XV6 - The Boot loader

XV6  |  2018-08-27  |  2.3k
  • x86 開機時，會先呼叫位於主機板上的 BIOS。
  • BIOS 的工作：準備硬體，將控制權轉給 OS (XV6)。
  • 準確的說，控制權轉給 boot sector，位於開機碟的第一個磁碟扇區(512 byte)。
  • Boot sector 包含 boot loader—負責將 kernel 載入記憶體。
  • BIOS 將 boot sector 寫入 0x7c00 的位置，並跳至該位址(透過設定暫存器 %ip)。
  • XV6 boot loader 包含兩個檔案：bootasm.s、bootmain.c。

Code: Assembly bootstrap#

File: bootasm.s#

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#include "asm.h"
#include "memlayout.h"
#include "mmu.h"

# Start the first CPU: switch to 32-bit protected mode, jump into C.
# The BIOS loads this code from the first sector of the hard disk into
# memory at physical address 0x7c00 and starts executing in real mode
# with %cs=0 %ip=7c00.
  • 第一行指令：cli，禁止處理器中斷。
  • 硬體可以透過中斷觸發中斷處理，進而操作系統的功能。BIOS 為了初始化硬體，可能設置了自己的中斷處理。但控制權已經給 boot loader 了，所以現在處理中斷是不安全的；當 XV6 準備完成後會重新允許中斷。
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.code16                       # Assemble for 16-bit mode
.globl start
start:
  cli                         # BIOS enabled interrupts; disable
  • 處理器在模擬 Intel 8088 的 real mode 狀態下，有 8 個 16 位元的通用暫存器，但處理器傳送的是20位元的地址給記憶體；因此多出來的四個位元由段暫存器(%cs, %ds, %es, %ss)提供。
  • %cs 取指令用
  • %ds 讀寫資料用
  • %ss 讀寫堆疊用
  • BIOS 完成工作後 %ds, %es, %ss 是未知的，所以將其設為 0
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# Zero data segment registers DS, ES, and SS.
xorw    %ax,%ax             # Set %ax to zero
movw    %ax,%ds             # -> Data Segment
movw    %ax,%es             # -> Extra Segment
movw    %ax,%ss             # -> Stack Segment
  • XV6 假設 x86 的指令是使用虛擬地址，但實際上使用的是邏輯地址。
  • 一個邏輯地址包含一個段選擇器及一個差值，有時表示為 segment:offset。
  • 更多時候，段是固定的，所以程式只會使用差值。
  • 分段硬體負責將邏輯地址翻譯成線性地址。
  • 如果分頁硬體是啟用的，它會把線性地址轉成物理地址；若未啟用，處理器會把線性地址當作物理地址。

logic address
logic address

  • 一個 segment:offset 可能產生 21-bit 的物理地址，但在模擬 Intel 8088 下只能使用 20 bits 的記憶體位置，IBM 提出了一個方法：如果鍵盤控制器輸出端的第二位高於第一位，則第 21 個 bit 可以正常使用，反之則歸零。
  • boot loader 用 I/O 指令控制鍵盤控制器端 0x64、0x60 來確保第 21 個 bit 正常運作。
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  # Physical address line A20 is tied to zero so that the first PCs 
  # with 2 MB would run software that assumed 1 MB.  Undo that.
seta20.1:
  inb     $0x64,%al               # Wait for not busy
  testb   $0x2,%al
  jnz     seta20.1

  movb    $0xd1,%al               # 0xd1 -> port 0x64
  outb    %al,$0x64

seta20.2:
  inb     $0x64,%al               # Wait for not busy
  testb   $0x2,%al
  jnz     seta20.2

  movb    $0xdf,%al               # 0xdf -> port 0x60
  outb    %al,$0x60
  • 由於 real mode 只有 16-bit 的暫存器，導致一個程式如果要使用超過 65536 bytes 的記憶體會很困難，也不可能使用超過 1MB 的記憶體。
  • x86 從 80286 開始有 protected mode，允許物理位置能擁有更多 bits，從 80386 後有 32-bit 模式。
  • Boot loader 接著開啟 protected mode 和 32-bit 模式。
  • 在 protected mode 下的段暫存器保存著段描述符表的索引。

segment
segment

  • Limits 代表最大的虛擬地址
  • 段描述符表包含一個權限(被 protected mode 保護)，kernel 可以使用這個權限確保一個程式只會使用自己的記憶體。

