linux引导程序解析
bootsect程序，驻留在磁盘的第一个扇区中（0磁道 0磁头 1 扇区）。在BIOS加点检测之后，该引导程序会自动地加载在内存的0x7c00处。
bootsect程序在运行时，会首先将自身移动到0x90000处开始执行，并将从第二个扇区开始的共4个扇区大小的setup程序移动到，紧紧挨着该程序的0x90200处。
然后会使用BIOS中断int13 取当前引导盘的参数，接着在屏幕上显示Loading System的字符串，最后把磁盘上setup后面的system模块加载到内存0x10000开始的地方。随后确定根文件系统的设备号，若没有指定，则根据所保存的引导盘的每磁道扇区数目，判断出盘的类型和种类，并保存在设备号root_dev中。
最后长跳转到setup程序的开始处，执行setup程序。
下面为分析的源代码：
!SYSSIZE = 0x3000
.global begtext , begdata , begbss , endtext , enddata , endbss .text begtext: .data begdata: .bss begbss: .text
SETUPLEN = 4 ! nr of setup-sectors BOOTSEG = 0x07c0 INITSEG = 0x9000 SETUPSEG = 0x9020 SYSSEG = 0x1000
ENDSEG = SYSSEG + SYSSIZE ROOT_DEV = 0x306
entry start start:
!将bootsect自身移动到0x90000处，并跳转开始执行 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
!跳转过后修改段寄存器 go:
mov ax , cs mov ds , ax mov es , ax mov ss , ax mov sp , #0xFF00
!利用BIOS中断INT 13将 setup模块，从磁盘第2个扇区开始读到0x90200开始处，共读4个扇区
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 + SETUP_LEN ! service 2 , nr of sectors int 0x13
jnc ok_load_setup
mov dx , #0x0000 !出错则重新执行加载程序 mov ax , #0x0000 int 0x13 j load_setup
!利用int13 中断，得到磁盘驱动器的参数，特别是每道磁道的扇区数量 mov ax , 0x0800 mov dl , 0x00 int 0x13
!重新设置es的值 mov sectors , cx
mov ax , #INITSEG mov es , ax
!print some message
mov ah , #0x03 !读光标位置，返回光标位置在dx中 xor bh , bh int 0x10
mov cx , #24 mov bx , #0x0007 mov bp , #msg1 mov ax , #0x1301 int 0x10
! ok we have written the message ,现在开始将system模块加载到0x10000开始处 mov ax , #SYSSEG mov es , ax
call read_it !读磁盘上system模块，es为输入参数 call kill_motor !关闭马达
!确定根文件系统所在的设备号 seg cs
mov ax , root_dev cmp ax , #0 jne root_defined seg cs
mov bx , sectors mov ax , #0x0208 cmp bx , #15 je root_defined mov ax , #0x021c cmp bx , #18 je root_defined undef_root: jmp undef_root root_defined: seg cs
mov root_dev , ax
jmpi 0 , SETUPSEG !此处跳进setup程序
!下面是将system模块加载进内存的子函数
sread: .word 1 + SETUPLEN !sectors read of current track head: .word 0 track: .word 0
!保证es在64kb处 read_it : mov ax , es test ax , #0xfff die: jne die xor bx , bx
rp_read: !接着判断是否已经读入全部的数据，比较当前所读的段是否就是系统数据末端所处的段
mov ax , es !如果不是，就跳转至下面的ok1标号处继续读数据 cmp ax , #ENDSEG jb ok1_read
ret !如果到达了系统末端，就结束此循环
ok1_read: !计算和验证当前磁道上需要读取的扇区数目，放在ax寄存器中，根据当前磁道还未读取的扇区数和
!段内数据字节开始偏移的位置，计算如果全部读取这些未读扇区，所读的字节是否会超过64kb的限制
!若会超过，则根据此次最多能读入的字节数，反算出需要读取的扇区数。 seg cs
mov ax , sectors !取每磁道的扇区数 sub ax , sread !减去当前磁道已读扇区数 mov cx , ax !cx = ax 为当前磁道的未读扇区数 shl cx , #9 !当前未读的字节数
add cx , bx !此次操作之后，段内偏移地址现在的值 jnc ok2_read !若没有超过64kb,则跳转至ok2_read je ok2_read
