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操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)-loader
2022-05-11 11:02:47

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大家好呀，終于我們到了操作系統(tǒng)的loader部分了，loader也是操作系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部分，承接上面的boot，啟下下面的kernel，那我們就開始吧!!!

內(nèi)存檢測(cè)

在loader中，最重要的一點(diǎn)就是檢測(cè)內(nèi)存，檢測(cè)一些系統(tǒng)參數(shù)，到時(shí)候給kernel使用，那么下面我們就介紹下loader中如何檢測(cè)內(nèi)存。還是一樣，我們先看下檢測(cè)內(nèi)存的代碼

detect_memory:
    ; 置為0
    xor ebx, ebx

    ; es:di賦值
    mov ax, 0
    mov es, ax
    mov edi, ards_buffer

    mov edx, 0x534d4150 ;固定簽名

.next:
    mov eax, 0xe820
    mov ecx, 20
    ; 執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用
    int 0x15

    ; 檢測(cè)cf標(biāo)志位
    jc error
    ; 將緩存指針指向下一個(gè)結(jié)構(gòu)體
    add di, cx

    ; 將結(jié)構(gòu)體數(shù)量+1
    inc word [ards_count]
    ; 檢測(cè)ebx是否為0
    cmp ebx, 0
    jnz .next

    mov si, detecting
    call print

注意，我們這里獲取內(nèi)存的方式是采用BIOS中int 0x15中子功能0xE820。我們先給出int 0x15下3個(gè)子功能的具體描述

  • EAX=0xE820 ：遍歷主機(jī)上全部?jī)?nèi)存
  • AX=0xE801：分別檢測(cè)第15MB和16MB-4GB的內(nèi)存
  • AH=0x88：最多檢測(cè)出64MB內(nèi)存

內(nèi)存的相關(guān)值共同組成一個(gè)結(jié)構(gòu)體：ARDS（地址范圍描述符），共20字節(jié)如下

  • BaseAddrLow（4字節(jié)）：基地址的低32位
  • BaseAddrHigh（4字節(jié)）：基地址的高32位
  • LengthLow（4字節(jié)）：內(nèi)存長(zhǎng)度的低32位，以字節(jié)為單位
  • LengthHigh（4字節(jié)）：內(nèi)存長(zhǎng)度的高32位，以字節(jié)為單位
  • Type（4字節(jié)）：本段內(nèi)存的類型

返回值如下

  • CF位：若CF位為0表示調(diào)用未出錯(cuò)
  • EAX：0x534d4150
  • ED:DI：ARDS的地址
  • ECX：寫入到ARDS的字節(jié)數(shù)，一般為20字節(jié)
  • EBX：下一個(gè)ARDS的地址，當(dāng)CF=0，且EBX=0，表示結(jié)束

通過(guò)上述代碼，就可以將ARDS的個(gè)數(shù)存在ards_count中，將每一個(gè)ARDS的值放在ards_buffer中。

準(zhǔn)備進(jìn)入保護(hù)模式

進(jìn)入保護(hù)模式需要三個(gè)步驟

  • 打開A20
  • 加載GDT
  • 將cr0的pe位置1

全局描述符表

在實(shí)模式下，訪問(wèn)一個(gè)地址的方式為

段地址 << 4 + 偏移地址

但是在進(jìn)入保護(hù)模式后，地址線是足夠的，共32條，所以并不需要上面的方式，其尋址方式為

段選擇子（16位）：段內(nèi)偏移（32位）

我們來(lái)說(shuō)下段選擇子。段選擇子有16位，3-15位為描述符索引（13位可表示8192個(gè)），第2位為TI位，TI=0，表示從全局描述符表中取，TI=1，表示從局部描述符表中取。第0-1位為特權(quán)級(jí)RPL（熟悉的特權(quán)級(jí)0-3級(jí)，用2位描述），代碼如下

typedef struct selector
{
    unsigned char RPL : 2; // Request PL 
    unsigned char TI : 1; // 0  全局描述符 1 局部描述符 LDT Local 
    unsigned short index : 13; // 全局描述符表索引
} __attribute__((packed)) selector;

