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2004-06-06, 05:49 AM
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#1 |
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榮譽會員
 
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Linux開機程序的分析
這篇文章的目的，在將linuxkernel的boot部份做一個介紹，因為筆者覺得很少有這樣的
文章介紹一個作業系統最最開始的一步--把kernel本身載入至記憶體中，同時進行一些機 器相關(machinedependent)的啟始化工作，由於linux剛好使用的是大家最熟悉的386， 486系列PC，所以在說明其程序流程時，也剛好可以對其相關的PC硬體架構做探討，可以 說是一舉兩得，不過，我必須假設讀者對於組合語言及PC最基礎的架構，如暫存器，分 段，分頁，中斷服務等有大概的認識。 讀者可在linuxsourcecode的/boot子目錄下找到幾個以.S作為副檔名的組合語言檔 ，本文要說明的即是其中的bootsect.S及setup.S兩個檔案，及盡量簡單的說明其所牽涉 的相關硬體部份。 bootsect.S 這個程序是linuxkernel的第一個程序，包括了linux自己的bootstrap程序，但是在 說明這個程序前，必須先說明一般IBMPC開機時的動作(此處的開機是指"開啟PC的電源" ): 一般PC在電源一開時，是由記憶體中位址FFFF:0000開始執行(這個位址一定在ROMBIO S中，ROMBIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此處的內容則是一個jump指令，jump到另 一個位於ROMBIOS中的位置，開始執行一系列的動作，包括了檢查RAM，keyboard，顯示 器，軟硬磁牒等等，這些動作是由系統測試碼(systemtestcode)來執行的，隨著製作BI OS廠商的不同而會有些許差異，但都是大同小異，讀者可自行觀察自家機器開機時，螢 幕上所顯示的檢查訊息。 緊接著系統測試碼之後，控制權會轉移給ROM中的啟動程序(ROMbootstraproutine) ，這個程序會將磁牒上的零道零扇區讀入記憶體中(這就是一般所謂的bootsector，如果你 曾接觸過電腦病毒，就大概聽過它的大名)，至於被讀到記憶體的哪裡呢?--絕對位置07C0 :0000(即07C00h處)，這是IBM系列PC的特性。而位在linux開機磁牒的bootsector上的正 是linux的bootsect程序，也就是說，bootsect是第一個被讀入記憶體中並執行的程序。現 在，我們可以開始來看看到底bootsect做了什麼。 第一步 首先，bootsect將它"自己"從被ROMBIOS載入的絕對位址0x7C00處搬到0x90000處， 然後利用一個jmpi(jumpindirectly)的指令，跳到新位置的jmpi的下一行去執行，關鍵 的assemblycode如下: . (搬移bootsect本身) . . jmpigo,INITSEC go: . . . 表示將跳到CS為0x9000，IP為offset"go"的位置(CS:IP=0x9000  ffsetgo)，其中I NITSEC=0x9000定義於程序開頭的部份，而go這個label則恰好是下一行指令所在的位置 。 第二步 接著，將其它segmentregisters包括DS，ES，SS都指向0x9000這個位置，與CS看齊 。另外將SP及DX指向一任意位移位址(offset)，這個位址等一下會用來存放磁牒參數表 (diskpara-metertable) 提到磁牒參數表，就必須提到BIOS中斷1Eh。先簡單的介紹一下BIOS的中斷服務:80 x86將記憶體最低的256*4byte保留給256個中斷向量(每個interruptvector大小為4byte， 所以一共有256*4=1024byte)，而其中的第1Eh個向量指向"磁牒參數表"，這個表會告訴 電腦如何去讀取磁牒機，而我們所要做的事是搬移磁牒參數表到剛才所設定的任意位址 。 接著，改變搬移來的參數表的參數，以符合我們的需要。再將中斷向量1Eh指向我們 所修改過的磁牒參數表，然後呼叫BIOSinterrupt的int13h(function0，即AH=0)重置磁 盤控制卡及磁牒驅動器，之後磁牒機就會照我們的意思動作了。如果你曾trace過DOS的 kernel，你會發現，上述的動作在DOS中也有類似的對應流程。 現在讓我們來看看關鍵的程序碼:. . . push#0 popfs movbx,#0x78 . (使GS:SI=FS:BX，指向磁牒參數表， 再將GS:SI所指位址的內容搬移6個 word至ES  I所指的位址) . . 此段程序是將FS:BX調整成0000:0078，接著再將GS:SI的內容設成與FS:BX相同，此 處0x78h即為int1Eh的起始位置(7*16+8=120,(1*16+14)*4=120)。調整ES I為剛才所設 定的任意位址，從GS:SI搬移6個word(即12byte)到ES I所指的位置，顯然磁牒參數表的 長度就是6個word，(不過事實上，磁牒參數表的確實長度是11個byte)。關於磁牒參數表 ，有興趣的讀者可自行參閱講述BIOSinterruptservices的技術手冊，會有詳細的說明。 讀者可以用debug自行觀察自家電腦上DOS的磁牒參數表的起始位置(即int1Eh的內容 )。以下是筆者機器的情形(筆者使用的作業系統是MSDOS6.2): C:>debug -d0000:0000 0000:00008A101601F4067000-1600CB04F4067000......p.......p. 0000:0010F40670000301790E-43EB00F0EBEA00F0..p...y.C....... 0000:002004108E340C118E34-5700CB046F00CB04...4...4W...o... 0000:00308700CB0408079433-B700CB04F4067000.......3......p. 0000:00400C01790E4DF800F0-41F800F0BA165F06..y.M...A....._. 