JOS 核心啟動過程

開機引導程式bootstrap

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|      32-bit      |
|     devices      |
|                  |
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|                  |
|      unused      |
|                  |
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|                  |
|                  |
| extended memory  |
|                  |
|                  |
+------------------+  
|     bios rom     |
+------------------+  
|  16-bit devices, |
|  expansion roms  |
+------------------+  
|   vga display    |
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|                  |
|    low memory    |
|                  |
+------------------+

bios：

從上圖可以看出，bios的位址是從0xf0000-0x100000(1m),這時候是實模式(real mode)定址空間為20位，1m.具體實體地址的計算方法為physical address = 16 * segment + offset 。intel把8088處理器設計成當pc 上電以後cs：ip的值固定為0xffff0，bios「硬連線」到位址為0x000f0000-0x000fffff的範圍。

[f000:fff0] 0xffff0:    ljmp   $0xf000,$0xe05b

上電後執行的第一條指令一般是轉移指令，因為只差16位元組就到了定址空間的最大處了，這16個位元組的空間幾乎什麼都不能做，所以，一般回跳到更小的位址。比如這裡的0xfe05b。

bios執行時會建立起乙個中斷描述符表（這個中斷描述符表貌似不是以後的中斷描述符表，也就是說是暫時的）、初始化各種型別的裝置（比如vga顯示器）。當初始化pci匯流排和所有bios檢測到的重要的裝置之後，bios會去查詢乙個可以啟動的裝置（硬碟，光碟，軟盤，u盤等等）。找到之後，會把該裝置的boot loader讀進記憶體並且把控制轉移給boot loader。對於硬碟啟動器，這時就是把硬碟的第乙個扇區（512b）載入進記憶體（載入到從位址為0x7c00開始的記憶體段），並且從0x7c00開始執行。0x7c00是行業標準。

the boot loader

boot loader，顧名思義，就是在boot階段去load。load什麼呢？當然是kernel了！

對！在這個階段，計算機要做的事情是把bios找到的啟動盤裡的作業系統核心載入進記憶體並且開始執行核心。因為所有程式只有載入進記憶體了才可能被執行（bios程式例外，因為硬體專門給bios分配了一段位址空間），所以，這個願望的產生應該很容易理解了。

核心其實就是乙個可執行程式，格式是elf。它被固定的放在boot loader所在扇區的後乙個扇區。一般認為boot loader 小於512b，所以可以放在第乙個扇區之內，而核心檔案則從第二個扇區放起，至於到**結束，這就不一定了，但是在elf頭中有指明，所以只要拿到elf的頭就可以了。但是現在的boot loader越來越大，乙個扇區可能已經裝不下了，這種情況應該在寫boot loader的時候會解決，這裡不討論它。

bios 把bootloader程式所在的扇區固定載入到0x7c00-0x7dff（512b），並且用乙個jmp指令把cs：ip設定成0000:7c00. cpu的控制權就從bios傳遞到了bootloader。

前面說過，bootloader的任務是把真正的核心程式從硬碟讀到記憶體當中，那麼，讀到**呢？讀到從位址為0x100000（1m）開始的記憶體裡！可是這個時候的cpu定址空間只有20位，1m！這個時候處於實模式下，是不能訪問高於1m 的位址空間的！怎麼辦？只能進入保護模式了，因為在保護模式下可以定址高於1m 的空間。

所以，bootloader 實際做了兩件事：進入保護模式和載入核心程式。

進入保護模式：

lgdt gdtdesc movl %cr0, %eax orl $cr0_pe_on, %eax movl %eax, %cr0

這裡：

.p2align 2                                # force 4 byte alignment
gdt:
seg_null                # null seg
seg(sta_x|sta_r, 0x0, 0xffffffff)    # code seg
seg(sta_w, 0x0, 0xffffffff)            # data seg
gdtdesc:                #48bit in total
.word   0x17                            # sizeof(gdt) - 1(lower 16bit)
.long   gdt                             # address gdt (higher 32bit)

從這裡可以看出，核心只設定了資料段和**段，並且起始位址都設為0x0，limit都設為最大值0xffffffff。也就是說，保護模式內定址時，線性位址等於offset，在沒有開啟分頁機制時，這個位址也等於實體地址。三種位址的關係見下圖：

bootloader分為兩部分，開啟保護模式是用組合語言寫的，讀磁碟檔案是用c語言寫的。在進入c 語言環境之前還有一件事情要做，那就是設定堆疊。本著簡單明瞭，又不浪費記憶體的原則，可以把bootloader的開始位址（start/0x7c00）設為sp的值。由於棧是向下增長的，所以不會和bootloader的**相衝突。

另外，將控制保護模式開啟的cr0_pe_on置位以後，並沒有真正進入保護模式，因為cs 、ds等的值還是原來的值。在movl %eax, %cr0 語句之後不可能再用另外乙個語句來設定cs的值了，因為下一步的定址將是按照保護模式的定址方式了，而cs 原來的值自然就不對了，從而會導致出錯。乙個很好的解決方案是使用一條ljmp語句來實現：

ljmp    $prot_mode_cseg, $protcseg。

當然，ds 的值就可以直接用彙編語句設定咯：

movw $prot_mode_dseg, %ax # our data segment selector movw %ax, %ds # -> ds: data segment movw %ax, %es # -> es: extra segment movw %ax, %fs # -> fs movw %ax, %gs # -> gs movw %ax, %ss # -> ss: stack segment

至此，就可以安心的去執行c語言**了：

call bootmain

進入用c 語言編寫的讀核心**的程式了。

載入核心：

首先載入包含核心的第乙個扇區到0x10000，注意，不是1m，因為這裡要得到的只是elf頭，不是真正的核心**。

在驗證魔數之後，再通過讀取elf頭裡面的引數（包括核心**的偏移位址，核心**的長度，核心**載入到記憶體的位置等等）去載入真正的作業系統核心（elf裡面的乙個program）。

最後，跳轉到elf頭裡面指定的e_entry所在的位置進行執行。

((void (*)(void)) (elfhdr->e_entry))();

至此，核心啟動了！大功告成！！

JOS 核心啟動過程

MIT 6 828 JOS 啟動過程總結

linux核心啟動過程

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MIT 6 828 JOS 啟動過程總結

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