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64位操作系统——（五）完善BootLoader

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完善bootloader，向物理平台进发！

64位操作系统——（五）完善BootLoader

作者：王赛宇

参考列表：

在最前面的三章中，我们学习并完成了一个运行在虚拟机中的操作系统，在后面的学习中，我们会针对每一个实现过的模块，对其进行优化。在这里，我们会对BootLoader进行完善，将我们的操作系统迁移到物理平台上运行。本章将解决以下几个问题：

  • Big Real Mode是如何实现的？
  • 在进入内核之前内存空间是如何分布的？
  • 如何将我们的系统烧到U盘中？
  • 在程序上要进行哪些修改？

Big Real Mode的实现原理

首先，为什么在实模式下只能进行1MB以内的寻址呢？这是因为在这个模式下，我们寄存器只有16位，同时寻址模式是：goal = base << 4 + offset ，这就导致，我们只能进行1MB的寻址。但是我们的CPU有没有更广范围的寻址能力呢？如果是比较新的CPU，那么就是有的，那么更广的寻址能力是如何实现的呢？是通过保护模式下的寻址方法实现的。那么我们就准备好保护模式运行所必须的GDT以及代码段描述符和数据段描述符，接着开启A20地址线并跳转至保护模式;在保护模式下向目标段寄存器装载段选择子，处理器在向目标段寄存器加载段选择子的同时，还将段描述符加载到目标段寄存器中（隐藏部分），随后再切换回实模式。

切换回实模式下，如果目标段寄存器的值不被更改，那么目标段寄存器仍然存放着相应描述符的信息，也就是说现在访问内存时使用的是保护模式的寻址方式，所以就能够访问到更广泛的内存区域了。

进入内核前的内存空间分布

这里我们不再降解如何探测内存，初级篇中我们已经有所讲解了。在之前，我们仅仅关注了哪些内存是可用的，现在我们来关注一下那些不可用的内存。这是我们在内存管理的处理探测内存时截图的一部分：

image-20201114003218481

可用内存主要集中在前面一段，即：

image-20201114003334326

可以看到，在前1MB的内存空间中，有着多段不同类型的内存，随后到了1MB后，有大段未被使用的可用内存。并且，在前1MB内存之内，还有一些内存空洞的存在。接下来我们来了解一下在执行boot时以及执行loader时，这1MB空间的内存中到底存着什么样的数据？

img
  • 我们的Boot程序自动装载到了0x7c00h的内存区域
  • Loader程序保存在FAT12文件系统中，我们的FAT文件系统临时缓冲区主要负责保存FAT12文件系统的目录项等信息
  • 当我们的Boot从FAT12文件系统中找到Loader后，会将其复制到0x10000h为首的内存区域中

回忆起来，我们的Boot程序大小不能超过512KB，所以不能做太多的事情，所以我们的Boot程序主要任务是进行一些基础的初始化，以及在软盘中找到Loader，那么我们接下来看Loader时是怎么样的：

img
  • 我们进入loader后，原来的boot就已经没有用了，于是0x7c00h就变成了我们的栈基址。
  • FAT的索引区域仍然没有变化，在loader中，我们仍然需要使用这块内存进行索引，来搜索Kernel.bin
  • 不断的将找到的Kernel.bin文件从软盘中读取到0x7e00h（缓冲区），再将缓冲区的数据拷贝到1MB处。到此位置内核程序加载完成后面将进行内存探测
  • 进行内存探测，将探测信息存储在0x7e00h开头的内存区域，在内核层会对其进行使用，内存探测结束
  • Loader引导加载程序将通过BIOS中断服务程序获取VBE信息，这些信息会保存在物理地址0x8000处。
  • 取得VBE信息后，Loader引导加载程序还要根据VBE提供的信息再取得显示模式信息
  • 随着硬件设备信息获取结束，处理器将进入保护模式。保护模式将使用物理地址0x90000处的几个物理页（4 KB）作为保护模式的临时页表。

