操作系统开发系列——Bootloaders

简介

欢迎光临！本章教程相信您已期待很久。本章我们将涵盖许多话题，如：

启动过程——它是如何工作的
Bootloader理论
开发一个简单的Bootloader
用NASM来汇编这个Bootloader
使用VFD(Virtual Floppy Drive)软件；创建一个软盘镜像
使用PartCopy；将我们的Bootloader复制到软盘镜像
使用Bochs——基本的安装和使用；测试这个Bootloader

准备好了吗？

启动过程

按下电源按钮

当你按下电源按钮，实际上发生了什么？当这个按钮被按下，连接到这个按钮的线向主板发送一个电子信号。主板仅仅重定向这个信号到电源(power supply)（PSU）。

这个信号包含了单个位的数据。如果它是0，那么，当然，没有电源（所以电脑是关闭的，或者主板是失效的(the motherboard is dead)）。如果它是1（意味着一个有效的信号），这意味着电源已经正在供电。

为了更好地理解它，记住计算机中的二进制逻辑的基础。8个“位”仅仅代表8根电流能够通过的“线”。0表示当前没有电流，而1表示当前电线中有电流。这个再加上逻辑门，就是数字逻辑电子学的基础，计算机就是在其基础上建立起来的。

当电源接收到活动信号，它就开始给系统其余部分供电。当给所有设备提供了正确数额的电压，电源将能够继续补充那些没有重大问题的电源。

接着电源发送一个信号，一个被称为“power_good”的信号，给主板中的基本输入输出系统（BIOS）。

BIOS自检(POST)

当BIOS接收到”power_good”信号，BIOS就会开始一个成为自检(Power On Self Test)的过程。自检会测试提供的电压以确保足够，会测试安装的设备（例如键盘，鼠标，USB，串口等等），还有保证内存可用（通过测试内存是否损坏）。

接着自检会将控制权交给BIOS。自检将BIOS加载到内存的结尾（可能是0xFFFFF0）并且将一个跳转指令放在内存的第一个字节。

处理器的指令指针（CS:IP）被设为0，接着处理器获得控制权。

这意味着什么？处理器开始执行地址0×0的指令。在这里，是被自检所放的跳转指令。这个跳转指令会跳到0xFFFFF0（或者其他BIOS被加载的位置），接着处理器开始执行BIOS。

BIOS获得控制权…

BIOS

基本输入输出系统（BIOS）会做这么几件事。它创建一个中断向量表（IVT），并提供一些基本的中断服务。然后BIOS会做一些测试以确保没有硬件问题。BIOS也提供一个设置工具。

接着BIOS需要找到一个操作系统。基于你在BIOS中所设的引导顺序，BIOS会执行中断(INT)0×19来试着找到一个可引导的设备。

如果没有发现引导设备（INT 0×19返回），BIOS接着试引导顺序中所列的下一个设备。如果没有设备了，它会打印一条错误就像“没有发现操作系统”这样的然后停止系统。

中断和中断向量表（IVT）

一个中断就是一个可以通过许多不同程序运行的子程序。这些中断被存放在地址0×0开头的一个成为中断向量表的表里面。例如，一个常用的中断是DOS中使用INT 0×21。

备注：这里没有DOS！“仅有”的可用中断是由BIOS提供的，除此之外没有别的了！使用其他的中断将会引起系统执行一个不存在的例程，导致你的程序崩溃！

备注：如果你转换处理器模式，IVT将不再有效。这意味这绝对“没有”中断——既无软件中断也无硬件中断可用，甚至没有BIOS中断。对于一个32位的操作系统，我们不得不这样做。虽然现在还没有！