上面出現(xiàn)了一個(gè)全局描述符表的東西（GDT），全局描述符表中每一項(xiàng)都是一個(gè)全局描述符，每個(gè)全局描述符都指向內(nèi)存中的一個(gè)位置，下面的圖展示了其關(guān)系

image-20220427214535140

因此如何描述這一段內(nèi)存，就變得尤為重要，全局描述符的結(jié)構(gòu)如下

typedef struct descriptor /* 共 8 個(gè)字節(jié) */
{
    unsigned short limit_low;      // 段界限 0 ~ 15 位
    unsigned int base_low : 24;    // 基地址 0 ~ 23 位 16M
    unsigned char type : 4;        // 段類型
    unsigned char segment : 1;     // 1 表示代碼段或數(shù)據(jù)段，0 表示系統(tǒng)段
    unsigned char DPL : 2;         // Descriptor Privilege Level 描述符特權(quán)等級(jí) 0 ~ 3
    unsigned char present : 1;     // 存在位，1 在內(nèi)存中，0 在磁盤上
    unsigned char limit_high : 4;  // 段界限 16 ~ 19;
    unsigned char available : 1;   // 該安排的都安排了，送給操作系統(tǒng)吧
    unsigned char long_mode : 1;   // 64 位擴(kuò)展標(biāo)志
    unsigned char big : 1;         // 32 位 還是 16 位;
    unsigned char granularity : 1; // 粒度 4KB 或 1B
    unsigned char base_high;       // 基地址 24 ~ 31 位
} __attribute__((packed)) descriptor;

image-20220427214816129

則全局描述符表就有8192項(xiàng)，每一項(xiàng)都是指示一片內(nèi)存的全局描述符，且表的第0項(xiàng)是NULL。有一個(gè)特殊寄存器GDT register指向它，只要讀取這個(gè)寄存器的值，就可以找到這個(gè)表，然后通過(guò)段選擇子就可以知道是哪一個(gè)下標(biāo)。GDT register有48位，結(jié)構(gòu)如下，0-15位共16位標(biāo)識(shí)GDT界限，共65536字節(jié)，每個(gè)全局描述符8字節(jié)，所以一共65536/8=8192個(gè)

image-20220427215152160

下面給出相關(guān)代碼

memory_base equ 0 ; 內(nèi)存開始的位置
; 32位下，內(nèi)存為4G，然后選用的粒度為4KB
memory_limit equ ((1024 * 1024 * 1024 * 4) / (1024 * 4) - 1) ; 內(nèi)存界限 4G / 4k -1

; 準(zhǔn)備進(jìn)入保護(hù)模式
prepare_protected_mode:

    cli; 關(guān)閉中斷
	...
    ; 加載GDT
    lgdt [gdt_ptr]
	...


gdt_ptr:
    dw (gdt_end-gdt_base)-1
    dd gdt_base
gdt_base:
    ; dd 4個(gè)字節(jié)，全局描述符表中第一個(gè)8字節(jié)為null描述符
    dd 0,0 ;null描述符
gdt_code:
    dw memory_limit & 0xffff ; 段界限 0 ~ 15 位
    dw memory_base & 0xffff ; 基地址 0 ~ 15 位
    db (memory_base >> 16) & 0xff ; 基地址 16 ~ 23 位
    ; 存在位，1 在內(nèi)存中
    ; 特權(quán)等級(jí) 00
    ; 1 表示代碼段或數(shù)據(jù)段
    ; 段類型 | X | C/E | R/W | A | 1 0 1 0 代碼段-非依從-可讀-沒(méi)有訪問(wèn)
    db 0b_1_00_1_1_0_1_0
    ; 1 粒度 4KB
    ; 1 32 位
    ; 0 非64 位擴(kuò)展標(biāo)志
    ; 0 available 隨意
    ; 段界限 16 ~ 19
    db 0b_1_1_0_0_0000 | (memory_limit >> 16) & 0xf
    ; 基地址 24 ~ 31 位
    db (memory_base >> 24) & 0xff

gdt_data:
    dw memory_limit & 0xffff ; 段界限 0 ~ 15 位
    dw memory_base & 0xffff ; 基地址 0 ~ 15 位
    db (memory_base >> 16) & 0xff ; 基地址 16 ~ 23 位
    ; 存在位，1 在內(nèi)存中
    ; 特權(quán)等級(jí) 00
    ; 1 表示代碼段或數(shù)據(jù)段
    ; 段類型 | X | C/E | R/W | A | 0 0 1 0 數(shù)據(jù)段-向上-可寫-沒(méi)有訪問(wèn)
    db 0b_1_00_1_0_0_1_0
    ; 1 粒度 4KB
    ; 1 32 位
    ; 0 非64 位擴(kuò)展標(biāo)志
    ; 0 available 隨意
    ; 段界限 16 ~ 19
    db 0b_1_1_0_0_0000 | (memory_limit >> 16) & 0xf
    ; 基地址 24 ~ 31 位
    db (memory_base >> 24) & 0xff
gdt_end:

我們重點(diǎn)來(lái)看重點(diǎn)部分，其他我們后續(xù)來(lái)說(shuō)

