Question

实验目标

操作系统是一个软件，也需要通过某种手段加载并运行它。在这里我们将通过另外一个更加简单的软件-bootloader 来完成这些工作。为此，我们需要完成一个能够切换到 x86 的保护模式并显示字符的 bootloader，为将来启动操作系统做准备。proj1 提供了一个非常小的 bootloader，整个 bootloader 的大小小于 512 个字节，这样才能放到硬盘的主引导扇区中。

这里对 x86 的保护模式不必太在意，后续会进一步讲解

通过分析和实现这个 bootloader，读者可以了解到：

• 与操作系统原理相关
  • I/O 设备管理：设备管理的基本概念，涉及简单的信息输出
  • 内存管理：基于分段机制的存储管理，x86 的实模式/保护模式以及切换到保护模式的方法
• 计算机系统和编程
  • 硬件
    • PC 加电后启动 bootloader 的过程
    • 通过串口/并口/CGA 输出字符的方法
  • 软件
    • bootloader 的文件组成
    • 编译运行 bootloader 的过程
    • 调试 bootloader 的方法
    • 在汇编级了解栈的结构和处理过程

proj1 概述

实现描述

proj1 实现了一个简单的 bootloader，主要完成的功能是初始化寄存器内容，完成实模式到保护模式的转换，在保护模式下通过 PIO 方式控制串口、并口和 CGA 等进行字符串输出。

项目组成

[要点（非 OSP）：bootloader 的编译生成过程] lab1 中包含的第一个工程小例子是 proj1：一个可以切换到保护模式并显示字符串的 bootloader。proj1 的整体目录结构如下所示：

    proj1 /
    | -  boot
    |   | -  asm.h
    |   | -  bootasm.S
    |   ` -  bootmain.c
    | -  libs
    |   | -  types.h
    |   ` -  x86.h
    | -  Makefile
    ` -  tools
        | -  function.mk
        | -  gdbinit
        ` -  sign.c

    3 directories, 9 files

其中一些比较重要的文件说明如下：

• bootasm.S ：定义并实现了 bootloader 最先执行的函数 start，此函数进行了一定的初始化，完成了从实模式到保护模式的转换，并调用 bootmain.c 中的 bootmain 函数。
• bootmain.c：定义并实现了 bootmain 函数实现了通过屏幕、串口和并口显示字符串。
• asm.h：是 bootasm.S 汇编文件所需要的头文件，主要是一些与 X86 保护模式的段访问方式相关的宏定义。
• types.h：包含一些无符号整型的缩写定义。
• x86.h：一些用 GNU C 嵌入式汇编实现的 C 函数（由于使用了 inline 关键字，所以可以理解为宏）。
• Makefile 和 function.mk：指导 make 完成整个软件项目的编译，清除等工作。
• sign.c：一个 C 语言小程序，是辅助工具，用于生成一个符合规范的硬盘主引导扇区。
• gdbinit：用于 gdb 远程调试的初始命令脚本

从中，我们可以看出 bootloader 主要由 bootasm.S 和 bootmain.c 组成，当你完成编译后，你会发现这个 bootloader 只有区区的 3 百多字节。下面是编译运行 bootloader 的过程。

【提示】bootloader 是一个超小的系统软件，在功能上与我们一般的应用软件不同，主要用于硬件简单初始化和加载运行操作系统。在编写 bootloader 的时候，需要了解它所处的硬件环境（比如它在内存中的起始地址，它的储存空间的位置和大小限制等）。而这些是编写应用软件不太需要了解的，因为操作系统和编译器帮助应用软件考虑了这些问题。

编译运行

【实验 编译运行 bootloader】

在 proj1 下执行 make，在 proj1/bin 目录下可生成一个 ucore.img。ucore.img 是一个包含了 bootloader 或 OS 的硬盘镜像，通过执行如下命令可在硬件虚拟环境 qemu 中运行 bootloader 或 OS：

  make                     //生成 bootloader 和对应的主引导扇区
  make qemu          //通过 qemu 硬件模拟器来运行 bootloader
  make clean          //清除生成的临时文件,bootloader 和对应的主引导扇区

我们除了需要了解 bootloader 的功能外，还需要进一步了解 bootloader 的编译链接和最终执行码的生成过程，从而能够清楚生成的代码是否是我们所期望的。proj1 中的 Makefile 是一个配置脚本，make 软件工具能够通过 Makefile 完成管理 bootloader 的 C/ASM 代码生成执行码的整个过程。Makefile 的内容比较复杂，不过读者在前期只需会执行 make [参数]来生成代码和清除代码即可。对于本实验的 make 的执行过程如下所示：

    1. gcc -O2 -o tools/sign tools/sign.c
    2. i386-elf-gcc -fno-builtin -Wall -MD -ggdb -m32 -fno-stack-protector -O -nostdinc -Iinclude -Iinclude/x86 -c bootloader/bootmain.c -o obj/bootmain.o
    3. i386-elf-gcc -fno-builtin -Wall -MD -ggdb -m32 -fno-stack-protector -nostdinc -Iinclude -Iinclude/x86 -c bootloader/bootasm.S -o obj/bootasm.o
    4. i386-elf-ld  -N -e start -Ttext 0x7C00 -o obj/bootblock.o obj/bootasm.o obj/bootmain.o
    5. i386-elf-objdump -S obj/bootblock.o > obj/bootblock.asm
    6. i386-elf-objcopy -S -O binary obj/bootblock.o obj/bootblock.out
    7. sign.exe obj/bootblock.out obj/bootblock
       obj/bootblock.out size: 380 bytes
       build 512 bytes boot sector: obj/bootblock success!
    8. dd if=/dev/zero of=obj/ucore.img count=10000
       10000+0 records in
       10000+0 records out
       5120000 bytes (5.1 MB) copied, 0.509 s, 10.1 MB/s
    9. dd if=obj/bootblock of=obj/ucore.img conv=notrunc
       1+0 records in
       1+0 records out
       512 bytes (512 B) copied, 0.011 s, 46.5 kB/s

这 9 步的含义是：

1. 编译生成 sign 执行程序，用于生成一个符合规范的硬盘主引导扇区；
2. 用 gcc 编译器编译 bootmain.c，生成 ELF 格式的目标文件 bootmain.o；
3. 用 gas 汇编器（gcc 只是一个包装）编译 bootasm.S，生成 ELF 格式的目标文件 bootasm.o；
4. 用 ld 链接器把 bootmain.o 和 bootasm.o 链接在一起，形成生成 ELF 格式的执行文件 bootblock.o；
5. 目标文件信息导出工具 objdump 反汇编 bootblock.o，生成 bootblock.asm，通过查看 bootlock.asm 内容，可以了解 bootloader 的实际执行代码；
6. 文件格式转换和拷贝工具 objcopy 把 ELF 格式的执行文件 bootblock.o 转换成 binary 格式的执行文件 bootblock.out；
7. 通过 sign 执行程序，把 bootblock.out（本身大小需要小于 510 字节）扩展到 512 字节，形成一个符合规范的硬盘主引导扇区 bootblock;
8. 设备级转换与拷贝工具 dd 生成一个内容都为“0”的磁盘文件 ucore.img；
9. 设备级转换与拷贝工具 dd 进一步把 bootblock 覆盖到 ucore.img 的前 512 个字节空间中，这样就可以把 ucore.img 作为一个可启动的硬盘被硬件模拟器 qemu 使用。

如果需要了解 Makefile 中的内容，需要进一步看看附录“ucore 实验中的常用工具”一节。