要解析这个文件。

第86~92行，读取ELF文件头中的多项信息，列举如下：

1. EBX中存放的是程序头表地址。请注意：0x8001c处的数值是一个偏移量，其需要与0x80000相加才能得到内存地址
2. EDX中存放的是程序头表中每个表项的大小
3. ECX中存放的是程序头表中表项的数量

第98~99行，判断表项的类型，只需要类型为0x1的表项。

第101~105行，将这段程序加载到目的地址中，参数如下：

1. ESI中存放的是源地址。这里同样需要注意：[ebx + 0x4]处的数值只是一个偏移量，其需要与0x80000相加才能得到内存地址
2. EDI中存放的是目的地址
3. ECX中存放的是这段程序的大小

第107~110行，构造BSS段。这里的EDI沿用了上面rep movsb指令的结果；ECX被设定为[ebx + 0x14] - [ebx + 0x10]。

第114~117行，通过循环解析程序头表中的每个表项。

第119行，跳转至内核的入口地址。

至此，我们已经正式进入操作系统内核。