BIOS中断0×19

INT 0×19 – SYSTEM:BOOTSTRAP LOADER

通过热启动重启系统而并不清除内存以及恢复中断向量表

这个中断是被BIOS执行的。它读取第一个硬盘的第一个扇区（1扇区，0扇面，0磁道）。

扇区

一个扇区仅仅代表一组512字节。因此，扇区1代表一个磁盘的第一个512字节。

扇面

一个“扇面”（或者面）代表磁盘的一个侧边，扇面0是前侧，扇面1是后侧。大多数磁盘只有1个侧边，因此只有一个扇面（“扇面0”）。

磁道

为了理解磁道，我们看下面一张图：




在这张图中，这个磁盘可以代表一个硬盘或者一个软盘。这里我们看到的是扇面1（前侧），并且扇区代表512字节。一个磁道是扇区的集合。

备注：记住一个扇区是512字节，软盘上每个磁道有18个扇区。这在我们加载文件时是非常重要的。

如果这个磁盘是可引导的，引导扇区将会被加载到0x7C00，然后INT 0×19会跳到它，从而使bootloader获得控制权。

备注：记住bootloader被加载到0x7C00，这是非常重要的！

备注：在某些系统上，你也可以通过在地址0×0040:0072存储0×1234值，然后跳转到0xFFFF:0来执行一个热启动。要想冷重启，则存储0×0。

现在，我们的1337 bootloader已在控制之中。

Bootloader理论

我们已经谈到过很多次bootloader了。让我们把重要的部分集中起来！

目前为止，Bootloader…

…与主引导记录（MBR）一起存储
…在磁盘的第一个扇区
…它的大小是单个扇区（512）的字节数
…它被BIOS INT 0×19加载到地址0x7C00

你可以想象的到，在512字节中我们并不能做太多，那我们该怎么办呢？

在汇编语言中，我们可以非常容易地越过512字节的位置。因此，代码可能看起来很好，但仅仅只有部分会出现在内存中。例如，考虑这种情况：

1	mov ax, 4ch

2	inc bx ;512 byte

3	mov [var], bx ;514 byte

在汇编语言中，程序从文件的顶部向下执行。然而，记住，当将文件载入内存时，我们加载的是扇区。每一个扇区是512字节，所以它只会将文件的512字节复制到内存中去。如果上面的代码被执行，而仅仅第一个扇区被加载到内存，它只会复制到512字节的地方（inc bx指令）。因此，最后的mov指令仍然在磁盘上，它不在内存中！

那么在inc bx指令之后处理器会做什么呢？它会继续执行到514字节的地方。因为它不再内存中，它会执行超过文件的结尾！结尾意味着什么？崩溃！

然而，加载第二个扇区（或者更多）到一个给定的地址并执行也是可能的。这样文件剩余的部分就会在内存中，然后所有的东西都会正常工作了。

这种方法可以工作，但是却很难实现。最通常的方法是保持bootloader的大小在512字节以内，搜索，加载并执行一个二级bootloader。我们后面会详细看看这个方法。

硬件异常

硬件异常很像软件异常，但处理器会执行他们，而非软件。

有些时候我们需要停止所有的异常，以防止他们发生。例如，在切换计算机模式时，整个中断向量表将不再有效，因此，任何硬件或软件中断，都会导致你的系统崩溃。后面会详细讲到。

CLI和STI指令

你可以使用STI和CLI指令来启用和禁用所有的中断。大多数系统禁止在应用程序中使用这些指令，因为它可能会导致大问题（虽然系统能模拟他们）。

1	cli ;clear interrupts

2

3	; do something...

4

5	sti ;enable interrupts--we're in the clear!

双重故障硬件异常(Double Fault Hardware Exception)

如果处理器在执行过程中发现了一个问题（如一个无效的指令，除以0等等），它就会执行一个二级故障异常处理程序（双重故障），也就是中断0×8。

我们将在不久之后看到一个双重故障。如果处理器在一个双重故障之后仍不能继续，则它会执行一个三重故障。

三重故障(Triple Fault)

