Linux-0.11源代码阅读一 加载操作系统

x86系列CPU可以在16位实模式和32位保护模式下运行，实模式的特点是地址总线只有20位，也就是只有1MB的寻址空间，为了兼容老的CPU，Intel x86系列CPU包括最新的CPU在上电时都运行在16位的实模式下，同时在硬件上强行将CS置成0xF000，IP置成0xFFF0，那么CS:IP就指向0xFFFF0这个地址，也就是上电瞬间代码从该处开始执行，而BIOS恰恰就存储在这个地方，可以想象一下，如果连BIOS都没有将会是一个什么结果。

BIOS程序被存储在计算机主板上的一块ROM芯片里，首先BIOS程序会将启动盘中的第一个扇区512字节内容读取到内存的0x7C00地址处，并跳转到这个地方，而这个扇区内容正是boot/bootsect.s，这样CPU的控制权将从BOIS转移到操作系统这边来，来看代码：

entry start
start:
        mov     ax,#BOOTSEG
	mov     ds,ax
	mov     ax,#INITSEG
	mov     es,ax
	mov     cx,#256
	sub     si,si
	sub     di,di
	rep
	movw
	jmpi	go,INITSEG

BOOTSEG值为0x07c0，INITSEG值为0x9000，然后由movw指令将地址0x07C00的512字节内容复制到0x90000地址处，然后跳转到go这个标号处。

go:     mov     ax,cs
	mov     ds,ax
	mov     es,ax
! put stack at 0x9ff00.
	mov     ss,ax
	mov     sp,#0xFF00              ! arbitrary value >>512

从jmpi指令处可以看出段地址即cs的值为0x9000，那么这里ds、es和ss寄存器的值都为0x9000，sp的值为0xFF00，即栈指针指向了地址0x9FF00处。

第一阶段装载已经执行完成，接下来将执行第二阶段setup的装载，代码如下：

! load the setup-sectors directly after the bootblock.
! Note that ‘es‘ is already set up.

load_setup:
        mov     dx,#0x0000              ! drive 0, head 0
	mov     cx,#0x0002              ! sector 2, track 0
	mov     bx,#0x0200              ! address = 512, in INITSEG
	mov     ax,#0x0200+SETUPLEN     ! service 2, nr of sectors
	int     0x13                    ! read it
	jnc     ok_load_setup           ! ok - continue
	mov     dx,#0x0000
	mov     ax,#0x0000              ! reset the diskette
	int     0x13
	j       load_setup

第二阶段的setup代码从第2个扇区开始共4个扇区，通过int 0x13的中断处理函数将这4个扇区代码复制到地址0x90200，也就是紧跟在bootsect代码后面，如果复制成功，跳转到符号ok_load_setup处。

ah = 2	表示读扇区		al	读扇区数
ch	磁道号			cl	扇区号
dh	磁头号（对于软盘即面号）dl	驱动器号、例如0: 软驱A 1: 软驱B
es:bx	指向接收数据的缓冲区

接下来是ok_load_setup处，代码如下：

ok_load_setup:

! Get disk drive parameters, specifically nr of sectors/track

mov     dl,#0x00
mov     ax,#0x0800              ! AH=8 is get drive parameters
int     0x13
mov     ch,#0x00
seg cs
mov     sectors,cx
mov     ax,#INITSEG
mov     es,ax

调用int 13h中断例程读取驱动器参数，这里主要是读取磁道最大扇区数，读取结果包存在cl寄存器的低6位（0~5），然后将cx寄存器值存储在sectors标号处，重置es寄存器值为0x9000。

! Print some inane message

        mov     ah,#0x03                ! read cursor pos
	xor     bh,bh
	int     0x10

	mov     cx,#24
	mov     bx,#0x0007              ! page 0, attribute 7 (normal)
	mov     bp,#msg1
	mov     ax,#0x1301              ! write string, move cursor
	int     0x10

首先调用int 10h的中断例程读取光标的位置，然后还是调用int 10h的中断例程显示一条字符串"Loading system ..."。这里之所以要显示这么一条信息，是因为接下来加载system部分时间比较长，为了防止在加载期间用户误认为是机器故障而执行不适当的操作而显示了这么一条信息。

