写一个Loader引导加载程序

2022-10-31 15:08:04 浏览数 (1)

前面我已经写完了boot程序，搭建好了FAT文件系统，系统的控制权已经移交给了Loader程序。

Loader程序的功能

Loader程序的主线功能就是检测硬件信息、切换处理器模式、向内核传递数据。

检测硬件信息

由于BIOS自检得到的大部分的信息只能在实模式下获取，因此我们需要在进入内核之前，把这些信息读取出来，传递给内核程序来使用。

切换处理器模式

要使得操作系统运行在64位的环境下，就需要loader进行切换。

最开始，BIOS运行在实模式，提供20位的寻址空间。然后我们的loader需要把处理器切换到保护模式，这样就有了32位的寻址空间。最终再切换到IA-32e模式（长模式），获得64位的寻址空间。

在各个模式的切换之中，loader程序需要创建一些临时数据，然后按照标准流程进行切换。其中包括的配置系统临时页表的工作，保证页表覆盖的地址空间能满足应用程序的使用要求。临时的段结构也是一个道理的。

向内核传递数据

这里讲的数据包括了控制信息和硬件数据信息两部分。

地址空间的设置

在Loader引导加载程序部分，先设定将来内核要被放置的空间的起始地址是0x100000（1MB）处。原因是，在实模式下，BIOS的最大寻址空间是20位，也就是0xFFFFF，在这以下的空间内，成分比较复杂，可以是内存空间、非内存空间以及地址空洞。1MB往上的空间比较干净。因此内核的起始地址就选在这里。

并且，我们定义0x7E00为内核程序的临时转存空间，到时候会先把内核程序加载到这里，再通过Big Real Mode，将内核程序转存到1MB的地址上。

进入Big Real Mode

Big Real Mode虽然还是在实模式下运行，但是fs寄存器拥有32位的寻址空间。我们将来要通过这种方式，来把内核程序转移到1MB地址上。

概括起来由几个步骤组成：

  1. 开启A20地址线（启用32位寻址）
  2. 进入保护模式
  3. 配置fs寄存器
  4. 退出保护模式

然后fs寄存器就拥有了32位的寻址空间了。但是，需要注意的是，我们不能在实模式下再次对fs寄存器赋值，否则它就会失去这种32位寻址能力。

部分代码如下：

代码语言：javascript复制
; 使用A20快速门来开启A20信号线
    push ax
    in al, 0x92 ; A20快速门使用I/O端口0x92来处理A20信号线
    or al, 0x02 ; 通过将0x92端口的第1位置1，开启A20地址线
    out 0x92, al
    pop ax

    cli ; 关闭外部中断

    db 0x66
    lgdt [GdtPtr]   ; LGDT/LIDT - 加载全局/中断描述符表格寄存器

    ; 置位CR0寄存器的第0位，开启保护模式
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax

    ; 为fs寄存器加载新的数据段的值
    mov ax, SelectorData32
    mov fs, ax

    ; fs寄存器加载完成后，立即从保护模式退出。 这样能使得fs寄存器在实模式下获得大于1MB的寻址能力。
    mov eax, cr0
    and al, 11111110b ; 将第0位置0
    mov cr0, eax

    sti ; 开启外部中断

    jmp $

接着我们在qemu中启动操作系统，按Ctrl Alt 2进入调试窗口，输入info registers，查看寄存器的值，如下图所示

可以看到FS寄存器的基地址为0x00000000 ，段限长为0xffffffff，也就是拥有了32位的寻址能力（4GB）。

进入保护模式之前需要做的工作

把kernel.bin转存到1MB以上的内存空间

这里就可以复用boot.asm中，搜索loader.bin的代码。将其改成搜索kernel.bin即可。由于我们还没有写内核程序，因此这里用一个空的kernel.bin来占位，方便后面的开发。

当找到内核程序文件后，就逐个簇地读取内核文件到临时地址，再立即移动到1MB以上的空间去。

获取物理地址空间的信息

由于物理地址空间信息等数据，只能在实模式下获取，因此loader必须先读取这部分的信息，然后暂存到一个位置（这里我选择的是0x7e00），以供将来操作系统内核读取。

这里面借助了BIOS的INT0x15的子功能号0xE820来获取内存信息。

获取SVGA芯片的信息

这是一个显示芯片，为了能正确显示图像，我们获取了它的信息。并且设置它的显示模式为0x180，也就是1440*900，32位宽。

从实模式进入保护模式

这里的具体流程需要参考英特尔的开发人员手册Volume3 的9.8.1-9.8.4节以及9.9.1节。在切换之前，需要我们在内存中创建一段可在保护模式下执行的代码，以及必要的系统数据结构。包括了GDT、LDT、IDT表各一个（IDT是可选的），以及任务状态段结构TSS、临时页目录和页表、中断处理模块。

大致流程如下

  1. 屏蔽外部中断
  2. 加载GDT的基地址和长度到GDTR寄存器
  3. 置位CR0的PE标志位
  4. 执行远跳转，切换到保护模式的代码段（将代码段寄存器更新为保护模式）
  5. 重新加载数据段选择子，或使用jmp/call执行新任务，更新数据段寄存器为保护模式
  6. 执行LIDT
  7. 启用外部中断

从保护模式进入IA-32e模式

从保护模式进入IA-32e模式的过程与上面的类似。也是要重新加载64位的页表、GDT、LDT、IDT。具体流程要看英特尔开发人员手册Volume3的9.8.5节。

这里涉及到了IA32_EFER寄存器，它位于MSR寄存器组内。（英特尔开发手册volume4 chapter2 页码2-60）

初始化IA-32e的标准步骤

  1. 复位CR0的PG标志位，关闭分页机制
  2. 置位CR4的PAE标志位，开启物理地址扩展。
  3. 将页目录的物理基地址加载到CR3中
  4. 置位IA32_EFER寄存器的LME标志位，开启IA-32e模式
  5. 置位CR0的PG标志位，开启分页机制，此时处理器会自动置位IA32_EFER寄存器的LMA标志位

最后一个远跳转指令，跳转到内核程序去执行，就成功将处理器切换到IA-32e模式了。

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单片机 node.js

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