XV6 幾乎不用段，取而代之的是分頁。

  • Boot loader 設定段描述符表 gdt，每一段的基址為 0，且 limit 為 4GB (2^32)。
  • Flag 使程式碼會在 32-bit 中執行。
  • 由上述設定能確保當 boot loader 進入 protected mode 時，邏輯地址映射到物理地址會是 1-1 的。
  • lgdt 指令將 GDT 暫存器(指向 gdt) 載入 gdtdesc 的值。
GDT 補充

在創建 GDT 的時候，第一項須為空(規定)，接著我們為此臨時的 GDT 設立 code 及 data 段。

# Line 78 in bootasm.S
# Bootstrap GDT
.p2align 2                                   # force 4 byte alignment
gdt:
     SEG_NULLASM                             # null seg
     SEG_ASM(STA_X|STA_R, 0x0, 0xffffffff)   # code seg
     SEG_ASM(STA_W, 0x0, 0xffffffff)         # data seg
gdtdesc:
     .word   (gdtdesc - gdt - 1)             # sizeof(gdt) - 1
     .long   gdt                             # address gdt
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# Switch from real to protected mode.  Use a bootstrap GDT that makes
# virtual addresses map directly to physical addresses so that the
# effective memory map doesn't change during the transition.
lgdt    gdtdesc
  • Boot loader 將 %cr0 中的 CRO_PE 設為 1，來啟用 protected mode。
  • 啟用 protceted mode 不會立即改變處理器轉譯邏輯地址的過程；只有當段暫存器載入了新的值，處理器讀取 GDT 改變其內部的斷設定。
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movl    %cr0, %eax
orl     $CR0_PE, %eax
movl    %eax, %cr0
  • ljmp 指令語法：ljmp segment offset，此時段暫存器為 SEG_KCODE<<3，即 8 (SEG_KCODE == 1，定義於mmu.h)
  • ljmp 指令跳至 start32 執行。
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//PAGEBREAK!
  # Complete transition to 32-bit protected mode by using long jmp
  # to reload %cs and %eip.  The segment descriptors are set up with no
  # translation, so that the mapping is still the identity mapping.
  ljmp    $(SEG_KCODE<<3), $start32
  • 進入 32 位元後的第一個動作：用SEG_KDATA初始化數據段暫存器
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.code32  # Tell assembler to generate 32-bit code now.
start32:
  # Set up the protected-mode data segment registers
  movw    $(SEG_KDATA<<3), %ax    # Our data segment selector
  movw    %ax, %ds                # -> DS: Data Segment
  movw    %ax, %es                # -> ES: Extra Segment
  movw    %ax, %ss                # -> SS: Stack Segment
  movw    $0, %ax                 # Zero segments not ready for use
  movw    %ax, %fs                # -> FS
  movw    %ax, %gs                # -> GS
  • 最後建立一個 stack，跳至 bootmain.c。
  • 記憶體 0xa0000 至 0x100000 為設備區，XV6 kernel 放在 0x100000。
  • Boot loader 位於 0x7c00 至 0x7e00 (512 bytes)，所以其他位置都能拿來建立堆疊；這裡選擇 0x7c00 當作 top ($start)，堆疊向下延伸，直到 0x0000。
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# Set up the stack pointer and call into C.
movl    $start, %esp
call    bootmain
  • 如果出錯了，會向 0x8a00 端輸出一些字。
  • 實際上沒有設備連接到 0x8a00。
  • 如果使用模擬器，boot loader 會把控制權還給模擬器。

真正的 boot loader 會印出一些錯誤訊息。

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# If bootmain returns (it shouldnt), trigger a Bochs
# breakpoint if running under Bochs, then loop.
movw    $0x8a00, %ax            # 0x8a00 -> port 0x8a00
movw    %ax, %dx
outw    %ax, %dx
movw    $0x8ae0, %ax            # 0x8ae0 -> port 0x8a00
outw    %ax, %dx
  • 接著進入無限迴圈
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spin:
  jmp     spin

Code: C bootstrap#

File: bootmain.c#

  • bootmain 的工作：載入並執行 kernel。
  • Kernel 為 ELF 格式的二進位檔。

ELF(Executable and Linking Format) ，為 UNIX 中的目錄檔格式。

功能 回傳值
開機程序（執行 kernel) void 
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// Boot loader.
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// Part of the boot sector, along with bootasm.S, which calls bootmain().
// bootasm.S has put the processor into protected 32-bit mode.
// bootmain() loads an ELF kernel image from the disk starting at
// sector 1 and then jumps to the kernel entry routine.

