OS架构整理
OS架构整理
- 引导启动部分
- bios bootloader区别
- 启动流程（x86 BIOS 启动）：
- bios
- boot_loader
- 3.切换进保护模式
- 实模式的限制
- 如何切换进保护模式
- 加载kernel到内存地址1M
- 加载内核映像文件
- elf
- 一些基础知识
- 链接脚本与代码数据段
- 显示字符串
- bios中断向量表中来显示
- 内联汇编来显示
引导启动部分
bios bootloader区别
[BIOS] (硬件开机，里面有写好的固件，上电自检)↓ 读取硬盘第0扇区 → 加载到内存地址 0x7C00
[boot] （512字节以内的 MBR/bootloader阶段1）（因为只有512字节，太小了所以用了二级引导）↓ 加载并跳转到更复杂的 loader（通常是 2阶）
[loader] （多段程序，支持文件系统、内核加载等）↓ 加载操作系统内核（kernel）
[OS内核] （操作系统正式启动）
前三步是我们自己控制不了的
我的代码是从磁盘加载
启动流程（x86 BIOS 启动）：
这个第0扇区的代码需要自己去写
首先Bios上电自检，然后将磁盘的第一个扇区512字节放入到内存地址0x7c00,检查是否以0x55 0xaa结束，从而判断这是否是有效的MBR
，如果是的话就进行引导
bios
- 加电启动（Power On）
- BIOS 执行 POST（Power-On Self-Test）
- 搜索可启动设备（硬盘、U盘、光盘…）
- 找到启动设备后：
- 读取该设备的 第 1 个扇区（LBA 0，大小 = 512 字节）
- 把它加载到内存地址
0x0000:0x7C00（实地址 = 0x7C00）
- 检查最后两个字节是否为
0x55AA（有效的引导扇区签名） - 如果正确 → 跳转到
0x7C00执行
在 BIOS 启动模式中，BIOS 会将硬盘的 第 0 扇区（MBR）加载到 0x7C00，并从那里开始执行。
读取磁盘又两种方式
一种是int13(bios）
一种是LAB（复杂一点，在loader中实现）
x86在上电后自动进入实模式，1m内存 无分页机制 寄存器也只能用16位
但是1m内存的话要访问完需要20位地址，我们就是将段基址<<4+偏移构成20位
段基址的值是存在CS/DS/SS/ES/FS/GS（段寄存器）中
这个实模式下1M大小的内存映射情况：
我的boot是在start.s中写的
boot的初始化： 主要就是将段寄存器先赋初值0，简化代码，栈顶指针赋值0x7c00，表示我的boot在0x7c00地址以下的栈区，大概30kb左右是满足这个大小的
boot跳转到loader二级引导：
读取多个磁盘加载到内存地址上：用了bios中断向量表 0x13 从第一个扇区开始 分配64个扇区（大概32kb) 如果读取磁盘正确后进入C环境并跳转到loader（jmp或者call)
.extern C函数名字（boot的一个跳转函数）
boot_loader
cmake的链接器表示我loader 加载到0x8000的地址,start.s放在cmake加入的工程文件的最开头，这样就可以保证加载到0x8000时在start.s
因为512字节显然比较小，没办法完成这么多功能，所以我做了一个二级引导
1.内联汇编显示字符串
2.检测内存容量 0x15（boot_info)
检测10块可用内存区域
3.切换进保护模式
实模式的限制
1.只能访问1MB内存，内核寄存器最大为16位宽
2.所有的操作数最大为16位宽
3.没有任何保护机制
4.没有特权级支持
5.没有分页机制和虚拟内存的支持
如何切换进保护模式
首先保证过程原子性，禁用中断，然后打开A20地址线让其访问1m以上的内存地址，然后初始化加载GDT表保证开启保护模式寄存器值正常，再设置CR0 PE位，开启保护模式。
这个禁用中断的函数我也写了一个函数，保存关中断前的各个寄存器的状态（eflags等），完成实模式到保护模式切换后恢复到原来的状态，这个函数再后面的也可以用到。函数中我也用到了内联汇编函数 sti cli进行开关中断.
加载kernel到内存地址1M
在loader中实现LAB读取磁盘，（一次两字节读取）（通常512字节一次性读取）
#define SYS_KERNEL_LOAD_ADDR (1024*1024) // 内核加载的起始地址（此时打开了A20地址线和保护模式，可以访问1M以上空间
static void read_disk(int sector, int sector_count, uint8_t * buf)| 名称 | 含义 | 单位 |
|---|---|---|
sector | 起始扇区号（LBA） | 扇区（512 字节） |
sector_count | 连续读取的扇区数量 | 扇区（512 字节） |
创建kernel文件夹，同样cmake设置起始位置1M
栈的作用：C的局部变量，函数调用中的参数
在保护模式下 push pop的一个栈都是4个字节
esp是栈顶指针 ebp相对比较固定。ESP 指向当前栈顶，EBP 保存的是上一个调用帧的基地址（上一个函数的栈底基准）
我在loader32.c中写了 ((void (*)(boot_info_t *))kernel_entry)(&boot_info); 然后进入kernel1M地址，
push %ebpmov %esp, %ebpmov 0x8(%ebp), %eaxpush %eaxcall kernel_init
取出boot_info参数传给kernel_init函数void kernel_init (boot_info_t * boot_info)（函数指针） 我没用全局变量不依赖任何外部状态，bootloader 和 kernel解耦，可移植性强。
我再讲解下这个loader的这个函数指针：（为了跳到kernel_entry（裸地址0x100000）并传入参数boot_info
| 部分 | 解释 |
|---|---|
void (*)(boot_info_t *) | 一个函数指针类型，指向接受一个 boot_info_t * 参数、返回 void 的函数 |
(void (*)(boot_info_t *))kernel_entry | 把 kernel_entry 强制转换为这种函数指针类型 |
((...))(&boot_info) | 把这个函数指针当成函数调用，传入参数 &boot_info |
加载内核映像文件
改一下kernel.lds和loader32.c中跳转到kernel的函数指针的裸地址改一下0x100000 改为0x1000
elf
elf更小，并且可以进行权限设置
查看手册把elf_header和program_header的结构放在elf.h中
一些基础知识
链接脚本与代码数据段
先看一个具体的
有下面的一个顺序
为什么会这么放呢？
下面是一个测试
当我们建立了kernel.lds就不用在每个文件夹下的cmake -text进行设置 告诉编译器这些分别放在哪
显示字符串
bios中断向量表中来显示
0x10
内联汇编来显示
也是用的bios中断进行显示的