Linux bootloader 編寫方法

1.概述

linux運作在保護模式下，但是當機器啟動複位的時候卻處于實模式下。是以寫bootloader做的工作也是在實模式之下的。

linux的核心有多種格式，老式的zImage和新型的bzImage。它們之間最大的差别是對于核心體積大小的限制。由于zImage核心需要放在實模式1MB的記憶體之内，是以其體積受到了限制。目前采用的核心格式大多為bzImage，這種格式沒有1MB記憶體限制。本文以下部分主要以bzImage為例進行分析。

回頁首 2.bzImage格式核心的結構

bzImage核心從前向後分為3個部分，前512位元組被稱為bootsect，這就是軟碟引導linux時用到的bootloader，如果不從軟碟引導，這部分就沒有用，其中存儲了一些編譯時生成的核心啟動選項的預設值。從512個位元組開始的512*n個位元組稱為setup部分，這是linux核心的實模式部分，這部分在實模式下運作，主要功能是為保護模式的linux核心啟動準備環境。這個部分最後會切換進入保護模式，跳轉到保護模式的核心執行。最後的部分就是保護模式的核心，也就是真正意義上的linux核心。其中n的大小可以從bootsect後半部得到，詳細位址可以參閱linux

boot protocol。

3.引導過程概述

第一步，打開冰箱門；第二步把大象放到冰箱裡……不要笑，過程就是這麼簡單。首先需要把linux核心的setup部分拷貝到9020H:0開始的位址，然後把保護模式核心拷貝到1MB開始的位址，然後根據Linux Boot Protocol 2.03的内容設定參數區的内容，基位址就是9000H：0，最後使用一條ljmp $0x9020,$0跳轉到setup段，剩下的事情就是linux自己的了^_^,果然簡單吧！

4.THE LINUX/I386 BOOT PROTOCOL

這個就是我們引導linux所使用的協定，它的位置在：Documetation/i386/boot.txt中。裡面詳細的寫了引導linux所需要知道的一切知識，對于其它體系結構的CPU，也一定存在着類似的東東，仿照本文的方法就可以了。

5.細節一：基本引導參數

當然我們不指定任何參數linux核心也可以啟動，但是這樣有可能啟動進入一個我們不支援的framebuffer模式，導緻沒有任何螢幕顯示；也可能mount了錯誤的根分區失敗，導緻No Init Found的kernel panic。是以我們必須要指定一些東西。

如果你像我一樣是一個懶人，那麼可以直接把bootsect拷到9000H：0的位置，使用軟碟引導時它會把自己複制到這個地方的，這裡面有些預設的設定，詳情請見boot.txt。

首先是root的位置，這裡bootsect_pos指向的是9000H:0的位址。

bootsect_pos[0x1fc] = root_minor; bootsect_pos[0x1fd] = root_major;

其中root_minor和root_major分别是root的主裝置号和次裝置号。

目前顯示模式：

bootsect_pos[0x1fa] = 0xff; bootsect_pos[0x1fb] = 0xff;

這兩個數值相當于引導參數vga=0xHHH的值，兩個0xff代表文本模式。

bootsect_pos[0x210] = 0xff;

這是在設定你的bootloader的類型，其實隻要不是0就行，因為0代表的loader太舊無法引導新的核心，setup發現這個後就會停下來。按照規範你應該寫成0xff，這表示未知的boot loader，如果你的bootloader已經得到了一個官方配置設定的type id，那就寫上自己的數值。

6.細節二：如何加載核心

如果你現在的環境是一無所有，那麼必須使用bios中斷或者ATA指令去讀硬碟了，不過如果你手中如果有基本的DOS系統，那麼就可以使用DOS的程式了。為了能夠操作整個4GB的位址空間，我使用了WATCOM C寫了個小程式讀核心，不過你可以仿照bootsect裡面的做法，在實模式中讀一部分，然後進入到保護模式拷貝到1MB以上，然後再從實模式讀一部分……需要注意1:9000H:0也是DOS占用的位址空間，是以讀完核心後就不要傳回DOS了，否則會有問題；

注意2:一定保證是純DOS，不要加載HIMEM或者EMM386這樣的東西，它們會使上面的引導過程失敗。loadlin倒是可以來者通吃幾乎所有的DOS，不過它的作者也是這方面的大牛，對DOS下的記憶體管理非常的熟悉。我們現在研究這些古老的東西很難找資料了，況且我們是在寫bootloader，不是DOS killer^_^。

7.引導時的進階功能

1)initrd

initrd是啟動時的一個小虛拟盤，一般用它來實作子產品化的核心。引導initrd的方法主要有兩個要點：

第一，把initrd讀入記憶體，我們可以仿照大多數boot loader的方法把它放在記憶體的最高端；

第二，設定initrd的起始位置和長度

bootsect_pos[0x218]開始的4個位元組放的是起始實體位址，bootsect_pos[0x21c]開始的4個位元組放的是initrd的長度。

2)command_line支援

用command_line你可以給核心傳一些參數，自己定制核心的行為。我是這樣做的，首先把command_line放在9900H:0的位址裡，然後把9900H:0的實體位址存放在bootsect_pos[0x228]開始的4個位元組裡面。注意一定是實體位址，是以你應該放99000H這個數，然後核心就會識别你的command_line了。

8.結束語

寫本文的目的主要是為了用最少的語言和最短的時間說明bootloader的原理，真正的權威資料還是要看linux核心源碼和boot.txt檔案。我曾經寫過一個例子loaderx，使用WATCOM C和TASM，WATCOM C是一個可以在DOS下生成能通路4GB實體位址程式的C編譯器，裡面也有詳細的注釋和文檔說明。可以從下面的位址下載下傳：

loaderx.tar.gz