操作系统 | 1.1操作系统的启动

参考来源：哈工大，李治军老师，操作系统公开课

预备知识：汇编
16位汇编（实模式使用）、32位汇编（保护模式使用）
段寄存器、段偏移...

1.什么是操作系统

1_1_图1

  • 操作系统是计算机硬件和应用之间的一层软件
    • 1_1_图2
  • 管理那些硬件：
    • CPU管理
    • 内存管理
    • 终端管理
    • 磁盘管理
    • 文件管理
    • 网络管理
    • 电源管理
    • 多核管理

2.操作系统的启动

问题：打开你的windows电脑/Mac电脑/Linux电脑之后，发生了什么呢？

(1) 计算机结构

  • 伟大的 冯-诺伊曼存储程序思想
    • 存储程序的主要思想：将程序和数据存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步一步进行处理。
    • 计算机由五大部件组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器、执行器
  • 计算机是怎么工作的呢？
    • 1_1_图3
    • 把程序放到存储器中，然后用指针IP(PC)指向它，然后自动的取值执行。
    • 计算机是怎么工作的 —— 取值执行
那么，当计算机按下开机键之后，计算机执行的第一句指令是什么呢？

(2) boot模块

1_1_图4

<1> 按下开机键之后，BIOS将操作系统的引导扇区读入内存

问题：当我们按下开机键时，IP指针等于多少？ -->由硬件设计者决定！
  • 我们以 x86 PC 为例：
    • 1_1_图9
    • 对于 x86 结构，刚一上电，内存中有一部分是固化的。称为ROM BIOS。开机如果内存里面什么也没有，那么一句程序也没有，CPU无法取值执行，因此，内存中必须固化一段程序，就是BIOS（基本输入输出系统）。
    • 刚一上电，段寄存器CS = 0xFFFF， 偏移IP=0x0000；则寻址地址为 IP = CS * 16 + IP = 0xFFFF0（这个地址是 ROM BIOS映射区）。
    • 检查RAM，键盘，显示器，软硬磁盘
    • 将磁盘0磁道0扇区读入0x7c00处
      • 常识1：磁盘的0磁道0扇区，就是操作系统的引导扇区，是操作系统的第一段代码。
      • 常识2：磁盘的一个扇区512字节。
      • 这个步骤就是将操作系统的第一段512字节的代码读入到内存0x7c00处
    • 设置 段寄存器CS = 0x07c0， 段偏移IP=0x0000，则取值地址是 CS * 16 + IP = 0x7c00。也就是开始执行操作系统的第一段512字节的程序。

<2> 开始执行操作系统的引导扇区代码（512字节）

问题：BIOS将引导扇区读入内存之后，由CPU取值执行。那么引导扇区都做了哪些事情？
  • 操作系统(启动)的故事从这里开始...
  • 引导扇区部分代码截取：bootsect.s

    • 1_1_图10

    • 小问题：.s 是什么文件？为什么使用 .s 文件
      • .s 是汇编文件。之所以使用汇编文件，是因为汇编能够精准的、完全的控制内存地址。
      • 如果使用 c代码，那么编译之后，很可能会产生不可控制的东西。比如，int i，我们无法控制 i 在内存中的位置。
  • 现在来看这部分bootsect.s代码做了哪些事情
    • start部分
      • mov ax,#BOOTSEG mov ds,ax
        • 将0x07c0先赋值给ax，再通过ax将0x07c0赋值给ds。 ds=0x07c0
      • mov ax,#INITSEG mov es,ax
        • 将0x9000先赋值给ax，再通过ax将0x9000赋值给es。 es=0x9000
      • mov cx,#256
        • 在下下一行用到。256个字，等于512个字节。
      • sub si,si sub di,di
        • si = si - si = 0, di = di - di =0
      • rep movw
        • movw指令：将ds:si的内容送至es:di
        • 此时，ds=0x07c0, si=0。那么，ds:si=ds*16+si=0x7c00。
        • 此时，es=0x9000, es=0。那么，es:di=es*16+di=0x9000。
        • rep指令：重复执行，直至 cx = 0。上面给出，共移动512字节。
        • 因此，这条语句，就是把 引导扇区512字节的代码从 内存地址0x7c00 移动到 内存地址0x9000。
      • jmpi go,INITSEG

        • jmpi语句：把go赋值给ip，把INITSEG赋值给CS

        • 其中，go是一个标号，也就是从start开始之后的偏移。

        • 因此，此时的执行指针：ip=cs:ip=INITSEG16+go=0x900016+go。因此，此时就是开始顺序执行go语句。

        • 小问题：为什么顺序执行还需要jmpi？
          • 因为ip指针还在0x7c00后面，而（引导扇区的512字节程序）程序已经被赋值搬移到了0x9000处。这条指令，相当于把ip指针从0x7c00处，跟随着代码一起转移到了0x9000处。
      • 问题：为什么要把引导扇区的512字节程序搬移走？这部分空间要用来干什么？（答案在后面）
    • go部分 && load_setup部分
      • 只挑重要的读
      • int 0x13 是BIOS的13号中断：读取磁盘扇区
      • 寄存器ax=#0x0200+SETUPLEN=0x0204。其中，高八位ah=0x02，表示读磁盘；低八位al=0x04，表示总共读取4个扇区。
      • 寄存器cx=#0x0002。其中，高八位ch=0x00，表示柱面号；低八位cl=0x02，表示从第二个扇区开始读。
      • 寄存器dx=#0x0000。其中，高八位dh=0x00，表示磁头号；低八位0x00，表示驱动器号。
      • 寄存器es=ax=cs=0x9000，寄存器bx=#0x0200。因此，程序开始的地址es:bx=es*16+bx=0x90200。（程序被搬移到了0x90000处，引导程序512个字节，转换成16进制，刚好是0x0200。因此，可以认为，把操作系统的第2~5个扇区，搬移到内存0x90200开始处，紧挨着引导扇区512字节的代码。）
      • 在这之后，bootsect.s还有其他内容，只挑重要的介绍
  • 引导扇区部分代码截取：bootsect.s
    • 1_1_图11
    • 这部分做了两件事情：把system模块读入内存；把控制权交给setup.s

