OS操作系统学习笔记【操作系统启动】
前言
通过os这门课的一段时间的学习，我发现自己还是需要补充大量的知识。单单是一个简单的操作系统启动就带来了很多的知识点，硬嚼慢咽，总算是啃了下来。不过哈工大李治军老师讲的课真的很不错，同时还配套了8个小实验。上他的课只需要记住这句话：不coding操作系统，就学不会OS。
操作系统简介与引导扇区
该课程只学比较基础的操作系统：
即单核CPU，以及内存管理文件系统等最基本的知识，而暂不涉及网络管理等更高级的知识。
课程目标：能够设计，修改操作系统相关模块，掌控操作系统，保证完成八个大作业。（因为要自己动手实践，所以，比较难。老师原话：很难。）
看了斯坦福的操作系统目标，都不好意思说自己学过操作系统了。世界计算机最牛逼的学府卡内基梅隆的要求是给一个板子，自己通过数据手册来给它上操作系统。
有些小激动啊。虽然感觉凭借多年的编程技术，这肯定难不倒我，但肯定还是有一定挑战性的。Come on!
从通用图灵机到计算机：
通用图灵机，简单来说，就是给你一系列的操作指令，然后你去执行相关的动作。比如给你一个菜谱，你去把菜做了。
根据冯诺依曼提出来的结构，我们知道，计算机会把程序存在内存里，然后用一个指针指向它，然后解析执行它，然后指针后移，再去指向下一条指令，再去解析执行。（取指->执行）
（1）和（2）CS和IP是8086CPU中两个重要的寄存器，指示了CPU当前要读取指令的地址。CS为代码段寄存器，IP为指令指针寄存器（偏移），两个结合起来的位置就是当前指向的指令。和保护模式对应，实模式的寻址CS:IP(CS左移4位+IP)， 和保护模式不一样。8086CPU地址总线为20位，所以它的寻址能力是2 ^ 20 = 1MB。
（3）该地址正好是前面CS和IP结合后指向的位置，该程序是固化在ROM里的，叫做BIOS，即Basic input output system基本输入输出系统。（4）检查外围设备是否可用。
（5）读入1个扇区，即512字节的内容，0磁道0扇区叫操作系统的引导扇区。把该扇区里的内容读到7c00处，然后设置cs和ip指向7c00。注意0x07c0<<4+0x0000=0x7c00。
引导扇区的作用：
引导扇区就是从磁盘引导扇区读入的那512个字节。
引导扇区就是启动设备的第一个扇区，启动设备信息被设置在CMOS中（CMOS: 互补金属氧化物半导体(64B-128B)，用来存储实 时钟和硬件配置信息）开机时按住del键可进入启动设备设置界面，可以设置为光盘启动。 因此，硬盘的第一个扇区上存放着开机 后执行的第一段我们可以控制的程序。
引导扇区的代码是汇编语言。（为什么不用C？因为，比如你声明一个变量int a，你不知道编译后a会存在哪个位置，这是不行的，我们需要用汇编来进行绝对控制）
引导扇区代码: bootsect.s
BOOTSEG = 0x07c0
INITSEG = 0x9000
SETUPSEG = 0x9020
.globl begtext,begdata,begbss,endtext,enddata,endbss
.text //文本段
begtext:
.data //数据段
begdata:
.bss //未初始化数据段
begbss:
entry start //关键字entry告诉链接器“程序入口”
start:
mov ax, #BOOTSEG mov ds, ax
mov ax, #INITSEG mov es, ax
mov cx, #256
sub si, si sub di,di
rep movw
jmpi go, INITSEG
go:........