!若加上此次将读取的磁道上所有未读扇区时会超过64kb，则反算出 可以最多加载多少 扇区数目 xor ax , ax sub ax , bx
shr ax , #9 !转换成扇区数目
ok2_read:
!读当前磁道上指定开始扇区(cl)和需读扇区数(al)的数据到es:bx开始处。然后将磁道上已经读取的扇区数目
!与磁道最大扇区数sectors作比较，如果小于sectors说明当前磁道上还有扇区未读 call read_track
mov cx , ax !cx等于当前操作以读扇区数目 add ax , sread !加上当前磁道已读扇区数目 seg cs
cmp ax , sectors !如果当前磁道上还有扇区未读，则跳转到ok3_read jne ok3_read
!如果该磁道的当前磁头面所有扇区已经读完，则读该磁道的下一磁头面(1号磁头)上的数据,如果已经读完则去读下一磁道 mov ax , #1
sub ax , head !判断当前的磁头号，如果是0磁头，则去读1磁头 jne ok4_read !读1号磁头 inc track !读下一磁道 ok4_read:
mov head , ax !保存当前的磁头号 xor ax , ax !清除当前磁道的已读扇区数 ok3_read:
!如果当前磁道上还有未读的扇区，则首先保存当前磁道的已读扇区数目，然后调整存放数据的开始位置，若小于64kb边界值 !则跳转到rp_read处，继续读数据
mov sread , ax !保存当前磁道的已读扇区数 shl cx , #9 !上次已读扇区数*512字节 add bx , cx !调整当前段内数据开始位置 jnc rp_read
!否则说明已经读取64kb数据，此时调整当前段，为读下一段数据作准备 mov ax , es
add ax , #0x1000 mov es , ax xor bx , bx jmp rp_read
!read_track 子程序，读当前磁道上指定开始扇区和需读扇区数的数据到es:bx开始处。 !int 0x13 , ah =2 ,al=需读扇区数，es:bx 缓冲区开始位置
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
!关闭软驱马达的子程序 kill_motor: push dx
mov dx , #0x3f2 mov al , #0 outb pop dx ret
sectors:
.word 0 !存放当前启动软盘每磁道的扇区数 msg1: .byte 13 , 10
.ascii \.byte 13 , 10 , 13 ,10 .org 508 root_dev:
.word ROOT_DEV !这里存放根文件系统的所在设备号 boot_flag: .word 0xAA55 .text endtext: .data enddata: .bss endbss:
\
2 setup.s程序分析
setup.s是一个操作系统的加载程序，他的主要作用就是利用BIOS的读取机器系统数据，并将这些数据保存到0x90000开始的位置，(覆盖了bootsect程序所在的地方)。这些参数将被内核中相关程序使用。参数诸如光标位置 ，显存等信息。
然后setup程序将system模块从 0x10000-0x8ffff(任务system模块不会超过512kb) ，整体移动到绝对内存地址为0x0000处。
接着加载中断描述表寄存器idtr和全局描述表寄存器gdtr， 开启A20地址线，重新设置两个中断控制芯片8259A，将硬件中断号重新设置为0x20---0x2f。最后设置CPU的控制寄存器CR0，从而进入32位保护模式运行，并跳入到system模块最前面部分的head.s程序继续运行。 为了能让head.s在32位保护模式下运行，在本程序临时设置了中断描述符表(IDT)和全局描述符表(GDT),
在GDT中设置了当前代码段的描述符和数据段的描述符，在head.s中会重新设置这些描述符表。必须使用lgdt把描述符表的基地址告知CPU,再将机器状态字置位即可进入32位保护模式。
INITSEG = 0x9000 !we move boot here SYSSEG = 0x1000
SETUPSEG = 0x9020 !本程序所在的段地址
.global begtext , begdata , begbss , endtext , enddata , endbss .text begtext: .data begdata: .bss begbss: .text
entry start start:
!保存光标位置已备以后需要
!这段代码使用BIOS中断取屏幕当前的光标位置，然后保存在内存0x90000处就可以使用 mov ax , #INITSEG mov ds , ax mov ah , #0x03 xor bh , bh
int 0x10 !利用BIOS中断 将当前光标位置存档到 dx mov [0] , dx !将光标位置存放在0x90000处
!得到内存的大小值
!利用BIOS中断0x15功能号 ah=0x88取系统所含扩展内存大小并保存在内存0x90002处。 mov ah , #0x88 int 0x15 mov [2] , ax
!得到显示卡的属性
!调用BIOS中断0x10,功能号ah=0x0f
!返回:ah=字符列数;al=显示模式;bh=当前显示页
!0x90004存放当前页 ，0x90006存放显示模式,0x90007存放字符列数
mov ah , #0x0f int 0x10
mov [4] , bx !bh=display page
mov [6] , ax !al =video mode , ah = window width