0000:005039E700F01B01790E-70118E341201790E9.....y.p..4..y. 0000:006000E000F085175F06-6EFE00F0EE067000......_.n.....p. 0000:007053FF00F0A4F000F0-220500003E4600C0S......."...>F.. ^^^^^^^^ 由上圖中可知，在DOS中磁牒參數表的起始位置(int1Eh的內容)為0000:0522。接著觀察 DOS中位置0000:0522開始的11個byte，也就是磁牒參數表的內容 C:>debug -d0000:0520l10 0000:05204D53DF022502121B-FF54F60F08000000MS..%....T...... ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 此11byte即為磁牒參數表的內容(分別是byte00h到0Ah) 在程序中我們所更動的是第五個byte(byte04h)，改為18h(在上圖例子中為12h)，這 個byte的功能是定義磁軌上一個磁區的資料筆數。關鍵的程序碼如下: . movb4(di),*18 . 第三步 接著利用BIOS中斷服務int13h的第0號功能，重置磁牒控制器，使得剛才的設定發揮 功能。 . . xorah,ah xordl,dl int0x13 . . 第四步 完成重置磁牒控制器之後，bootsect就從磁牒上讀入緊鄰著bootsect的setup程序， 也就是以後將會介紹的setup.S，此讀入動作是利用BIOS中斷服務int13h的第2號功能。 setup的image將會讀入至程序所指定的記憶體絕對位址0x90200處，也就是在記憶體中緊鄰著 bootsect所在的位置。待setup的image讀入記憶體後，利用BIOS中斷服務int13h的第8號功 能讀取目前磁牒機的參數。 第五步 再來，就要讀入真正linux的kernel了，也就是你可以在linux的根目錄下看到的"v mlinuz"。在讀入前，將會先呼叫BIOS中斷服務int10h的第3號功能，讀取游標位置，之 後再呼叫BIOS中斷服務int10h的第13h號功能，在螢幕上輸出字串串"Loading"，這個字 符串在bootlinux時都會首先被看到，相信大家應該覺得很眼熟吧。 linux的kernel將會被讀入至記憶體絕對位址0x10000處，鍵關的程序碼如下: . . movax,#SYSSEG moves,ax callread_it callkill_motor . . 其中SYSSEG於程序開頭時定義為0x1000，先將ES內容設為0x1000，接著在read_it這 個子程序便以ES為目的地的節位址，將kernel讀入記憶體中，至於read_it子程序的詳細內 容筆者並不想一一介紹，不過聰明的讀者們應該已經猜到，read_it一定又利用了BIOSi nt13h與磁牒有關的I/O中斷服務了。 至於kill_motor子程序，它的功能在於停止軟碟機的馬達(各位聰明的讀者會不會覺 得這個子程序的名稱取得頗為傳神呢?)，其程序碼如下: . . kill_motor: pushdx movdx,#0x3f2 xoral,al outb popdx ret . . 首先利用DX指定要輸出的port，而03f2這個port則是代表了軟碟控制器(floppydis kcontroller)的所在，再利用outb將資料送出，而我們送出的資料，當然就是歸零過的 AL了。如此一來，軟碟的馬達就停止了。 第六步 接下來做的事是檢查rootdevice，之後就仿照一開始的方法，利用indirectjump跳 至剛剛已讀入的setup部份，程序碼如下: . . jmpi0,SETYPSEG 其中SETUPSEG已在先前定義為0x9020，所以CS:IP會設定為9020:0000，即跳到絕對 位址為0x90200，也就是setup的起點。而bootsect也大功告成了。 到此為止，記憶體的內容應該如下圖所顯示: 比較 把大家所熟知的MSDOS與linux的開機部份做個粗淺的比較，MSDOS由位於磁牒上boo tsector的boot程序負責把IO.SYS載入記憶體中，而IO.SYS則負有把DOS的kernel--MSDOS. SYS載入記憶體的重責大任。而linux則是由位於bootsector的bootsect程序負責把setup及 linux的kernel載入記憶體中，再將控制權交給setup。 至於setup.S，就留到下一次再來討論了。 |
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2004-07-04, 05:27 AM
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#4 (permalink) |
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長老會員
 
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@_@..大大們，看不懂的話，怎麼辦????????
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__________________ 貴在中和，不爭之爭  2011-中華民國建國百年跨年慶典（精研完整版） 臺灣 我們的母親 臺灣 我們居住的家園 臺灣 我們心目中永遠的第一 相聚在這塊土地上，珍惜這裡的一切 |
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