(3) setup模块

1_1_图5

<1> setup将完成OS启动前的设置

1_1_图12

  • 挑出重要代码来说。start部分
    • int 0x15
      • 这个BIOS中断，要获取物理内存的大小，获取到的值赋值给ax。
    • mov [2],ax
      • 把获取到的物理内存大小（上一个代码保存在ax中）赋值给内存0x90002处。
      • 之所以要获取并保存物理内存大小？是因为操作系统要管理内存，必须先知道内存有多大。
    • 不仅要获取内存大小，还要知道光标位置、显卡参数、根设备号等等一些列内容。
  • 挑出重要代码来说。do_move部分
    • 这部分，把从0x90000部分开始，所有的操作系统代码，全部移动到了从内存地址0x0000开始处的位置。
    • 回答了之前的问题：为什么把0x7c00处的512字节引导程序移动到0x90000处。就是为了能够把操作系统转移到0x0000处，如果不移动，操作系统的内容太大，会把正在执行的setup.s程序（搬移后setup.s在0x90200处，如果不搬移，它应该在0x7e00）进行覆盖，导致死机。

<2> 进入保护模式

为什么要从16位的实模式 转换到 32位的保护模式呢？

  • 回答：

    • 在实模式中，段寄存器为16位，段偏移16位。段寄存器左移4位+段偏移，因此，这种模式下，最大的访问地址为1M。而现在，内存都较大，在32位的保护模式下，最大的访问地址已经可以达到4G.
  • 问题：怎么进入到保护模式呢？
    • 1_1_图13
    • 上图第一行红色代码：cr0寄存器（32位）。最低位为0，为实模式；最低位为1，为保护模式。
    • 保护模式下，CPU进入另一条解释执行的电路。
  • 问题：寻址范围大大扩大，保护模式怎么寻址呢？
    • 这时，使用 cs左移4位+ip 获取地址不再满足需要
    • 1_1_图14
    • GDT表
      • GDT表写入硬件，就是为了计算机执行速度更快。
      • 这个时候的寻址方式：cs里边放的是查表的索引，真正的地址，放在表项中。
    • 初始化gdt表
      • 1_1_图15
      • .ward 后边的内容，就是表项。
    • 现在重新来看寻址方式
      • 图13（怎么进入保护模式），有一句代码jmpi 0,8
      • 1_1_图16
      • 一个GDT表项共 4*32位，GDT初始化的代码中，每一行是一个表项。
      • 因此，jmpi 0,8的含义：可以看到，8代表的是表项的第二行。段基址拼接完成后，cs=0x00000000，而ip=0x00000000，因此，jmpi到内存0x0000处，也就是system（system已经搬移到0x0000处）。

(4) system模块的第一个模块head.s

1_1_图6

<1> head.s部分代码

1_1_图17

  • 在head.s里面会重新设置idt表、gdt表(call setup_idt、call_setup_gdt)，前面setup里面设置的gdt和idt都是临时的；这里会重新设置。还会开启A20地址线(je 1b)，开启A20地址线之后寻址范围就是4G而不再是1M。
  • IDT表是中断函数表，从此int n 不再是DOS中断了，而是在IDT表中找到中断函数的地址，执行

<2> head.s怎么跳出来，执行下一个模块main.c

1_1_图18

(5) 进入main.c

1_1_图7

<1> main.c做了哪些事情呢》

1_1_图19

  • main就是做一些初始化

(6) 以mem_init()为例

1_1_图8

<1> 看一看mem_init做了什么

1_1_图20

  • mem_mep数组中，为0时，表示内存没有被使用。

3.本文总结

这篇文章，只要记录了操作系统启动的过程。
1. 打开电源之后，自动设置了cs和ip寄存器，地址指向固化的BIOS代码，并解释执行。
2. BIOS代码：
    将 操作系统的引导扇区（0磁道0扇区）读入内存0x7c00处。然后cs:ip指向0x7c00。
3. bootsect.s代码
    （1）先将0x7c00处的引导扇区的512字节代码移动到0x90000~0x901FF处；
    （2）将cs:ip指向 0x90000+go 处
    （3）将setup.s从ox90200处开始读入内存
    （4）紧接着将system模块读入内存
    （5）把控制权交给setpu.s
4. setup.s代码
    （1）获取内存大小，还要知道光标位置、显卡参数、根设备号等等一些列内容。
    （2）把操作系统从0x90000处开始的内容，移动到0x0000，即内存的0地址处。
    （3）进入保护模式，临时初始化一个GDT表（注意理解GDT寻址方式）
    （4）跳转到system模块
5.system模块
    （1）根据Linux/Makefile，看到system依赖第一个head.s模块
        <1> 重新设置idt表、gdt表，开启A20地址线等。
        <2> 跳出来head.s，开始执行C代码：main.c
    （2）main.c函数
        <1> 对内存、中断、设备、时钟、CPU等进行初始化
    （3）mem_map.c（根据这个初始化类比main.c中其他初始化）

posted on 2020-10-02 14:52  wangxx06  阅读(855)  评论(0)    收藏  举报

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