自己动手写内核（第1课：引导程序）（原创）

第1课：引导程序

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译者：http://www.cppblog.com/jinglexy（新的博客地址是：http://blog.csdn.net/jinglexy）

原作者：xiaoming.mo at skelix dot org

MSN & Email: jinglexy at yahoo dot com dot cn

目标：使"system"从软盘启动，并打印"Hello World!" 下载源程序

内存寻址

处理器以‘字节’管理和访问内存，每个字节都有独立的地址，即物理地址。有两种地址映射方式：分段和分页，skelix内核中都用到了。

段对于我们来说再熟悉不过了，先回顾一下dos时期的段吧。它是一个16位的寄存器，所以最多可以直接访问2^16字节的内存，即64K。这对应用程序来说太少了，于是Intel使用Segment:Offset结合方式来表示一个虚拟地址。段寄存器左移4位加上偏移就得到实际的物理地址了。例如，0x 7c 00:0x0189表示物理地址0x 7c 189，而不是0x 7c 000189。计算过程如下：

  7C 000

+ 0189

-------

  7C 189

现在我们来计算最大可以访问的地址：FFFF:FFFF

 FFFF0

+ FFFF

-------

10FFEF

这个范围是 1M + 65519 bytes, 因为在80386中使用了20位地址线，所以可以额外多访问65519个字节虚拟地址，例如地址0x100010被映射到地址0x10，访问这两个地址是等价的。

表示同一个物理地址有多种方式，例如 07C 0:0000和0000: 7C 00 就是一样的。

另一个概念是线性地址，这个是32位地址，只有当分页机制开启时才有效，文章后面会提到它。

引导过程

当系统上电或RESET时，处理器将执行一些列的初始化，寄存器被设置成非预知状态，并且cpu处于实模式。也许你想知道cpu是怎样设置segment:offset为物理地址FFFF0的（0xf000:0xfff0就是bios入口地址），这是因为cs寄存器有一个非可见部分，它保存了ffff:0000地址，并且cs在初始化时会被装入f000值。此后以正常方式使用它。当bois取得控制权后，根据用户配置（从软驱，硬盘，或cdrom）中读取第一个sector到 00007C 00，并跳转到该地址执行（就是引导程序bootstrap）。在bootstrap中我们可以使用bios中断，但是进入kernel后就不能再使用了。

程序一：使用as和ld的范例

你可以在下载源程序的01/first.cry/bootsect.s

        .text              .text表示代码段

        .globl             start表示start可以用作外部符号

        .code16            GCC默认使用32位地址和操作数，这里告诉它使用16位

start:

        jmp      start     死循环

.org    0x1fe,   0x90      .org NEW-LC, FILL，说明：这里填充0x90，是nop指令的机器码

.word   0xaa55

讲解：.org指令指示下一个数据地址，为了编译这个程序，我们写了一个Makefile，总不能老是敲命令吧，呵呵。

网络上可以找到很多写Makefile的资料，编译选项才是我们关注的焦点。

01/first.cry/Makefile

AS=as                     gcc汇编工具

LD=ld                     gcc连接器

.s.o:

    ${AS} -a $< -o $*.o >$*.map

all: final.img

final.img: bootsect

    mv bootsect final.img

bootsect: bootsect.o

    ${LD} --oformat binary -N -e start -Ttext 0x 7c 00 -o bootsect $<

讲解：ld可以被配置为支持多于一种的目标文件. binary表示没有程序头和其他信息，仅仅是一些裸数据。如果没有这个选项，将被默认链接为elf格式。-N把text和data节设置为可读写。-Ttext将text节起始地址设置为0x 7c 00（在jmp和数据引用等重定位链接时会用到这个参考值），所有的引用地址都是在 7c 00这个地址上加出来的。-e选项指定程序入口点

现在我们运行make指令编译一下：

[[email protected]~/source/os/skelix/01/first.cry]$ ls

bootsect.s  COPYING  Makefile

[[email protected]~/source/os/skelix/01/first.cry]$ make

as -a bootsect.s -o bootsect.o >bootsect.map

ld --oformat binary -N -e start -Ttext 0x 7c 00 -o bootsect bootsect.o

mv bootsect final.img

[[email protected]~/source/os/skelix/01/first.cry]$ ls

bootsect.map  bootsect.o  bootsect.s  COPYING  final.img  Makefile

[[email protected]~/source/os/skelix/01/first.cry]$

现在，我们启动vmware，运行，载入软驱映象文件"final.img"，我们得到一个黑屏，这是正确的，因为我们什么也没有做。

程序一：显示 Hello World!

好了，上面的黑屏程序并不是太好玩，现在我们尝试在上面打印"Hello World!"

01/hello.world/bootsect.s

        .text

        .globl  start

        .code16

start:

        jmp     code

msg:                                   使用jmp指令跳过该变量，这是我们为什么在Makefile使用-N链接选项了

        .string "Hello World!/x0"

code:

        movw    $0xb800,%ax

        movw    %ax,    %es            es段设置成B800，如前所述，segment:offset地址映射方式，它指向B8000，

                                       这意味着第一个字节地址是0（映射到B8000），属性字节是1（映射到B8001）

                                       B8001值设置为0x07可以将这个byte颜色设置为黑底白字。

        xorw    %ax,    %ax

        movw    %ax,    %ds

        movw    $msg,   %si            为movsb指令设置正确的si和di

        xorw    %di,    %di

        cld

        movb    $0x07,  %al            字的颜色

1:

        cmp     $0,    (%si)

        je      1f    

        movsb

        stosb

        jmp     1b

1:      jmp     1b

.org    0x1fe,  0x90

.word   0xaa55