#include "types.h"
#include "elf.h"
#include "x86.h"
#include "memlayout.h"

#define SECTSIZE  512

void readseg(uchar*, uint, uint);

void
bootmain(void)
{
  struct elfhdr *elf;
  struct proghdr *ph, *eph;
  void (*entry)(void);
  uchar* pa;
  • 為了存取 ELF 開頭，bootmain 載入 ELF 文件的前 4096 bytes，並拷貝到 010000 中。
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elf = (struct elfhdr*)0x10000;  // scratch space

// Read 1st page off disk
readseg((uchar*)elf, 4096, 0);
  • 接著確認是否為 ELF 文件。

正常情況下 bootmain 不會return，這裡return會跳回 bootasm.S 中，由 bootasm.S 來處理此錯誤。

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// Is this an ELF executable?
if(elf->magic != ELF_MAGIC)
  return;  // let bootasm.S handle error
  • bootmain 從 ELF 開頭之後的 off bytes 讀取內容，並存入 paddr 中(呼叫readseg)。
  • 呼叫stosb將段的剩餘部分設 0
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// Load each program segment (ignores ph flags).
ph = (struct proghdr*)((uchar*)elf + elf->phoff);
eph = ph + elf->phnum;
for(; ph < eph; ph++){
  pa = (uchar*)ph->paddr;
  readseg(pa, ph->filesz, ph->off);
  if(ph->memsz > ph->filesz)
    stosb(pa + ph->filesz, 0, ph->memsz - ph->filesz);
}
  • Boot loader 最後一項工作：呼叫 kernel 的進入指令，即 kernel 第一條執行指令的地址(0x10000c)。
  • entry.S 中定義的_start即為 ELF 入口。
  • XV6 虛擬記憶體尚未建立，因此 entry 為物理地址。
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  // Call the entry point from the ELF header.
  // Does not return!
  entry = (void(*)(void))(elf->entry);
  entry();
}

函數指標的補充[1]：

上述用一個 void (*entry)(void) 指標即為一個函數指標，此指標指向一個函數，於上述 42 行將此指標指向 elf->entry，此動作將 entry 指標指向一個函數的進入點位置（elf->entry）。
此時呼叫 entry() 會進入此指標位置，並當作一個副函式執行；因此執行完上述程式碼會進入 entry.S，並執行其中的程式碼。

功能 回傳值
等待磁碟 void 
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void
waitdisk(void)
{
  // Wait for disk ready.
  while((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
    ;
}
功能 回傳值
讀取一個磁碟區 void
*dst offset
目標磁碟 目標磁碟區 
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// Read a single sector at offset into dst.
void
readsect(void *dst, uint offset)
{
  // Issue command.
  waitdisk();
  outb(0x1F2, 1);   // count = 1
  outb(0x1F3, offset);
  outb(0x1F4, offset >> 8);
  outb(0x1F5, offset >> 16);
  outb(0x1F6, (offset >> 24) | 0xE0);
  outb(0x1F7, 0x20);  // cmd 0x20 - read sectors

  // Read data.
  waitdisk();
  insl(0x1F0, dst, SECTSIZE/4);
}
功能 回傳值
讀取一段磁碟資料 void
*pa `count offset
目標位址 數量 目標磁碟區 
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// Read 'count' bytes at 'offset' from kernel into physical address 'pa'.
// Might copy more than asked.
void
readseg(uchar* pa, uint count, uint offset)
{
  uchar* epa;

  epa = pa + count;

  // Round down to sector boundary.
  pa -= offset % SECTSIZE;

  // Translate from bytes to sectors; kernel starts at sector 1.
  offset = (offset / SECTSIZE) + 1;

  // If this is too slow, we could read lots of sectors at a time.
  // We'd write more to memory than asked, but it doesn't matter --
  // we load in increasing order.
  for(; pa < epa; pa += SECTSIZE, offset++)
    readsect(pa, offset);
}
tags:  #kernel #XV6 #Bootloader
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