lab1 系统启动 bios加载 bootloader加载
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了lab1 系统启动 bios加载 bootloader加载相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
前置知识
启动地址：CS和EIP结合决定启动地址(一开点，cs和eip就设置的值，值决定在哪个地址取指令地址)
cs隐含一个base的内容，base为基址，base+eip就是地址，而加电后访问地址的内存是bios，会看到从一开始的地址跳一个很大的地址然后到一个可以访问1M的内存空间去执行（实模式寻址空间为1M）
bios做硬件初始化工作，固件加载存储设备的第一个扇区，的512字节到内存的0x7c00.。。。。，同时也跳到这个地址，然后就从0x7c00……开始执行这个bootloader。bios的工作问题，只能加载扇区，不能加载OS
bootloader执行后这时就从实模式的16位寻址到正常32为寻址，1M的寻址空间变到4G的寻址空间。也就是从实模式到保护模式了，就enable了，段机制就开启
从硬盘上读ucore的代码，存放内存中固定位置
跳转到ucore os的入口点，也就是eip跳到这
函数调用栈
看之前堆栈博客
gcc内联汇编
实际上就是和之前shellcode差不多
实验目的
用bootloader加载操作系统，这个bootloader要求切换到x86模式并且可以显示字符，整个bootloader执行代码小于512字节，这样才能放到硬盘的主引导扇区中
如何寻址，如何对内存进行编址，基于内存管理
CPU中断机制
[练习1.1] 操作系统镜像文件 ucore.img 是如何一步一步生成的?(需要比较详细地解释 Makefile 中
每一条相关命令和命令参数的含义,以及说明命令导致的结果)
+ cc kern/init/init.c
gcc -Ikern/init/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/init/init.c -o obj/kern/init/init.o
kern/init/init.c:95:1: warning: ‘lab1_switch_test’ defined but not used [-Wunused-function]
lab1_switch_test(void) {
^
+ cc kern/libs/readline.c
gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/readline.c -o obj/kern/libs/readline.o
+ cc kern/libs/stdio.c
gcc -Ikern/libs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/libs/stdio.c -o obj/kern/libs/stdio.o
+ cc kern/debug/kdebug.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kdebug.c -o obj/kern/debug/kdebug.o
kern/debug/kdebug.c:251:1: warning: ‘read_eip’ defined but not used [-Wunused-function]
read_eip(void) {
^
+ cc kern/debug/kmonitor.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/kmonitor.c -o obj/kern/debug/kmonitor.o
+ cc kern/debug/panic.c
gcc -Ikern/debug/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/debug/panic.c -o obj/kern/debug/panic.o
+ cc kern/driver/clock.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/clock.c -o obj/kern/driver/clock.o
+ cc kern/driver/console.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/console.c -o obj/kern/driver/console.o
+ cc kern/driver/intr.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/intr.c -o obj/kern/driver/intr.o
+ cc kern/driver/picirq.c
gcc -Ikern/driver/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/driver/picirq.c -o obj/kern/driver/picirq.o
+ cc kern/trap/trap.c
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trap.c -o obj/kern/trap/trap.o
kern/trap/trap.c:14:13: warning: ‘print_ticks’ defined but not used [-Wunused-function]
static void print_ticks() {
^
kern/trap/trap.c:30:26: warning: ‘idt_pd’ defined but not used [-Wunused-variable]
static struct pseudodesc idt_pd = {
^
+ cc kern/trap/trapentry.S
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/trapentry.S -o obj/kern/trap/trapentry.o
+ cc kern/trap/vectors.S
gcc -Ikern/trap/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/trap/vectors.S -o obj/kern/trap/vectors.o
+ cc kern/mm/pmm.c
gcc -Ikern/mm/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Ikern/debug/ -Ikern/driver/ -Ikern/trap/ -Ikern/mm/ -c kern/mm/pmm.c -o obj/kern/mm/pmm.o
+ cc libs/printfmt.c
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -c libs/printfmt.c -o obj/libs/printfmt.o
//调用了gcc把.c文件变成了目标文件.o
+ cc libs/string.c
gcc -Ilibs/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -c libs/string.c -o obj/libs/string.o
+ ld bin/kernel
//ld把目标文件转化成执行程序bootloader.out