我们在以前看到过这个术语，不是吗？一个CPU的“三重故障”仅仅意味着系统硬重启。

在开始的几级，如bootloader，无论你的代码的任何地方有bug，系统都会引起三重故障。这表示你的代码中有个问题。

开发一个简单的Bootloader

我们等待的时刻终于到了！：）

让我们再一次看看我们的列表：

与主引导记录一起存储
在磁盘的第一个扇区
它的大小是单个扇区（512）的字节数
它被BIOS INT 0×19加载到地址0x7C00

打开任何一个普通的文本编辑器（我使用的Visual Studio 2005），记事本已经足够了。

下面是bootloader(Boot1.asm)…

01	;*********************************************

02	; Boot1.asm

03	; - A Simple Bootloader

04

;

05	; Operating Systems Development Tutorial

06	;*********************************************

07

08	org 0x7c00 ;We are loaded by BIOS at 0x7C00

09

10	bits 16 ;We are still in 16 bit Real Mode

11

12

Start:

13

14	cli ;Clear all Interrupts

15	hlt ;halt the system

16

17	times 510 - ($-$$) db 0 ;We have to be 512 bytes. Clear the rest of the bytes with 0

18

19	dw 0xAA55 ;Boot Signiture

这些本不会带给我们太多惊喜。让我们一行一行分析：

1	org 0x7c00 ;We are loaded by BIOS at 0x7C00

记住：BIOS将我们加载到0x7C00。上面的代码告诉NASM以保证所有的地址都是相对于0x7C00。这意味着，第一条指令将会在0x7C00处。

1	bits 16 ;We are still in 16 bit Real Mode

还记得第二章的内容吗？在那章中，我解释过x86家族是如何向后兼容那些老的DOS系统的。因为老的DOS系统都是16位的，因此所有x86兼容的计算机启动后进入16位模式。这意味着：

我们被限制在1MB的内存里
我们被限制只能使用16位的寄存器

我们需要将计算机转换为32位模式，我们将后面做这件事。

1	times 510 - ($-$$) db 0 ;We have to be 512 bytes. Clear the rest of the bytes with 0

我希望有更多关于这个的文档。在NASM中，美元符号($)代表当前行的地址，$$代表第一条指令的地址（应该是0x7C00）。因此，$-$$返回的是当前行到开始处的字节数（在本例中，就是程序的大小）。

1	dw 0xAA55 ;Boot Signiture

这个需要一些解释。

记住，BIOS INT 0×19搜索可引导的磁盘。它怎么知道磁盘是可引导的呢？答案是引导标签。如果511字节是0xAA，并且512字节是0×55，那么INT 0×19将会加载并执行bootloader。

因为引导标签必须在bootloader的最后两个字节，所以我们使用times关键字来计算可以填充到第510字节的可变大小，而不是第512字节。

使用NASM汇编

NASM是一个命令行汇编器，因此必须通过命令行或者批处理脚本来执行。为了汇编Boot1.asm需要执行下面的命令：

1	nasm -f bin Boot1.asm -o Boot1.bin

-f选项用来告知NASM所生成的输出文件的类型。在本例中是二进制程序。

-o选项用来给出一个生成的文件的文件名。在本例中是Boot1.bin。

汇编之后，你会得到一个精确的512字节名叫“Boot1.bin”的文件。

备注：由于某些原因，windows资源管理器显示的大小限制为1kb。查看文件的属性，它会告知为512字节。

如何使用VFD(Virtual Floppy Drive)

我们将会使用VFD来创建一个虚拟软盘镜像用于将我们的操作系统复制进去。现在解释如何使用它。

打开 vfdwin.exe
点击Driver选项卡下的开始按钮，它用于打开驱动器
点击Driver0或者Driver1选项卡。
点击打开

你将会看到如下所示的界面：





确保media类型为标准的3.5英寸1.44MB软盘，磁盘类型为RAM。同时，保证写保护为禁用状态。点击“创建”按钮。

打开我的电脑，（在你的电脑上）你将会看到一个新的软盘驱动器。

右键点击驱动器选择属性来格式化磁盘。在VFD选项卡下会有一个格式化选项。

PartCopy-复制到引导扇区

很好…现在我们的bootloader已经准备好了，我们如何把它复制到磁盘呢？你或许知道，Windows不允许我们直接将它复制到磁盘的第一个扇区。因此，我们需要使用一个命令来实现它。

