linux0.11源码阅读笔记1-启动流程-bootsect.s
一.概述:
源码阅读笔记是一个新的系列，也是自己在沉淀一段时间后的新发现，开始对linux底层的一次新探索。这个系列的每一节基本上都会是一个linux0.11的源代码文件，并附上我自己的理解与这些源码所涉及的知识点。本节的主角是linux0.11中涉及启动流程的部分，源代码部分是bootsect.s。
二.bootsect.s流程图与功能分析
这个流程图不是很严谨，因为ok_load_setup部分并不是一个独立的模块，里面又包含很多函数调用，故出现了多次。
bootsect.s的功能其实就是加载数据，将磁盘上的程序数据(启动程序，系统程序)加载到内存中，并在这个过程中对这1MB的内存进行规划，之后跳转到setup程序。
三.源代码分析
该部分知识点
1.理解BIOS所做的事情
将磁盘上0磁道0扇区的数据加载到内存0x07c0处，设置CS=0xFFFF,IP=0X0000
2.熟悉汇编
10号中断，13号中断
源代码部分”!”为linus当时的注释，”!!”为我为了自己理解所添加的注释
代码
1.初始化与start部分
该部分的内存变化
1)BIOS将代码加载到0x07c0处
2)执行start部分后的内存
!
! SYS_SIZE is the number of clicks (16 bytes) to be loaded.
! 0x3000 is 0x30000 bytes = 196kB, more than enough for current
! versions of linux
!
SYSSIZE = 0x3000
!
! bootsect.s (C) 1991 Linus Torvalds
!
! bootsect.s is loaded at 0x7c00 by the bios-startup routines, and moves
! iself out of the way to address 0x90000, and jumps there.
!
! It then loads 'setup' directly after itself (0x90200), and the system
! at 0x10000, using BIOS interrupts.
!
! NOTE! currently system is at most 8*65536 bytes long. This should be no
! problem, even in the future. I want to keep it simple. This 512 kB
! kernel size should be enough, especially as this doesn't contain the
! buffer cache as in minix
!
! The loader has been made as simple as possible, and continuos
! read errors will result in a unbreakable loop. Reboot by hand. It
! loads pretty fast by getting whole sectors at a time whenever possible.
.globl begtext, begdata, begbss, endtext, enddata, endbss
.text
begtext:
.data
begdata:
.bss
begbss:
.text
SETUPLEN = 4 ! nr of setup-sectors !!setup程序占用的扇区个数
BOOTSEG = 0x07c0 ! original address of boot-sector !!计算机启动的时候BIOS将bootsect加载到的内存区域
INITSEG = 0x9000 ! we move boot here - out of the way !!我们将bootsect程序要移动到的内存其实地址
SETUPSEG = 0x9020 ! setup starts here !!setup程序开始的地方，简单计算下，9020H是段地址，转化成物理地址就是90200H也就是90000H+200H(512)
SYSSEG = 0x1000 ! system loaded at 0x10000 (65536). !!系统加载到的内存其实地址
ENDSEG = SYSSEG + SYSSIZE ! where to stop loading !!系统结束的内存地址
! ROOT_DEV: 0x000 - same type of floppy as boot.
! 0x301 - first partition on first drive etc
!!start部分作用，将bootsect部分代码的起始地址从内存的BOOTSEG处移动到INITEG处，并初始化DS,ES,CS等段寄存器。
ROOT_DEV = 0x306
entry start
start:
mov ax,#BOOTSEG
mov ds,ax
mov ax,#INITSEG
mov es,ax
mov cx,#256
sub si,si
sub di,di
rep !!重复执行下面的一条指令cx次
movw !!将ds:si部分的一个字(16字节)移动到es:di处，并且执行后修改si与di
!!在这之前的start操作都是为了上面的rep movw做准备，初始化ds寄存器，初始化es寄存器
jmpi go,INITSEG !!设置CS寄存器为的值为INITSEG,IP寄存器为go的值
!!完成跳转代码继续执行，现在在逻辑上代码虽然是继续向下执行了，但在物理上我们的代码的执行是换到了另一个地方的。
go: mov ax,cs !cs的值为INITSEG(0x9000),语句执行后ax也为INITSEG
mov ds,ax !ds的值为INITSEG
mov es,ax !es的值为INITSEG
! put stack at 0x9ff00.
mov ss,ax !ss的值为INITSEG
mov sp,#0xFF00 ! arbitrary value >>5122.load_setup部分
该部分的内存变化变成
!!该部分的作用是将setup部分的代码从磁盘中读取到内存中
! load the setup-sectors directly after the bootblock.