已经显示了一条信息，接下来就是加载system部分到内存0x10000地址处。

! ok, we‘ve written the message, now
! we want to load the system (at 0x10000)

        mov     ax,#SYSSEG
        mov     es,ax           ! segment of 0x010000
        call    read_it
        call    kill_motor

调用read_it子函数完成加载。

! This routine loads the system at address 0x10000, making sure
! no 64kB boundaries are crossed. We try to load it as fast as
! possible, loading whole tracks whenever we can.
!
! in:   es - starting address segment (normally 0x1000)
!
sread:  .word 1+SETUPLEN        ! sectors read of current track
head:   .word 0                 ! current head
track:  .word 0                 ! current track

read_it:
        mov ax,es
        test ax,#0x0fff
die:    jne die                 ! es must be at 64kB boundary
        xor bx,bx               ! bx is starting address within segment
rp_read:
        mov ax,es
        cmp ax,#ENDSEG          ! have we loaded all yet?
        jb ok1_read
        ret
ok1_read:
        seg cs
        mov ax,sectors
        sub ax,sread
        mov cx,ax
        shl cx,#9
        add cx,bx
        jnc ok2_read
        je ok2_read
        xor ax,ax
        sub ax,bx
        shr ax,#9
ok2_read:
        call read_track
        mov cx,ax
        add ax,sread
        seg cs
        cmp ax,sectors
        jne ok3_read
        mov ax,#1
        sub ax,head
        jne ok4_read
        inc track
ok4_read:
        mov head,ax
        xor ax,ax
ok3_read:
        mov sread,ax
        shl cx,#9
        add bx,cx
        jnc rp_read
        mov ax,es
        add ax,#0x1000
        mov es,ax
        xor bx,bx
        jmp rp_read

read_track:
        push ax
        push bx
        push cx
        push dx
        mov dx,track
        mov cx,sread
        inc cx
        mov ch,dl
        mov dx,head
        mov dh,dl
        mov dl,#0
        and dx,#0x0100
        mov ah,#2
        int 0x13
        jc bad_rt
        pop dx
        pop cx
        pop bx
        pop ax
        ret
bad_rt: mov ax,#0
        mov dx,#0
        int 0x13
        pop dx
        pop cx
        pop bx
        pop ax
        jmp read_track

从上面这一大段可以看到，主要是通过int 13h中断例程将system部分加载到内存地址0x10000处，system大小是192k。system部分加载完成之后，调用kill_motor子函数。

/*
 * This procedure turns off the floppy drive motor, so
 * that we enter the kernel in a known state, and
 * don‘t have to worry about it later.
 */
kill_motor:
	push dx
	mov dx,#0x3f2
	mov al,#0
	outb
	pop dx
	ret

kill_motor用于关闭软盘驱动器马达。

! After that we check which root-device to use. If the device is
! defined (!= 0), nothing is done and the given device is used.
! Otherwise, either /dev/PS0 (2,28) or /dev/at0 (2,8), depending
! on the number of sectors that the BIOS reports currently.

        seg cs
	mov     ax,root_dev
	cmp     ax,#0
	jne     root_defined
	seg cs
	mov     bx,sectors
	mov     ax,#0x0208              ! /dev/ps0 - 1.2Mb
	cmp     bx,#15
	je      root_defined
	mov     ax,#0x021c              ! /dev/PS0 - 1.44Mb
	cmp     bx,#18
	je      root_defined
undef_root:
	jmp undef_root
root_defined:
	seg cs
	mov     root_dev,ax

判断根文件系统设备是否被定义，如果已经被定义，则跳转到root_defined符号处，如果没有定义，然后根据磁道扇区数，来定义根文件系统设备，最后回写到root_dev处。

! after that (everyting loaded), we jump to
! the setup-routine loaded directly after
! the bootblock:

        jmpi    0,SETUPSEG

程序已经加载完成，根文件系统设备也已确定，跳转到setup代码处（0x90200）。

总结一下，这部分代码主要是将操作系统三个阶段代码从启动盘加载到内存中，最后跳转到第二阶段代码处。

参考书籍：

1. Linux内核设计的艺术

2. Linux内核完全注释 v3.0

Linux-0.11源代码阅读一 加载操作系统,古老的榕树,5-wow.com