操作系统启动篇--01

操作系统启动篇--01

• 计算机起源
  • 从白纸到图灵机
  • 从图灵机到通用图灵机
  • 从通用图灵机到计算机
• 打开电源，计算机执行的第一句指令什么?
  • 0x7c00处存放的代码
  • 引导扇区代码: bootsect.s
    • jmpi go, INITSEG
    • 读入setup模块后: ok_load_setup
    • read_it ---> 读入system模块
• 操作系统启动
  • setup模块，即setup.s
  • 进入保护模式
  • 保护模式下的地址翻译和中断处理
  • 将system移到0地址处...
  • jmpi 0,8 //gdt中的8
  • 跳到system模块执行...
  • head.s //一段在保护模式下运行的代码
  • 关于汇编…head.s的汇编和前面不一样?
  • after_page_tables //设置了页表之后
  • 进入main函数
  • 看一看mem_init…
  • 小结

本系列参考哈工大MOOC整理而来

• 本系列需要汇编语言作为前置基础,不清楚汇编的,可以读一下: 汇编语言导学篇—01

计算机起源

从白纸到图灵机

计算机怎么工作? 说到底就是一个计算模型

1936年，英国数学家A.C.图灵提出了一种模型

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此时的控制器还无法自动进行计算，而是通过提前做法结果集映射，通过查表快速计算出的结果

从图灵机到通用图灵机

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• 只会做一道菜的厨师没有竞争力，一个能看懂菜谱并按照菜谱制作菜的厨师才有竞争力
• 普通的图灵机就像看不懂菜谱的厨师，只会做番茄炒蛋。
• 而通用图灵机则是能够读懂菜谱的厨师，可以读取读取不同的菜谱，制作出不同的菜肴
• 而菜谱则对应计算机世界中的程序，通过载入不同的程序，从而去解释执行不同的程序，获得不同的效果

最后总结出来的思想就是大名鼎鼎的冯诺依曼思想

从通用图灵机到计算机

一个伟大的发明: 冯·诺依曼存储程序思想

• 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、控制器

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程序其实是由一堆指令组成的，因此程序载入后的解释执行的过程，其实总结就是四个字: “取指执行”

打开电源，计算机执行的第一句指令什么?

上面说了，计算机本质就是取指执行，那么计算机一插上电，就应该去取指执行才对，而去哪里取指令，这个由CS段寄存器和IP寄存器的初始值决定。

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ROM只读存储器中的代码是生产过程中直接写入的，因此刚插上电的时候，内存中唯一有代码的也是这块区域，因此CS和IP的初始值默认也是被设置为了执行该块代码区域的起始位置。

BIOS和DOS中断例程的安装过程

BIOS主要负责对硬件系统检测和初始化程序。

初始化程序将建立BIOS所支持的中断向量，即将BIOS提供的中断例程的入口地址登记在中断向量表中。（不清楚看上面汇编链接）

硬件系统检测和初始化完成后，调用int19h进行操作系统的引导，即去将磁盘0磁道0扇区读入0x7c00处，然后将CS和IP位置重新指向操作系统的代码起始处。（计算机交给操作系统来管理）

0磁道0扇区是操作系统的引导扇区，一共512字节

0x7c00处存放的代码

• 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，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!
• 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。

操作CMOS RAM芯片

• 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

引导扇区代码: bootsect.s

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把一开始从引导扇区读入的512个字节挪动到0x9000:0x000处，肯定是为了腾出0x07c0:0x0000这段空间来干别的事情。

     ip   cs
jmpi go,INITSEG

jmpi会重新设置cs:ip，相当于不是段内跳转，而是段间跳转,这里是跳到了0X9000处go地址标记处继续执行

jmpi go, INITSEG

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0x13中断会将setup处的四个扇区读入到0x9000:0x0200(512)处，即上面转移位置后的引导扇区后面

读入setup模块后: ok_load_setup

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这一部分主要做了两件事:

1. 读取内存处指定位置保存的开启界面数据，打在屏幕上
2. 继续读取system模块

read_it —> 读入system模块

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最后,就是将system模块的代码读进内存，然后引导扇区程序执行结束，下面转入执行setup

jmpi 0,SETUPSEG

system模块被读取到了0x1000处

最后引导扇区执行结束后，设置ip=0,cs=SETUPSEG,SETUPSEG=0x9020,即setup扇区内存开始的地址

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操作系统启动

setup模块，即setup.s

根据名字就可以想到: setup将完成OS启动前的设置

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• 通过15号中断,读入扩展内存大小到0x90002处，操作系统需要知道当前PC机物理内存大小

intel刚出来的时候，只有1M内存，因此把1M以后的内存称为扩展内存

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将system模块移动到0地址处，读取到0x9000处结束

• 将操作系统的代码移动到0地址开始处，然后我们的应用程序代码就都放在操作系统代码上面去执行

将system模块移动到0地址处，而引导模块和setup模块不需要移动是因为这两个模块一旦读取完毕后，就没用了，后面由system模块进行管理

进入保护模式

上面setup模块读取完相关硬件参数然后将System模块移动到0地址处后，下面还需要做一件事，就是进入保护模式。

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所谓进入保护模式: 主要是指setup模块最后执行的jmpi 0 8跳转指令。

大家猜猜这个跳转指令究竟会跳转到哪里呢？

• 相信大家都能说出来，是跳转到system模块去执行，但是如果按照默认的cs<<4+ip的话，会跳转到80处，但是这可不是system模块的起始地址处，显然是一个非法地址，这样跳转只会导致死机。

操作系统必须严格按照顺序读取，先引导模块,再是setup模块，最后读取ststem模块，一旦读取过程中有一点偏差，就会死机

既然我们按照默认的cs:ip规则推导出来是死机的结果，显然这里一定存在猫腻，可能是cs:ip的寻址规则发生的改变，那么到底是不是这样呢?