! Note that 'es' is already set up.
load_setup:
mov dx,#0x0000 ! drive 0, head 0 磁头号0,驱动器号0
mov cx,#0x0002 ! sector 2, track 0 磁道号低8位,起始扇区号
mov bx,#0x0200 ! address = 512, in INITSEG,将磁盘数据读到es:bx处，也就是90000+512=90512处
mov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectors,ah=02代表读,al=4代表要读入4个扇区,也就是要读入2,3,4,5这四个扇区
int 0x13 ! read it,调用13号中断读取硬盘
jnc ok_load_setup ! ok - continue，如果上面的int 13没有出错，就跳转到ok_load_setup
mov dx,#0x0000
mov ax,#0x0000 ! reset the diskette
int 0x13
j load_setup3.ok_load_setup”第一”部分
这一部分是最复杂的一部分，在整个函数内部又调用了其他的函数，所以接下来将该部分插接开来讲解。
在ok_load_setup部分内存没有发生特别注意的变化。
ok_load_setup:
! Get disk drive parameters, specifically nr of sectors/track
mov dl,#0x00 !!读取驱动器0的参数
mov ax,#0x0800 !! AH=8 is get drive parameters，该功能的返回参数，CH=最大磁道数低8位，CL(0:5)=每磁道最大扇区数，CL(6:7)=最大磁道数高两位，DH=最大磁头数
int 0x13
mov ch,#0x00
seg cs !!设置段超越，如果不设置那么mov sector,cx的语义是将cx的值移动到ds:sector处
mov sectors,cx !!将cx的值移动到cs:sectors，这里linus默认将cl就当做了每磁道的扇区数，而没有管(6:7)位的磁道号高两位，是因为目前的磁道数都还没有达到256，故这两位可能默认为0了
mov ax,#INITSEG
mov es,ax !!因为int 0x13是会修改es的，现在修改回来
! Print some inane message
mov ah,#0x03 ! read cursor pos
xor bh,bh
int 0x10 !!如果不读取当前鼠标的位置，下面输出的东西不会在接下来的地方显示出来，而是在屏幕的最上面显示
mov cx,#24
mov bx,#0x0007 ! page 0, attribute 7 (normal)
mov bp,#msg1
mov ax,#0x1301 ! write string, move cursor
int 0x10
! ok, we've written the message, now
! we want to load the system (at 0x10000)
!!到现在为止，bootsect与setup已经加载到内存中了，开始加载系统
mov ax,#SYSSEG
mov es,ax ! segment of 0x010000
call read_it
call kill_motor4.ok_load_setup第二部分
这里主要是介绍在上一部分代码中调用的两个函
数”read_it”与”kill_motor”。这两个函数中的重点是”read_it”，其中涉及的函数会有”ok1_read”,”ok2_read”,”ok3_read”,”ok4_read”,”read_track”等。d
本部分的代码就是为了将系统的代码加载到内存中。
! After that we check which root-device to use. If the device is
! defined (!= 0), nothing is done and the given device is used.
! Otherwise, either /dev/PS0 (2,28) or /dev/at0 (2,8), depending
! on the number of sectors that the BIOS reports currently.
seg cs
mov ax,root_dev
cmp ax,#0
jne root_defined
seg cs
mov bx,sectors
mov ax,#0x0208 ! /dev/ps0 - 1.2Mb
cmp bx,#15
je root_defined
mov ax,#0x021c ! /dev/PS0 - 1.44Mb
cmp bx,#18
je root_defined
undef_root:
jmp undef_root
root_defined:
seg cs
mov root_dev,ax
! after that (everyting loaded), we jump to
! the setup-routine loaded directly after
! the bootblock:
jmpi 0,SETUPSEG
! This routine loads the system at address 0x10000, making sure
! no 64kB boundaries are crossed. We try to load it as fast as
! possible, loading whole tracks whenever we can.
!
