Linux开机过程的分析
技巧管理员(2000-12-25 10:10)
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这篇文章的目的，在将linuxkernel的boot部份做一个介绍，因为笔者觉得很少有这样的文章介绍一个作业系统最最开始的一步--把kernel本身载入至内存中，同时进行一些机器相关(machinedependent)的初始化工作，由于linux刚好使用的是大家最熟悉的386，486系列PC，所以在说明其程序流程时，也刚好可以对其相关的PC硬体架构做探讨，可以说是一举两得，不过，我必须假设读者对于组合语言及PC最基础的架构，如寄存器，分段，分页，中断服务等有大概的认识。
读者可在linuxsourcecode的/boot子目录下找到几个以.S作为副档名的组合语言档，本文要说明的即是其中的bootsect.S及setup.S两个档案，及尽量简单的说明其所牵涉的相关硬体部份。
bootsect.S
这个程序是linuxkernel的第一个程序，包括了linux自己的bootstrap程序，但是在说明这个程序前，必须先说明一般IBMPC开机时的动作(此处的开机是指"打开PC的电源"):
一般PC在电源一开时，是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROMBIOS中，ROMBIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中)，而此处的内容则是一个jump指令，jump到另一个位于ROMBIOS中的位置，开始执行一系列的动作，包括了检查RAM，keyboard，显示器，软硬磁盘等等，这些动作是由系统测试码(systemtestcode)来执行的，随着制作BIOS厂商的不同而会有些许差异，但都是大同小异，读者可自行观察自家机器开机时，萤幕上所显示的检查讯息。
紧接着系统测试码之后，控制权会转移给ROM中的启动程序(ROMbootstraproutine)，这个程序会将磁盘上的零道零扇区读入内存中(这就是一般所谓的bootsector，如果你曾接触过电脑病毒，就大概听过它的大名)，至于被读到内存的哪里呢?--绝对位置07C0:0000(即07C00h处)，这是IBM系列PC的特性。而位在linux开机磁盘的bootsector上的正是linux的bootsect程序，也就是说，bootsect是第一个被读入内存中并执行的程序。现在，我们可以开始来看看到底bootsect做了什么。
第一步
首先，bootsect将它"自己"从被ROMBIOS载入的绝对地址0x7C00处搬到0x90000处，然后利用一个jmpi(jumpindirectly)的指令，跳到新位置的jmpi的下一行去执行，关键的assemblycode如下:
.
(搬移bootsect本身)
.
.
jmpigo,INITSEC
go:
.
.
.
表示将跳到CS为0x9000，IP为offset"go"的位置(CS:IP=0x9000:offsetgo)，其中INITSEC=0x9000定义于程序开头的部份，而go这个label则恰好是下一行指令所在的位置。
第二步
接着，将其它segmentregisters包括DS，ES，SS都指向0x9000这个位置，与CS看齐。另外将SP及DX指向一任意位移地址(offset)，这个地址等一下会用来存放磁盘参数表(diskpara-metertable)
提到磁盘参数表，就必须提到BIOS中断1Eh。先简单的介绍一下BIOS的中断服务:80x86将内存最低的256*4byte保留给256个中断向量(每个interruptvector大小为4byte，所以一共有256*4=1024byte)，而其中的第1Eh个向量指向"磁盘参数表"，这个表会告诉电脑如何去读取磁盘机，而我们所要做的事是搬移磁盘参数表到刚才所设定的任意地址。
接着，改变搬移来的参数表的参数，以符合我们的需要。再将中断向量1Eh指向我们所修改过的磁盘参数表，然后呼叫BIOSinterrupt的int13h(function0，即AH=0)重置磁盘控制卡及磁盘驱动器，之后磁盘机就会照我们的意思动作了。如果你曾trace过DOS的kernel，你会发现，上述的动作在DOS中也有类似的对应流程。
现在让我们来看看关键的程序码:.
.
.
push#0
popfs
movbx,#0x78
.
(使GS:SI=FS:BX，指向磁盘参数表，
再将GS:SI所指地址的内容搬移6个
word至ES:DI所指的地址)
.
.
此段程序是将FS:BX调整成0000:0078，接着再将GS:SI的内容设成与FS:BX相同，此处0x78h即为int1Eh的起始位置(7*16+8=120,(1*16+14)*4=120)。调整ES:DI为刚才所设定的任意地址，从GS:SI搬移6个word(即12byte)到ES:DI所指的位置，显然磁盘参数表的长度就是6个word，(不过事实上，磁盘参数表的确实长度是11个byte)。关于磁盘参数表，有兴趣的读者可自行参阅讲述BIOSinterruptservices的技术手册，会有详细的说明。
读者可以用debug自行观察自家机器上DOS的磁盘参数表的起始位置(即int1Eh的内容)。以下是笔者机器的情形(笔者使用的作业系统是MSDOS6.2):
C:>debug
-d0000:0000
0000:00008A101601F4067000-1600CB04F4067000......p.......p.