• 寻址方式发生改变

cs<<4+ip -->最大达到20位地址，最大访问地址空间为1M。

但是，这里内存为4G，因此16位机已经无法满足需求了，需要切换到32位模式。

如何切换到32位机呢? ---->那我们需要思考16位机和32位机的本质区别是什么

32位模式也叫做保护模式

• 本质区别是对cs:ip的解释方式不一样，16位机情况下，会将cs:ip解释为cs<<4+ip
• 32位机模式下，对应的解释程序需要用另外一条电路来实现，其实切换就是通过下面这条指令完成的

将cro赋值为1，即开启了保护模式
mov ax,#0x0001 mov cro,ax

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保护模式下的地址翻译和中断处理

gdt是用硬件来实现的，主要追求的是块，此时cs不再是左移4位产生一个地址，而是选择子。

以前cs里面存放的是代码段地址，而现在存放的是查表的下标，真正的段基址，存放在表项中。

因此上面cs为8是选择下标为8的表项，然后让该表项中存放的段基址和偏移地址ip相加，得到一个32的物理地址。

但是，查表之前，必须保证表中存放好了相关的段基址，否则不就查不到了，这个存放的问题下面会进行解答.

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中断程序也是改为去查询IDT表，和GDT实现原理一样。

将system移到0地址处…

• 如果学习过x86汇编的小伙伴，肯定会产生疑问说，0地址处不应该用来存放中断向量表吗？ 覆盖了0地址处的内容，后面的中断程序查表怎么搞呢？

上面提到了，查询GDT表之前，需要先初始化该表，确保相关段基址已经保存好了，那么具体的初始化过程如下:

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gdt表通过上面一番操作就已经初始化好了，再回顾一下上面那条jmpi指令:

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此时jmpi 0,8 ，这里cs为8，会跳到GDT表的第2行。

jmpi 0,8 //gdt中的8

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GDT表项每个字节的含义如上，通过对比，可以得知，最终CS的值为0，加上偏移地址ip的值同样为0，因此最终是跳转到了0地址处，即system模块的开始处执行。

跳到system模块执行…

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我们知道操作系统0磁道0扇区一定是存放Boot扇区的代码，如果不是的话，那么一上来尝试去读取的时候就会产生不可预料的结果。

Boot扇区读取结束后，会去读取setup扇区的内容，最后是system扇区。

操作系统是由一堆源码组合而成的，但是只有在确保其组成是有序并且符合规定的，才能确保操作系统的正常运行。

但是如何确保大型软件的合成结构的呢？ —> makefile

对于操作系统而言，除了要编写操作系统源码之外，还需要去编写操作系统的控制代码，即makefile.

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将操作系统的一堆源代码交给makefile编译成一个Image镜像，然后放入0磁道0扇区中。

然后就是从0磁道0扇区开始去读取，完成操作系统的初始化和启动过程。

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makefile是一种树状结构，其中各个父子模块之间存在大量依赖关系，makefile就是通过这些依赖关系来确保系统结构的正确性。

对于System模块来说，他会将他所依赖的模块都链接起来，组成system模块的内容。

对于system模块中依赖的各个模块而言，他们又会依赖其他子模块，例如: head.o模块会依赖head.s子模块。

system是由一堆.c文件组成的，这些.c文件经过链接后会形成一堆.o文件，这些.o文件链接起来组成system模块.

当boot，setup和system模块都组装好后，通过tools/build组成一个镜像.

而对于system模块而言，head.s是其第一部分的代码。

head.s //一段在保护模式下运行的代码

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关于汇编…head.s的汇编和前面不一样?

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after_page_tables //设置了页表之后

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虽然说main函数返回时，操作系统会进入死机状态，但实际上main函数永远都不会返回，因为操作系统需要一直处于运行状态。

进入main函数

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main函数是不会退出返回的，上面给出的main代码还少了两句，具体可以参考linux 0.11源码。

看一看mem_init…

这里我们来看看内存的初始化都干了啥

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mem_init方法负责初始化相关内存页表，这里end_mem参数是setup阶段拿到的内存大小，该内存大小会存入90002的位置，而这里end_num实际就是该处的地址值。

将没有使用过的内存全部置空，而上面从0地址处开始使用过的一段内存就是上面移动到0地址处的system模块，也就是操作系统代码

小结

计算机启动读取BIOS，BIOS会去读取0磁道0扇区的boot扇区到内存中，boot扇区将setup模块和system模块读入内存。

setup模块获取到相关参数后启动保护模式。

head初始化gdt，idt表等，然后调用main函数

main函数负责初始化相关组件。

总结一句话: 先把操作系统从磁盘读入内存，然后再初始化，主要是建立相关数据结构，让操作系统知道硬件的样貌