在第一章我们已经看了一个这样的命令：debug。如果你已经决定使用这个命令，你可以略过关于partcopy的这一节。

PartCopy是一个命令行程序。它的使用形式如下：

1	partcopy file first_byte last_byte drive

PartCopy的功能不仅限于复制文件。它可以向或者从扇区复制特定的数量的字节。使用它的格式（上面显示的）是一种安全的方法。

因为你已经模拟了一个软盘驱动器，所以你可以通过一个字母名字来引用这个驱动器（就像A:）。

下面的命令可以复制我们的bootloader：

1	partcopy Boot1.bin 0 200 -f0

f0代表软盘0。你可以在f0和f1之间改变等等，根据你的软盘在哪个驱动器来决定。Boot1.bin是我们要复制的文件。它复制文件的第一个字节（0×0）到最后的一个字节（0×200，就是十进制的512）。注意partcopy仅仅接收16进制的数。

警告：记住如果你使用这个程序不小心可能会导致磁盘的永久性损坏。上面的命令行命令只适用于软盘，不要试图将其用于硬盘上。

[b]Bochs：测试bootloader[/b]

Bochs是一个32位的PC模拟器。我们将使用Bochs来调试和测试。

Bochs使用一个配置文件来描述所模拟的硬件。例如，下面是我所使用的配置文件：

01	# ROM and VGA BIOS images ---------------------------------------------

02

03	romimage: file=BIOS-bochs-latest, address=0xf0000

04	vgaromimage: VGABIOS-lgpl-latest

05

06	# boot from floppy using our disk image -------------------------------

07

08	floppya: 1_44=a:, status=inserted # Boot from drive A

09

10	# logging and reporting -----------------------------------------------

11

12	log : OSDev. log # All errors and info logs will output to OSDev. log

13	error: action=report

14	info: action=report

配置文件使用#号来表示注释。它会试着从A盘的任何软盘镜像（比如说我们用VFD创建的那个）启动。ROM BIOS和VGA BIOS镜像来自Bochs，所以你不需要担心它。

定位BIOS ROM

配置文件中的很多行都非常简单，然而有一行我们需要在这里看看：

1	romimage: file=BIOS-bochs-latest, address=0xf0000

这一行告诉Bochs将BIOS放在内存（虚拟RAM）的什么地方。还记得BIOS的大小有可能不同吗？同样还记得BIOS必须在内存中的第一个兆字节的结尾处（0xFFFFF）结束吗？

因此，你需要改变这一行来重定位Bios。可以通过获取Bios镜像的大小来实现它（在你的Bochs目录中它应该被命名为BIOS-bochs-latest）。获取大小的字节数。

之后，简单的减法0xFFFFF – bochs文件的大小（字节）。这就是新的Bios地址，然后在那行上更新这个地址就可以将Bios移到它新的地址。

你可以用或者不用做这一步。如果你在Bochs测试中获得一个关于Bios必须在0XFFFFF结尾的错误，这是你需要完成这一步它才会工作。

如何使用Bochs：

执行Bochs.exe
选择选项2（阅读选项列表）；按回车键
输入配置文件名（我们上面创建的那个）；按回车键
你将会回到主菜单。选择选项5：开始模拟，然后按回车键

一个新的窗口将会打开，下面就是你将会看到的：

如果Bochs仅仅退出或者重启

…那么你刚刚经历了一个三重故障（Triple Fault），回到代码中试着找找问题在哪里。如果你需要任何帮助，尽管联系我。

如果窗口出现了，但什么都没有

恭喜！那是我们的cli和hlt指令暂停了系统，所以我们知道我们的bootloader被执行了。

创建过程——总结

将我们已经做的与前面章节我们看到的创建过程相比较，你习惯它之后，你会觉得非常简单。

从现在开始，我不会再描述创建过程中的步骤的具体细节。

未完待续！