!检查显示方式并取参数 mov ah , #0x12 mov bl , #0x10 int 0x10 mov [8] , ax mov [10] , bx mov [12] , cx
!取得第一个硬盘的信息 mov ax , #0x0000 mov ds , ax lds si , [4 * 0x41] mov ax , #INITSEG mov es , ax mov di , #0x0080 mov cx , #0x10 rep movsb
!取得第二个硬盘 mov ax , #0x0000 mov ds , ax
lds si , [4 * 0x46] !取中断向量0x46的值，即hd1的参数值 ------> ds:si mov ax , #INITSEG mov es , ax
mov di , #0x0090 !传输目的地址 0x9000:0x0090 mov cx , #0x10 rep movsb
!检查系统是否有第二个硬盘 mov ax , #0x01500 mov dl , #0x81 int 0x13 jc no_disk1 cmp ah , #3 je is_disk1
no_disk1: !第二块硬盘不存在，所以清空参数表 mov ax , #INITSEG mov es , ax mov di , #0x0090 mov cx , #0x10 mov ax , #0x00 rep stosb is_disk1:
!从此开始进入了保护模式 cli
!首先把system模块移动到正确的位置
mov ax , #0x0000 cld do_move: mov es , ax add ax , #0x1000
cmp ax , #0x9000 jz end_move mov ds , ax sub di , di sub si , si
mov cx , #0x8000 rep movsw jmp do_move
end_move:
!在此处加载段描述符表，这里需要设置全局描述符表和中断描述符表 mov ax , #SETUPSEG mov ds , ax lidt idt_48 lgdt gdt_48
!打开A20地址线 call empty_8042 mov al , #0xD1 out #0x64 , al
call empty_8042 mov al , #0xDF out #0x60 , al call empty_8042
!8259芯片主片端口是0x20 - 0x29 ,从片的端口是0xA0 - 0xA9 。 mov al , #0x11 out #0x20, al
.word 0x00eb , 0x00eb out #0xA0 , al
.word 0x00eb , 0x00eb
!8259芯片设置中断号从0x20开始
mov al , #0x20 out #0x21 , al
.word 0x00eb , 0x00eb mov al , #0x28 out #0xA1 , al
.word 0x00eb , 0x00eb mov al , #0x04 out #0x21 , al
.word 0x00eb, 0x00eb mov al , #0x02 out #0xA1 , al
.word 0x00eb, 0x00eb mov al , #0x01 out #0x21 , al
.word 0x00eb , 0x00eb out #0xA1 , al
.word 0x00eb , 0x00eb mov al , #0xFF out #0x21 , al
.word 0x00eb , 0x00eb out #0xA1 , al
!下面设置并进入32位保护模式运行，首先加载机器状态字，也称控制寄存器cr0 !在设置该bit之后，随后的一条指令必须是一条段间跳转指令，一用于刷新当前指令队列 !因为CPU在执行一条指令之前就已经从内存读取该指令并对其进行解码。
mov ax , #0x0001 lmsw ax jmpi 0,8
!下面这个子程序检查键盘命令队列是否为空 empty_8042:
.word 0x00eb , 0x00eb in al , #0x64 test al , #2 jnz empty_8042 ret
!全局描述符表开始处 gdt:
.word 0,0,0,0
!代码段选择符的值 .word 0x07FF .word 0x0000 .word 0x9A00 .word 0x00C0
!数据段选择符的值 .word 0x07FF .word 0x0000 .word 0x9200 .word 0x00C0 idt_48: .word 0 .word 0 , 0 gdt_48: .word 0x800
.word 512 + gdt , 0x9 .text endtext: .data enddata:
.bss endbss:
三 head.s程序 功能描述：
head.s程序在被编译生成目标文件之后会与内核其他程序一起被链接成system模块，位于system模块最前面，所以称之为head程序的原因。system模块将被放置在磁盘上setup模块之后开始的扇区中，即从磁盘上第6个扇区开始位置。 linux内核一般大约有120KB ，在磁盘上大概占用240个扇区。
之后我们将在保护模式下编程，head.s使用 as 和ld 编译器和连接器。 这段程序实际上处于绝对地址0处开始的地方，首先是加载各个数据段寄存器，重新设置中断描述符表idt,共256项，并使各个表项指向一个只报错误的哑中断子程序 ignore_int。
在设置了中断描述符表之后，本程序又重新设置了全局段描述符表gdt，主要是把gdt表设置在比较合理的地方，接着设置管理内存的分页处理机制，将页目录表放在绝对物理地址0开始处，紧随后边将放置可以寻址16MB内存的4个页表，并设置它们的表项。