我們前面說(shuō)過(guò)，在進(jìn)入保護(hù)模式前，我們要加載GDT，以便在保護(hù)模式后，其他地方要用到，所以使用如下命令

lgdt [gdt_ptr]; 加載GDT 將gdt_ptr所指向的區(qū)域加載到GDT register中
sgdt [gdt_ptr]; 保存 gdt 將GDT register中的內(nèi)容保存到gdt_ptr所指向的區(qū)域

然后我們構(gòu)建代碼段和數(shù)據(jù)段的段選擇子，通過(guò)選擇子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建

; 構(gòu)建代碼段和數(shù)據(jù)段的段選擇子
; 1 << 3 => 0001 根據(jù)段選擇子的結(jié)構(gòu)，第0-1位為 RPL ,第2位為TI ,后面為index
code_selector equ (1 << 3)
data_selector equ (2 << 3)

A20線

其實(shí)就是為了在保護(hù)模式下可以使用更大的尋址線，因此打開A20線，方式很簡(jiǎn)單，就是將端口0x92的第1位置1就可以，代碼如下：

; 打開A20線
in al, 0x92
or al, 0b10 ; 第1位置1
out 0x92, al

CR0寄存器

我們需要將CR0寄存器的第0位（PE位）Protection Enable打開，方式如下

mov eax, cr0
or eax, 1 ; 第0位置1
mov cr0, eax

刷新流水線

我們可以看到一條很奇怪的jmp指令

; 用跳轉(zhuǎn)來(lái)刷新緩存，啟用保護(hù)模式
jmp dword code_selector:protect_mode

; 提醒編譯器，到了32位的保護(hù)模式
[bits 32]
protect_mode:

因?yàn)槲覀冎涝谔D(zhuǎn)前是實(shí)模式，可能是16位，但是跳轉(zhuǎn)到保護(hù)模式后，需要在32位下進(jìn)行，那么CPU指令卻不知道，仍然可能用16位的方式去解析32位指令，就會(huì)出錯(cuò)，因此采用1個(gè)jmp模式進(jìn)行

進(jìn)入保護(hù)模式

經(jīng)過(guò)前面的步驟，我們終于來(lái)到了保護(hù)模式protect_mode。這個(gè)版本的操作系統(tǒng)我們?cè)O(shè)置的保護(hù)模式很簡(jiǎn)單，代碼如下：

[bits 32]
protect_mode:

    mov ax, data_selector
    ; 初始化段寄存器
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax

    ; 在0x7e00-0x9fbff可用區(qū)域間隨便找一個(gè)位置
    mov esp, 0x10000 ;修改棧頂

    ; 因?yàn)閟ystem.bin(kernel文件夾里面的程序編譯的)是從第10個(gè)扇區(qū)開始寫入，寫了200個(gè)扇區(qū)
    mov edi, 0x10000;讀取的目標(biāo)內(nèi)存
    mov ecx, 10 ;起始扇區(qū)
    mov bl, 200 ;扇區(qū)數(shù)量
    call read_disk
    ; 內(nèi)核代碼被放在0x10000處，所以跳轉(zhuǎn)到這里執(zhí)行內(nèi)核代碼
    jmp dword code_selector: 0x10000

我們?cè)诰幾g的時(shí)候，先將system.bin寫入到磁盤的第10個(gè)扇區(qū)，命令如下

dd if=system.bin of=master.img bs=512 count=200 seek=10 conv=notrunc

終于我們可以編寫c語(yǔ)言了，前面寫匯編實(shí)在難受，哈哈哈。

內(nèi)核的主程序在main.c中，先簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)下把，后續(xù)再補(bǔ)充

void kernel_init(){
    char *video = (char*)0xb8000; // 文本顯示器的內(nèi)存位置
    for (int i = 0; i < sizeof(message); i++)
    {
        // 第一個(gè)位是字符，第二個(gè)位是該字符的特性，比如是閃爍還是不閃爍等，所以每個(gè)字符要在內(nèi)存位置占2個(gè)位
        video[i*2] = message[i];
    }
}

注意下0xb8000，在這個(gè)系列的第2章中，有如下代碼

; 0xb8000 文本顯示器的內(nèi)存區(qū)域
mov ax, 0xb800
mov ds, ax
mov byte [0], 'H'

0xb8000已經(jīng)超過(guò)16位了，所以在實(shí)模式下，需要使用( 16 位段基址 << 4 ) + 16 位偏移地址方式，而在保護(hù)模式下有32位，所以可以直接訪問(wèn)

本文摘自 ：https://www.cnblogs.com/

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