U盘启动

能做到这里，大家应该安装过Ubuntu系统吧，在安装Ubuntu的过程中，大家一般的做法就是：

  • 从网上下载一个磁盘映像文件（ubuntu20.04.iso）
  • 然后再使用U盘制作工具（UltraISO、rufus）将磁盘映像文件做到U盘里面

回忆一下写入的过程，在过程中我们需要选择启动模式，在这里我们讲解两种模式：

  • USB-FDD： 模拟软盘启动模式，它可使BIOS系统将U盘模拟成软盘进行引导。
  • USB-HDD： 模拟硬盘启动模式，它可使BIOS系统将U盘模拟成硬盘进行引导。

一般而言，我们在装Ubuntu、Windows的时候都是选HDD的，但是我们实现的是软盘的形式，所以我们需要选择USB-FDD模式。

启动盘制作

接下来我们制作启动盘，如果使用作者的方案，由于FAT12只能管理32MB的空间，所以我们需要一个比较小的U盘，为此我买了一个32MB的U盘，接下来我们按照作者给出的方法，将这个U盘格式化为USB-FFD的格式，USB-FFD就是模拟软盘的U盘（这一步在windows下进行，我没有截图）。

随后，我们进入linux系统，这里用的是ubuntu 20.04系统，使用：

sudo fdisk -l

来查看自己U盘对应的盘符，下面是我U盘所对应的：

Disk /dev/sdb：31.38 MiB，32899072 字节，64256 个扇区
Disk model: UDisk           
单元：扇区 / 1 * 512 = 512 字节
扇区大小(逻辑/物理)：512 字节 / 512 字节
I/O 大小(最小/最佳)：512 字节 / 512 字节
磁盘标签类型：dos
磁盘标识符：0x4e3a524f

可以看到，我的U盘对应的是/dev/sdb。接下来，我们将原本的boot.bin写入U盘（这段我在makefile中写好了）：

sudo dd if=$(BOOT_BUILD_DIR)/boot.bin of=/dev/sdb bs=512 count=1 conv=notrunc

接下来，我们让电脑默认使用USB-FFD进行启动，并且将U盘插入电脑，重启：

将bootloader移植到物理平台

这时，我们的Boot就正常的运行起来了，但是为了在物理平台上良好的运行，我们需要对他进行一些更改：

https://goleveldb-1301596189.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20201116202953185.png

https://goleveldb-1301596189.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20201116203109774.png

https://goleveldb-1301596189.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20201116203433197.png

https://goleveldb-1301596189.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20201116203445789.png

在进行了相应的更改后，我们也为makefile文件新加了一些方法：

install_physical: all
	sudo cp $(BOOT_BUILD_DIR)/loader.bin /media/wangsy/disk/
	sudo cp $(KERNEL_BUILD_DIR)/kernel.bin /media/wangsy/disk/
	sudo dd if=$(BOOT_BUILD_DIR)/boot.bin of=/dev/sdb bs=512 count=1 conv=notrunc
	echo 挂载完成，请将U盘插入并启动

其中，/media/wangsy/disk/是我的U盘的自动挂载路径。我们再次运行：

image-20201116210023093

接下来我们继续对原有的代码进行修改：

https://goleveldb-1301596189.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20201116230219510.png

等等等等，这里太多了，直接做一次提交，自己看吧。改动内容

image-20201116234759627

将内核迁移到物理平台

接下来我们需要对原来的内核程序进行一些小的更改：

DoFork函数：

https://goleveldb-1301596189.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/image-20201117154151734.png

image-20201117154812711

小结

这部分做的非常粗糙，因为这里的知识点并不多，主要是启动盘的制作以及从虚拟平台向物理平台的迁移。就在昨天，我得知还有三个周不到就要开始期末考试了，所以我可能会在这个周结束之前冲一波进度，然后暂时把这个项目封印一阵子。等到12月中旬，期末考试结束，硬件综合设计开始的时候，这个项目会重启，同时我也会更新动手做CPU的教程，关于CPU的教程，我偏向使用视频的形式进行，对我已经写好的代码进行讲解。

Updated on 2020-11-16
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