text等是伪操作符，告诉编译器产生 文本段，.text用于标识文本段的开始位置。 因为begtext:相当于跳转，也就是说.text跳到.data，再跳到.bss，所以此处的.text、.data、.bss这3个段重叠，不分段。
ax,bx,cx,dx这四个寄存器是通用寄存器，又叫数据寄存器，用于存放数据。
执行完前两行以后，ds = 7c0，es = 9000。这两个寄存器是段寄存器，只有段寄存器不行，还需要加偏移，才能构成地址。偏移这时就放在si和di寄存器里，执行完第四行以后，si减自己当然为0，所以si = 0，同理di = 0。ds与si构成地址7c00，es与di构成地址90000。
cx里放着移动计数值：移动计数值=256 字；
rep
movw
这两条指令代表重复执行，直到cx内计数器为0才停下。注意一个字是两个字节，即把这个引导扇区的512个字节全都移动到es与di构成的90000的位置。
jmpi go, INITSEG ： go是ip，代表偏移，其实是一个标号，表示从程序开始一直到该段的地址长度。执行完以后相当于我们跳到刚才移动到的位置继续往下执行（因为我们把这些扇区的东西往后搬了，是为了腾出地方给别的代码，以后会再说腾出地方给了谁）
引导扇区
go: mov ax,cs //cs=0x9000
mov ds,ax mov es,ax mov ss,ax mov sp,#0xff00
load_setup: //载入setup模块
mov dx,#0x0000 mov cx,#0x0002 mov bx,#0x0200
mov ax,#0x0200+SETUPLEN int 0x13 //BIOS中断
jnc ok_load_setup
mov dx,#0x0000
mov ax,#0x0000 //复位
int 0x13
j load_setup //重读
0x13是BIOS读磁盘扇区的中断: ah=0x02-读磁盘，al= 扇区数量(SETUPLEN=4)， ch=柱面号，cl=开始扇区（即cx的低八位，这里是2，因为第一个扇区是引导扇区，要从第2个扇区开始读）， dh=磁头号，dl=驱动器号， es:bx=内存地址
读磁盘读到哪里？肯定是bootset的上面，bootset从90000开始，偏移512字节，为90200。es:bx从上面的程序确实可以看出，是90200。
读完四个扇区还需要读进去操作系统。
Ok_load_setup: //载入setup模块
mov dl,#0x00 mov ax,#0x0800 //ah=8获得磁盘参数
int 0x13 mov ch,#0x00 mov sectors,cx
mov ah,#0x03 xor bh,bh int 0x10 //读光标
mov cx,#24 mov bx,#0x0007
mov bp,#msg1 mov ax,#1301 int 0x10 //显示字符
mov ax,#SYSSEG //SYSSEG=0x1000
mov es,ax
call read_it //读入system模块
jmpi 0,SETUPSEG
int 0x10 是显示字符，bp告诉你要显示的东西在内存中什么区域，例如：
bootsect.s中的数据 //在文件末尾
sectors: .word 0 //磁道扇区数
msg1:.byte 13,10
.ascii “Loading system...”
.byte 13,10,13,10
肯定是要把字符打印到光标位置，所以前面有一个读光标位置的操作。
如果我们想替换一下字符串，还需要改一些配置，例如如果mov cx,#24这里的24表示要输出的字符个数，则把前面的mov cx,#24修改一下。
boot的工作:读setup， 读system。注意，为什么读入 要跨越磁道! system模块还需要定义一个函数?
因为system模块可能很大，读入要跨越磁道。
read_it: mov ax,es cmp ax,#ENDSEG jb ok1_read
ret
ok1_read:
mov ax,sectors
sub ax,sread //sread是当前磁道已读扇区数,ax未读扇区数
call read_track //读磁道...