ld -m elf_i386 -nostdlib -T tools/kernel.ld -o bin/kernel obj/kern/init/init.o obj/kern/libs/readline.o obj/kern/libs/stdio.o obj/kern/debug/kdebug.o obj/kern/debug/kmonitor.o obj/kern/debug/panic.o obj/kern/driver/clock.o obj/kern/driver/console.o obj/kern/driver/intr.o obj/kern/driver/picirq.o obj/kern/trap/trap.o obj/kern/trap/trapentry.o obj/kern/trap/vectors.o obj/kern/mm/pmm.o obj/libs/printfmt.o obj/libs/string.o
+ cc boot/bootasm.S
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootasm.S -o obj/boot/bootasm.o
+ cc boot/bootmain.c
gcc -Iboot/ -fno-builtin -Wall -ggdb -m32 -gstabs -nostdinc -fno-stack-protector -Ilibs/ -Os -nostdinc -c boot/bootmain.c -o obj/boot/bootmain.o
+ cc tools/sign.c
gcc -Itools/ -g -Wall -O2 -c tools/sign.c -o obj/sign/tools/sign.o
gcc -g -Wall -O2 obj/sign/tools/sign.o -o bin/sign
+ ld bin/bootblock
ld -m elf_i386 -nostdlib -N -e start -Ttext 0x7C00 obj/boot/bootasm.o obj/boot/bootmain.o -o obj/bootblock.o
'obj/bootblock.out' size: 472 bytes
build 512 bytes boot sector: 'bin/bootblock' success!
dd if=/dev/zero of=bin/ucore.img count=10000
//dd把bootloader放到一个生成的虚拟的硬盘里面ucore.img基于虚拟硬盘中的数据来执行相应的代码
10000+0 records in
10000+0 records out
5120000 bytes (5.1 MB) copied, 0.0356994 s, 143 MB/s
dd if=bin/bootblock of=bin/ucore.img conv=notrunc
1+0 records in
1+0 records out
512 bytes (512 B) copied, 8.6877e-05 s, 5.9 MB/s
dd if=bin/kernel of=bin/ucore.img seek=1 conv=notrunc
138+1 records in
138+1 records out
70775 bytes (71 kB) copied, 0.000233565 s, 303 MB/s
生成两个软件，一个是bootblock，另一个是kernel，kernel就是我们的ucore，生成这两个文件才能生成ucore.img镜像
[练习1.2] 一个被系统认为是符合规范的硬盘主引导扇区的特征是什么?
看一下sign.c文件
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
int
main(int argc, char *argv[]) {
struct stat st;
if (argc != 3) {
fprintf(stderr, "Usage: <input filename> <output filename>\\n");
return -1;
}
if (stat(argv[1], &st) != 0) {
fprintf(stderr, "Error opening file '%s': %s\\n", argv[1], strerror(errno));
return -1;
}
printf("'%s' size: %lld bytes\\n", argv[1], (long long)st.st_size);
if (st.st_size > 510) {
fprintf(stderr, "%lld >> 510!!\\n", (long long)st.st_size);
return -1;
}
char buf[512];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
FILE *ifp = fopen(argv[1], "rb");
int size = fread(buf, 1, st.st_size, ifp);
if (size != st.st_size) {
fprintf(stderr, "read '%s' error, size is %d.\\n", argv[1], size);
return -1;
}
fclose(ifp);
buf[510] = 0x55;
buf[511] = 0xAA;
FILE *ofp = fopen(argv[2], "wb+");
size = fwrite(buf, 1, 512, ofp);
if (size != 512) {
fprintf(stderr, "write '%s' error, size is %d.\\n", argv[2], size);
return -1;
}
fclose(ofp);
printf("build 512 bytes boot sector: '%s' success!\\n", argv[2]);
return 0;
从代码看，有512个区域
倒数第二个区域为0x55
倒数第一个区域为0xAA
练习2
前置练习：
lab1-mon: $(UCOREIMG)
202 $(V)$(TERMINAL) -e "$(QEMU) -S -s -d in_asm -D $(BINDIR)/q.log -monitor stdio -hda $< -serial null"
203 $(V)sleep 2
204 $(V)$(TERMINAL) -e "gdb -q -x tools/lab1init"
这个命令让qemu把执行的指令记录下来，放到q.log
第二个可以和gdb结合调试正在执行的bootloader
1 file bin/kernel //加载kernel
2 target remote :1234 //与qemu链接
3 set architecture i8086 //8086实模式
4 b *0x7c00//bootloader加载
5 continue//继续
6 x /2i $pc//pc就是eip，存当前指令地址，显示两条指令
lab1init (END)
这些是gdb可识别的命令
输入make lab1-mon
0x0000fff0 in ?? ()
warning: A handler for the OS ABI "GNU/Linux" is not built into this configuration
of GDB. Attempting to continue with the default i8086 settings.