最后，head.s 程序利用返回指令将预先放置在堆栈中的 main.c程序的入口地址弹出，去执行main()程序。
以下是部分代码分析
(1)首先是建立IDT和GDT表
#建立IDT表
setup_idt:
lea ignore_int , íx movl $0x00080000 , êx movw %dx , %ax movw $0x8E00 , %dx lea _idt , íi
mov $256 , ìx
rp_sidt:
movl êx , (íi) #eax的高16位是选择符 ，低16位是段内偏移的低16位 movl íx , 4(íi) #edx的高16位是段内偏移地址的高16位，低16位是权限位 addl $8 , íi
dec ìx #重复设置总共256个中断描述符 jne rp_sidt
lidt idt_descr #加载中断描述符表寄存器 ret
setup_gdt:
lgdt gdt_descr #加载全局描述符表寄存器 ret
由代码可知， 256个idt均指向了一个哑中断ignore_int，加载gdt的过程更简单，只是将gdt描述符表的基地址加载进gdtr寄存器。
(2) 页目录表和页表之间的映射
在linux1.1中 ， 在绝对内存地址的0x000000处是一个大小为4k的页目录表，然后在内存0x1000,0x2000,0x3000,0x4000处分别是4个页表的首地址，也就是说linux0.11仅仅能访问16M的 内存空间，内存映射的算法如下： 首先在内存0x00000即页目录表设置4个页表首地址，注意添加权限属性。 然后从最后一个页表的最后一个表项，倒序的将物理地址添加进页表中，最后一个页表项的内容是 64M - 4096 + 7 (7表示页面在内存，且用户可读可访问)。
.align 2
setup_paging: #首先为5页内存进行清空处理 #1个页目录表，4个页表 movl $1024 * 5 , ìx xorl êx , êx xorl íi , íi
cld ; rep ; stosl
#页目录中只需要4个页目录, 7是属性，表示该页存在内存中，且用户可以访问 movl $pg0 + 7 , _pg_dir movl $pg1 + 7 , _pg_dir + 4
movl $pg2 + 7 , _pg_dir + 8 movl $pg3 + 7 , _pg_dir + 12
#从最后一项 倒序的写入
movl $pg3 + 4092 , íi #最后一页的最后一项 movl $0xfff007 , êx #16M - 4096 +7 std stosl
subl $0x1000 , êx jge 1b
#设置页目录表基址寄存器cr3的值，指向页目录表。cr3中保存的是页目录表的物理地址 xorl êx , êx movl êx , %cr3 #设置启动分页处理 movl %cr0 , êx
orl %0x80000000 , êx movl êx , %cr0
#该返回指令执行先前压入堆栈的main函数的入口地址 ret
(3)head中还需要为程序跳转进main函数作准备，当完成了页面设置的时候，上面代码的最后一句ret，即
完成了跳入main函数中继续执行。 设置main函数的代码如下:
.org 0x5000 #定义下面的内存数据块从偏移0x5000处开始
_tmp_floppy_area:
.fill 1024 , 1 ,0 #共保留1024项，每项1字节，
#下面这些代码为跳转到main函数中，做准备
after_page_tables:
pushl $0 #这些是main函数的参数 pushl $0 pushl $0
pushl $L6 #main函数的返回地址
pushl $_main #_main 是编译程序对main的内部表示法 jmp setup_paging #跳转到建立页表映射 L6: jmp L6
可以看出执行完setup_paging之后的ret指令，将把_main 加载进 指令寄存器，进行执行。
(4)完整的代码如下
.text
.global _idt , _gdt , _pg_dir , _tmp_floppy_area _pg_dir: #页目录将会设置在这里，所以该程序会被覆盖掉
startup_32:
movl $0x10 , êx #0x10已经是全局描述符的在描述符表中的偏移值 mov %ax , %ds mov %ax , %es mov %ax , %fs mov %ax , %gs
lss _stack_start , %esp #设置_stack_start----->ss:esp
call setup_idt #调用设置中断描述符表的子程序 call setup_gdt #调用设置全局描述符表的子程序
movl $0x10 , êx #重新加载所有的段寄存器 mov %ax , %ds mov %ax , %es mov %ax , %fs
mov %ax , %gs
lss _stack_start , %esp
#以下代码用来测试A20地址线是否已经打开，采用的方法是向内存0x000000处写入任意的一个数值
#然后看内存地址0x100000是否也是这个数值，如果一样的话，就说明A20地址线没有打开
xorl êx , êx 1: incl êx
movl êx , 0x000000 #地址就不需要加$ cmpl êx , 0x100000 je 1b
movl %cr0 , êx # andl $0x80000011 , êx orl $2 , êx movl êx , %cr0 call check_x87
jmp after_page_tables
check_x87:
fninit #向协处理器发送初始化命令 fstsw %ax cmpb $0 , %al je 1f