ENDSEG=SYSSEG+SYSSIZE SYSSIZE=0x8000 //该变量可根据 Image大小设定(编译操作系统时)
引导扇区的末尾 //BIOS用以识别引导扇区：
.org 510
.word 0xAA55 //扇区的最后两个字节
.org 510 指定一个地址,后面的程序或数据从这个地址值开始分配，即以后语句从地址510(0x1FE)开始存放
.word 0xAA55 表示有效引导扇区标志,供BIOS加载引导扇区使用
可以转入setup执行了：
jmpi 0, SETUPSEG
注意该跳转语句，上一节里代码中显示SETUPSEG=9020，作为cs，再与ip=0组合成90200，即跳转后执行的地址。
操作系统启动
上一节说到把setup和操作系统弄到内存里了，现在开始执行setup程序。
start: mov ax,#INITSEG mov ds,ax mov ah,#0x03
xor bh,bh int 0x10//取光标位置dx mov [0],dx //取出光标位置(包括其他硬件参数)到0x90000处
mov ah,#0x88 int 0x15 mov [2],ax ...
cli ///不允许中断
mov ax,#0x0000 cld
do_move: mov es,ax add ax,#0x1000
cmp ax,#0x9000 jz end_move
mov ds,ax sub di,di
sub si,si
mov cx,#0x8000
rep
movsw
jmp do_move
int 0x15 就是获得实际物理内存的大小，然后放到ax寄存器里。然后把这个值放到 [2] 间接寻址到的地址里，
也就是放到90002这个地址里。读出来大小就是为了以后管理。
现在理解一下这个步骤为什么叫setup：即操作系统要开始管理接管内存了。
然后通过上面的代码我们可以看到重新设置了 ds:si 和 es:di，然后就是把操作系统移到0x0000的位置，我们可以看到，移动的长度是0x8000个字，这就解释了当时为什么要把0x7c00的东西搬到0x90000去，因为如果操作系统太大，就会把之前的bootset和setup都给覆盖了，但是我们现在正在执行setup，所以无论如何都不能覆盖了setup，所以要上移。从此操作系统就一直呆在这个区域里，永远不被改变了。其他一些细节，可以去《Linux内核剖析1.11》上看。
call empty_8042 mov al,#0xD1 out #0x64,al
//8042是键盘控制器， 其输出端口P2用来控制A20地址线 D1表示写数据到8042的P2端口
call empty_8042 mov al,#0xDF out #0x60,al
//选通A20地址线 call empty_8042
初始化8259(中断控制) //一段非常机械化的程序
mov ax,#0x0001 mov cr0,ax
jmpi 0,8
操作系统在最后执行了jmpi 0 8，该指令发挥了重要作用：
执行这句话，cs=8，ip=0，加起来以后是80。如果真的跳到80地址，那就会死机。跳到80一定是一个非法指令，所以这里不是跳到80，应该跳到另外一个地方：0地址处，这是system模块。从这个时候，寻址方式开始改变。在这之前，计算机能访问的地址只有1M（20位），要从1M变到4G内存，不能再使用这个寻址方式。所以要从16位模式变到32位模式：保护模式。
寻址方式不同的根本区别：CPU的解释程序不一样，解释cs和ip的方式不一样。
gdt是一个硬件，用来执行寻址方面的功能，之所以用硬件实现，是为了快速响应。
cs这个时候是一个选择子，选择表中的一个项，然后产生地址。gdt表：全局描述符表（global descripitor batle。
但是需要这个表中有内容，这样才能去选择，所以setup程序前面还有一段内容，是关于表的：
end_move: mov ax,#SETUPSEG mov ds,ax
lidt idt_48 lgdt gdt_48//设置保护模式下的中断和寻址
进入保护模式的命令...