The target architecture is assumed to be i8086
Breakpoint 1 at 0x7c00
Breakpoint 1, 0x00007c00 in ?? ()
=> 0x7c00: cli
0x7c01: cld
(gdb)
可以看到断在0x7c00处
然后显示10条指令
(gdb) x/10i $pc
=> 0x7c00: cli
0x7c01: cld
0x7c02: xor %ax,%ax
0x7c04: mov %ax,%ds
0x7c06: mov %ax,%es
0x7c08: mov %ax,%ss
0x7c0a: in $0x64,%al
0x7c0c: test $0x2,%al
0x7c0e: jne 0x7c0a
0x7c10: mov $0xd1,%al
(gdb)
然后在bootasm.s里面找
.set PROT_MODE_CSEG, 0x8 # kernel code segment selector
.set PROT_MODE_DSEG, 0x10 # kernel data segment selector
.set CR0_PE_ON, 0x1 # protected mode enable flag
# start address should be 0:7c00, in real mode, the beginning address of the running bootloader
.globl start
start:
.code16 # Assemble for 16-bit mode
cli # Disable interrupts
cld # String operations increment
# Set up the important data segment registers (DS, ES, SS).
xorw %ax, %ax # Segment number zero
movw %ax, %ds # -> Data Segment
movw %ax, %es # -> Extra Segment
movw %ax, %ss
发现和我们gdb的代码一样，我们已经断在bootloader处起始位置
输入continue，让他继续运行
qemu就可以跑起来了
从 CPU 加电后执行的第一条指令开始,单步跟踪 BIOS 的执行。
改写makefile文件220行
debug: $(UCOREIMG)
$(V)$(TERMINAL) -e "$(QEMU) -S -s -d in_asm -D $(BINDIR)/q.log -parallel stdio -hda $< -serial null"
$(V)sleep 2
$(V)$(TERMINAL) -e "gdb -q -tui -x tools/gdbinit"
在调用qemu时增加-d in_asm -D q.log参数，便可以将运行的汇编指令保存在q.log中。
为防止qemu在gdb连接后立即开始执行，删除了tools/gdbinit中的"continue"行。
在初始化位置0x7c00 设置实地址断点,测试断点正常。
在tools/gdbinit结尾加上
set architecture i8086 //设置当前调试的CPU是8086
b *0x7c00 //在0x7c00处设置断点。此地址是bootloader入口点地址，可看boot/bootasm.S的start地址处
c //continue简称，表示继续执行
x /2i $pc //显示当前eip处的汇编指令
set architecture i386 //设置当前调试的CPU是80386
运行"make debug"便可得到
Breakpoint 2, 0x00007c00 in ?? ()
=> 0x7c00: cli
0x7c01以上是关于lab1 系统启动 bios加载 bootloader加载的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章