! in: es - starting address segment (normally 0x1000)
!
sread: .word 1+SETUPLEN ! sectors read of current track
head: .word 0 ! current head
track: .word 0 ! current track
read_it:
mov ax,es
test ax,#0x0fff !!0x0fff与ax的值0x1000按位相与结果为0
die: jne die ! es must be at 64kB boundary
xor bx,bx ! bx is starting address within segment
rp_read:
mov ax,es
cmp ax,#ENDSEG ! have we loaded all yet? !!判断es是否已经到达ENDSEG，如果不是进入ok1_read
jb ok1_read
ret
ok1_read:
seg cs !!仍然是设置段超越，原因与上面相同
mov ax,sectors !!获得扇区个数
sub ax,sread !!用磁道所有扇区个数-读取的扇区个数=未读扇区个数
mov cx,ax !!cx存储未读扇区个数
shl cx,#9 !!左移9位的意思就是乘512
add cx,bx !!这里的bx初始为0，但是在完成一次int 13h,ax=02h的时候，bx的数值就是es段的偏移地址，也就是读缓冲区的起始地址
jnc ok2_read !!如果将要读取的数据没有超过64kb，那么就跳转到ok2_read
je ok2_read
xor ax,ax
sub ax,bx
shr ax,#9
ok2_read:
call read_track !!读扇区
mov cx,ax !!此次操作应该读取的扇区数,这里的ax值是ok1_read中计算出来的，也就是(sectors-sread)
add ax,sread !!这个值是当前磁道上已经读取的扇区数，也就是sectors(即每磁道的扇区数，在不出错的情况下，现在已经将第一个磁道的所有扇区读取完毕)
seg cs !!继续设置段超越，因为需要对代码中存储的变量进行写操作
cmp ax,sectors !!计算ax-sectors的结果，将影响各种标志寄存器的值
jne ok3_read !!如果上面的相减结果不为0说明，还没有读完当前磁道的所有扇区，那么执行ok3_read
mov ax,#1 !!接下来读磁道另一磁头上的数据，如果已经完成，则去读下一磁道
sub ax,head !!判断当前磁头
jne ok4_read !!如果是0磁头，则再去读1磁头上的扇区数据
inc track !!否则读下一磁道
ok4_read:
mov head,ax
xor ax,ax
ok3_read:
mov sread,ax !!保存ax，也就是已读扇区数
shl cx,#9 !!计算上一次读取数据的字节数
add bx,cx !!将当前的段内偏移加上再读一次磁盘会发生的偏移
jnc rp_read !!如果上面的值小于64kb也就是一个段仍可以容纳，那么就调用rp_read继续读，否则就要调整当前段，为下一次读做准备
mov ax,es
add ax,#0x1000
mov es,ax !!修改段基质，跳到下一个段，因为本段已经无法满足继续的读操作了
xor bx,bx !!清空偏移量
jmp rp_read !!继续读
read_track:
push ax
push bx
push cx
push dx
mov dx,track !!获得当前的磁道号
mov cx,sread !!获取已经读了的扇区数
inc cx !!当前扇区+1代表要读的扇区
mov ch,dl !!ch代表当前磁道号的低8位
mov dx,head !!获取当前的磁头号
mov dh,dl !!dh=磁头号，这里是因为dx存储的是磁道磁头号，但是
mov dl,#0
and dx,#0x0100
mov ah,#2
int 0x13
jc bad_rt
pop dx
pop cx
pop bx
pop ax
ret
bad_rt: mov ax,#0
mov dx,#0
int 0x13
pop dx
pop cx
pop bx
pop ax
jmp read_track
/*
* This procedure turns off the floppy drive motor, so
* that we enter the kernel in a known state, and
* don't have to worry about it later.
*/
kill_motor:
push dx
mov dx,#0x3f2
mov al,#0
outb
pop dx
ret
sectors:
.word 0
msg1:
.byte 13,10
.ascii "Loading system ..."
.byte 13,10,13,10
.org 508
root_dev:
.word ROOT_DEV
boot_flag:
.word 0xAA55
.text
endtext:
.data
enddata:
.bss
endbss:完整的代码与注释在我的github上页有记录bootsect.s注释
四.参考资料
1.Linux内核完全注释-机械工业出版社-赵炯
2.8086汇编指令快速参考
3.INT13H
4.INT10H
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