idt_48:.word 0 .word 0,0 //保护模式中断函数表
gdt_48:.word 0x800 .word 512+gdt,0x9
gdt: .word 0,0,0,0
.word 0x07FF, 0x0000, 0x9A00, 0x00C0
.word 0x07FF, 0x0000, 0x9200, 0x00C0
这里的gdt就是生成gdt表。同时还需要注意中断函数也是非常类似的，这里也提一下。
现在，我们找地址就是保护模式的寻址方式了，现在地址是多少呢？
gdt: .word 0,0,0,0
.word 0x07FF, 0x0000, 0x9A00, 0x00C0
.word 0x07FF, 0x0000, 0x9200, 0x00C0
0x00C09A00000007FF
所以就是0x00000000，然后加上ip仍然为0。跳到0x0这个地址上，开始执行system模块。
操作系统system模块执行
注意我们程序执行时就是按照首先读第一个扇区，然后第一个扇区的bootset继续读后面的扇区，所以代码的安排必须要合理：
需要用makefile来自己设计编译细节。设计哪个放在前面，哪个放在后面。编译出来以后，操作系统叫image，一定要符合上图的样子。我们需要写到0磁道0扇区。
makefile如下：
disk: Image
dd bs=8192 if=Image of=/dev/PS0
Image: boot/bootsect boot/setup tools/system tools/build
tools/build boot/bootsect boot/setup tools/system > Image
tools/system: boot/head.o init/main.o $(DRIVERS) …
$(LD) boot/head.o init/main.o $(DRIVERS) … -o tools/system
生成Image需要很多依赖，依赖有了以后，就把这些东西合成到Image镜像里。同时这些依赖也分别要依赖其他项。注意上面的$(DRIVERS)表示驱动程序。
system的第一个部分就是head.s。
注意head.s是32位保护模式，所以要执行32位的汇编（和原来的汇编不一样了）：
stratup_32: movl $0x10,%eax mov %ax,%ds mov %ax,%es
mov %as,%fs mov %as,%gs //指向gdt的0x10项(数据段)
lss _stack_start,%esp //设置栈(系统栈)
call setup_idt
call setup_gdt
xorl %eax,%eax
1:incl %eax
movl %eax,0x000000 cmpl %eax,0x100000
je 1b //0地址处和1M地址处相同(A20没开启)， 就死循环
jmp after_page_tables //页表， 什么东东?
setup_idt: lea ignore_int,%edx
movl $0x00080000,%eax movw %dx,%ax
lea _idt,%edi movl %eax,(%edi)
主要工作就是重新设置idt和gdt表。因为之前的这个表是为了之前操作使用的，现在操作系统需要真正控制硬件了。
内嵌汇编就是C语言文件中，有些指令必须使用汇编来严格控制执行。
head.s文件执行完以后，要跳转到main.c。它的做法是：
after_page_tables:
pushl $0 pushl $0 pushl $0 pushl $L6
pushl $_main jmp set_paging
L6: jmp L6
setup_paging: 设置页表 ret
setup_paging执行ret后，会执行函数main()
进入main()后的栈为0， 0， 0， L6
main()函数的三个参数是0， 0， 0
main()函数返回时进入L6， L6是个死循环，即死机了。所以main永远不会返回（main里面也是不断循环）。
jmp set_paging以后，就跳到 set_paging ，然后设置页表，并执行ret，弹栈，main出栈，执行main函数。
main函数：
void main(void)
{
mem_init();
trap_init();
blk_dev_init();
chr_dev_init();
tty_init();
time_init();
sched_init();
buffer_init();
hd_init();
floppy_init();
sti();
move_to_user_mode();
if(!fork()){init();}
}
三个参数分别是envp,argv,argc，但此处main并没使用，此处的main只保留传统main的形式和命名，main表示C语言函数的入口。main的工作就是xx_init: 内存、 中断、 设备、时钟、 CPU等内容的初始化。
我们取出内存初始化程序来查看一下：（在linux/mm/memory.c中）
void mem_init(long start_mem,long end_mem)
{
int i;
for(i=0; i<PAGING_PAGES; i++)
mem_map[i] = USED;
i = MAP_NR(start_mem);
end_mem -= start_mem;
end_mem >>= 12;
while(end_mem -- > 0)
mem_map[i++] = 0; }
end_mem >>= 12; 左移12表示除以2的12次方，即4K，也就是每4K分为1页。
注意start_mem和end_mem，回想之前学的内容，扩展内存的大小保存在0x90002的地方 。
前面使用的区域是操作系统的内存，后面是未使用区。通过执行内存初始化函数，我们就分出了用过的和空白的内存区域。
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