0000:0010F40670000301790E-43EB00F0EBEA00F0..p...y.C.......
0000:002004108E340C118E34-5700CB046F00CB04...4...4W...o...
0000:00308700CB0408079433-B700CB04F4067000.......3......p.
0000:00400C01790E4DF800F0-41F800F0BA165F06..y.M...A....._.
0000:005039E700F01B01790E-70118E341201790E9.....y.p..4..y.
0000:006000E000F085175F06-6EFE00F0EE067000......_.n.....p.
0000:007053FF00F0A4F000F0-220500003E4600C0S......."...>F..
^^^^^^^^
由上图中可知，在DOS中磁盘参数表的起始位置(int1Eh的内容)为0000:0522。接着观察DOS中位置0000:0522开始的11个byte，也就是磁盘参数表的内容
C:>debug
-d0000:0520l10
0000:05204D53DF022502121B-FF54F60F08000000MS..%....T......
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
此11byte即为磁盘参数表的内容(分别是byte00h到0Ah)
在程序中我们所更动的是第五个byte(byte04h)，改为18h(在上图例子中为12h)，这个byte的功能是定义磁轨上一个磁区的资料笔数。关键的程序码如下:
.
movb4(di),*18
.
第叁步
接着利用BIOS中断服务int13h的第0号功能，重置磁盘控制器，使得刚才的设定发挥功能。
.
.
xorah,ah
xordl,dl
int0x13
.
.
第四步
完成重置磁盘控制器之后，bootsect就从磁盘上读入紧邻着bootsect的setup程序，也就是以后将会介绍的setup.S，此读入动作是利用BIOS中断服务int13h的第2号功能。setup的image将会读入至程序所指定的内存绝对地址0x90200处，也就是在内存中紧邻着bootsect所在的位置。待setup的image读入内存后，利用BIOS中断服务int13h的第8号功能读取目前磁盘机的参数。
第五步
再来，就要读入真正linux的kernel了，也就是你可以在linux的根目录下看到的"vmlinuz"。在读入前，将会先呼叫BIOS中断服务int10h的第3号功能，读取游标位置，之后再呼叫BIOS中断服务int10h的第13h号功能，在萤幕上输出字符串"Loading"，这个字符串在bootlinux时都会首先被看到，相信大家应该觉得很眼熟吧。
linux的kernel将会被读入至内存绝对地址0x10000处，键关的程序码如下:
.
.
movax,#SYSSEG
moves,ax
callread_it
callkill_motor
.
.
其中SYSSEG于程序开头时定义为0x1000，先将ES内容设为0x1000，接着在read_it这个子程序便以ES为目的地的节地址，将kernel读入内存中，至于read_it子程序的详细内容笔者并不想一一介绍，不过聪明的读者们应该已经猜到，read_it一定又利用了BIOSint13h与磁盘有关的I/O中断服务了。
至于kill_motor子程序，它的功能在于停止软盘机的马达(各位聪明的读者会不会觉得这个子程序的名称取得颇为传神呢?)，其程序码如下:
.
.
kill_motor:
pushdx
movdx,#0x3f2
xoral,al
outb
popdx
ret
.
.
首先利用DX指定要输出的port，而03f2这个port则是代表了软盘控制器(floppydiskcontroller)的所在，再利用outb将资料送出，而我们送出的资料，当然就是归零过的AL了。如此一来，软盘的马达就停止了。
第六步
接下来做的事是检查rootdevice，之后就仿照一开始的方法，利用indirectjump跳至刚刚已读入的setup部份，程序码如下:
.
.
jmpi0,SETYPSEG
其中SETUPSEG已在先前定义为0x9020，所以CS:IP会设定为9020:0000，即跳到绝对地址为0x90200，也就是setup的起点。而bootsect也大功告成了。
到此为止，内存的内容应该如下图所示:
比较
把大家所熟知的MSDOS与linux的开机部份做个粗浅的比较，MSDOS由位于磁盘上bootsector的boot程序负责把IO.SYS载入内存中，而IO.SYS则负有把DOS的kernel--MSDOS.SYS载入内存的重责大任。而linux则是由位于bootsector的bootsect程序负责把setup及linux的kernel载入内存中，再将控制权交给setup。
至于setup.S，就留到下一次再来讨论了。