movl %cr0 , êx xorl $6 , êx movl êx , %cr0 ret .align 2
1: .byte 0xDB , 0xE4
#建立IDT表
setup_idt:
lea ignore_int , íx movl $0x00080000 , êx movw %dx , %ax movw $0x8E00 , %dx lea _idt , íi mov $256 , ìx
rp_sidt:
movl êx , (íi) #eax的高16位是选择符 ，低16位是段内偏移的低16位 movl íx , 4(íi) #edx的高16位是段内偏移地址的高16位，低16位是权限位 addl $8 , íi
dec ìx #重复设置总共256个中断描述符 jne rp_sidt
lidt idt_descr #加载中断描述符表寄存器 ret
setup_gdt:
lgdt gdt_descr #加载全局描述符表寄存器 ret
#这里设置四张页表，可以用来方位16M的内存空间
#每个页表大小为4k，每项为4字节，一张页表可以映射1024 * 4kb的内存空间 ，即4M .org 0x1000 pg0:
.org 0x2000 pg1:
.org 0x3000 pg2:
.org 0x4000 pg3:
.org 0x5000 #定义下面的内存数据块从偏移0x5000处开始
_tmp_floppy_area:
.fill 1024 , 1 ,0 #共保留1024项，每项1字节，
#下面这些代码为跳转到main函数中，做准备
after_page_tables:
pushl $0 #这些是main函数的参数 pushl $0 pushl $0
pushl $L6 #main函数的返回地址
pushl $_main #_main 是编译程序对main的内部表示法 jmp setup_paging #跳转到建立页表映射 L6: jmp L6
#下面是默认的中断向量句柄 int_msg:
.asciz \.align 2 ignore_int: pushl êx pushl ìx pushl íx
push %ds #入栈占4个字节 push %es push %fs
movl $0x10 , êx mov %ax , %ds mov %ax , %es mov %ax , %fs
pushl $int_msg #向printk函数传递参数 call _printk #该函数在/kernel/printk.c中
! gdt -- 描述符表的主要作用是将应用程序的逻辑地址转换为线性地址。 gdt:
!///////////////////////////////////////////////////// .word 0,0,0,0 ! dummy，第一个描述符，不可用， ! 主要适用于保护。
!///////////////////////////////////////////////////// !///////////////////////////////////////////////////////
! 系统代码段描述符。加载代码段时，使用这个偏移量。段描述符 ! 一共64位。描述如下 : ! 0 -- 15 limit字段决定段的长度
! 16 -- 39 56 -- 63段的首字节的线性地址 ! 40 -- 43 描述段的类型和存取权限 ! 44 系统标志；如果被清0，则是系统端。
! 45 -- 46 dpl 描述符的特权级；用于限制这个段的存取。它表示 ! 为访问这个段而要求的cpu的最小优先级。 ! 47 -- 1 ! 48 -- 51
! 52 被linux忽略。 ! 53 -- 0 ! 54 -- d/s ! 55 -- g 力度标志 !
.word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb) .word 0x0000 ! base address=0 .word 0x9A00 ! code read/exec .word 0x00C0 ! granularity=4096, 386 !
! 从高地址到低地址为 00c0 9a00 0000 07ff ! 那么断脊地址就是00 00 0000 ! 偏移量是 07ff ! 描述符为 07ff !
!/////////////////////////////////////////////////////// !///////////////////////////////////////////////////////
! 系统数据段描述符。当加载数据段寄存器时使用的是这个偏移量。 .word 0x07FF ! 8Mb - limit=2047 (2048*4096=8Mb) .word 0x0000 ! base address=0 .word 0x9200 ! data read/write .word 0x00C0 ! granularity=4096, 386
!////////////////////////////////////////////////////// idt_48:
.word 0 ! idt limit=0 .word 0,0 ! idt base=0L
gdt_48:
.word 0x800 ! gdt limit=2048, 256 GDT entries .word 512+gdt,0x9 ! gdt base = 0X9xxxx
!///////////////////////////////////////////////////////////////// .text endtext: .data enddata: .bss endbss: