Linux操作系统的内核引导程序详细解析

这段程序是Linux操作系统启动boot程序，其思想原理可参看本人翻译的《Linux内核漫游》一篇。

中文注释：赵炯 gohigh@shtdu.edu.cn www.freedove.com

! bootsect.s (c) 1991, 1992 Linus Torvalds 版权所有

! Drew Eckhardt修改过

! Bruce Evans (bde)修改过

!

! bootsect.s 被bios-启动子程序加载至0x7c00 (31k)处，并将自己

! 移到了地址0x90000 (576k)处，并跳转至那里。

!

! bde - 不能盲目地跳转，有些系统可能只有512k的低

! 内存。使用中断0x12来获得(系统的)最高内存、等。

!

! 它然后使用BIOS中断将setup直接加载到自己的后面(0x90200)(576.5k)，

! 并将系统加载到地址0x10000处。

!

! 注意! 目前的内核系统最大长度限制为(8*65536-4096)(508k)字节长，即使是在

! 将来这也是没有问题的。我想让它保持简单明了。这样508k的最大内核长度应该

! 是足够了，尤其是这里没有象minix中一样包含缓冲区高速缓冲(而且尤其是现在

! 内核是压缩的 :-)

!

! 加载程序已经做的尽量地简单了，所以持续的读出错将导致死循环。只能手工重启。

! 只要可能，通过一次取得整个磁道，加载过程可以做的很快的。

#include /* 为取得CONFIG_ROOT_RDONLY参数 */

!! config.h中(即autoconf.h中)没有CONFIG_ROOT_RDONLY定义!!!?

#include

.text

SETUPSECS = 4 ! 默认的setup程序扇区数(setup-sectors)的默认值;

BOOTSEG = 0x7C0 ! bootsect的原始地址;

INITSEG = DEF_INITSEG ! 将bootsect程序移到这个段处(0x9000) - 避开;

SETUPSEG = DEF_SETUPSEG ! 设置程序(setup)从这里开始(0x9020);

SYSSEG = DEF_SYSSEG ! 系统加载至0x1000(65536)(64k)段处;

SYSSIZE = DEF_SYSSIZE ! 系统的大小(0x7F00): 要加载的16字节为一节的数;

!! 以上4个DEF_参数定义在boot.h中:

!! DEF_INITSEG 0x9000

!! DEF_SYSSEG 0x1000

!! DEF_SETUPSEG 0x9020

!! DEF_SYSSIZE 0x7F00 (=32512=31.75k)*16=508k

! ROOT_DEV & SWAP_DEV 现在是由"build"中编制的;

ROOT_DEV = 0

SWAP_DEV = 0

#ifndef SVGA_MODE

#define SVGA_MODE ASK_VGA

#endif

#ifndef RAMDISK

#define RAMDISK 0

#endif

#ifndef CONFIG_ROOT_RDONLY

#define CONFIG_ROOT_RDONLY 1

#endif

! ld86 需要一个入口标识符，这和通常的一样;

.globl _main

_main:

#if 0 /* 调试程序的异常分支，除非BIOS古怪（比如老的HP机）否则是无害的 */

int 3

#endif

mov ax,#BOOTSEG !! 将ds段寄存器置为0x7C0;

mov ds,ax

mov ax,#INITSEG !! 将es段寄存器置为0x9000;

mov es,ax

mov cx,#256 !! 将cx计数器置为256(要移动256个字, 512字节);

sub si,si !! 源地址 ds:si=0x07C0:0x0000;

sub di,di !! 目的地址es:di=0x9000:0x0000;

cld !! 清方向标志;

rep !! 将这段程序从0x7C0:0(31k)移至0x9000:0(576k)处;

movsw !! 共256个字(512字节)(0x200长);

jmpi go,INITSEG !! 间接跳转至移动后的本程序go处;

! ax和es现在已经含有INITSEG的值(0x9000);

go: mov di,#0x4000-12 ! 0x4000(16k)是>=bootsect + setup 的长度 +

! + 堆栈的长度 的任意的值;

! 12 是磁盘参数块的大小 es:di=0x94000-12=592k-12;

! bde - 将0xff00改成了0x4000以从0x6400处使用调试程序(bde)。如果

! 我们检测过最高内存的话就不用担心这事了，还有，我的BIOS可以被配置为将wini驱动表

! 放在内存高端而不是放在向量表中。老式的堆栈区可能会搞乱驱动表;

mov ds,ax ! 置ds数据段为0x9000;

mov ss,ax ! 置堆栈段为0x9000;

mov sp,di ! 置堆栈指针INITSEG:0x4000-12处;

/*

* 许多BIOS的默认磁盘参数表将不能

* 进行扇区数大于在表中指定

* 的最大扇区数( - 在某些情况下

* 这意味着是7个扇区)后面的多扇区的读操作。

*

* 由于单个扇区的读操作是很慢的而且当然是没问题的，

* 我们必须在RAM中(为第一个磁盘)创建新的参数表。

* 我们将把最大扇区数设置为36 - 我们在一个ED 2.88驱动器上所能

* 遇到的最大值。

*

* 此值太高是没有任何害处的，但是低的话就会有问题了。

*

* 段寄存器是这样的: ds=es=ss=cs - INITSEG,(=0X9000)

* fs = 0, gs没有用到。

*/

! 上面执行重复操作(rep)以后，cx为0;

mov fs,cx !! 置fs段寄存器=0;

mov bx,#0x78 ! fs:bx是磁盘参数表的地址;

push ds

seg fs

lds si,(bx) ! ds:si是源地址;

!! 将fs:bx地址所指的指针值放入ds:si中;

mov cl,#6 ! 拷贝12个字节到0x9000:0x4000-12开始处;

cld

push di !! 指针0x9000:0x4000-12处;

rep

movsw

pop di !! di仍指向0x9000:0x4000-12处(参数表开始处);

pop si !! ds => si=INITSEG(=0X9000);

movb 4(di),*36 ! 修正扇区计数值;

seg fs

mov (bx),di !! 修改fs:bx(0000:0x0078)处磁盘参数表的地址为0x9000:0x4000-12;

seg fs

mov 2(bx),es

! 将setup程序所在的扇区(setup-sectors)直接加载到boot块的后面。!! 0x90200开始处;

! 注意，es已经设置好了。

! 同样经过rep循环后cx为0

load_setup:

xor ah,ah ! 复位软驱(FDC);

xor dl,dl

int 0x13

xor dx,dx ! 驱动器0, 磁头0;

mov cl,#0x02 ! 从扇区2开始，磁道0;

mov bx,#0x0200 ! 置数据缓冲区地址=es:bx=0x9000:0x200;

! 在INITSEG段中,即0x90200处;

mov ah,#0x02 ! 要调用功能号2(读操作);

mov al,setup_sects ! 要读入的扇区数SETUPSECS=4;

! (假释所有数据都在磁头0、磁道0);

int 0x13 ! 读操作;

jnc ok_load_setup ! ok则继续;

push ax ! 否则显示出错信息。保存ah的值(功能号2);

call print_nl !! 打印换行;

mov bp,sp !! bp将作为调用print_hex的参数;

call print_hex !! 打印bp所指的数据;

pop ax

jmp load_setup !! 重试!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!INT 13 - DISK - READ SECTOR(S) INTO MEMORY

!! AH = 02h

!! AL = number of sectors to read (must be nonzero)

!! CH = low eight bits of cylinder number

!! CL = sector number 1-63 (bits 0-5)

!! high two bits of cylinder (bits 6-7, hard disk only)

!! DH = head number

!! DL = drive number (bit 7 set for hard disk)

!! ES:BX -> data buffer

!! Return: CF set on error

!! if AH = 11h (corrected ECC error), AL = burst length

!! CF clear if successful

!! AH = status (see #00234)

!! AL = number of sectors transferred (only valid if CF set for some

!! BIOSes)

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

ok_load_setup:

! 取得磁盘驱动器参数，特别是每磁道扇区数(nr of sectors/track);

#if 0

! bde - Phoenix BIOS手册中提到功能0x08只对硬盘起作用。

! 但它对于我的一个BIOS(1987 Award)不起作用。

! 不检查错误码是致命的错误。

xor dl,dl

mov ah,#0x08 ! AH=8用于取得驱动器参数;

int 0x13

xor ch,ch

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!! INT 13 - DISK - GET DRIVE PARAMETERS (PC,XT286,CONV,PS,ESDI,SCSI)

!! AH = 08h

!! DL = drive (bit 7 set for hard disk)

!!Return: CF set on error

!! AH = status (07h) (see #00234)

!! CF clear if successful

!! AH = 00h

!! AL = 00h on at least some BIOSes

!! BL = drive type (AT/PS2 floppies only) (see #00242)

!! CH = low eight bits of maximum cylinder number

!! CL = maximum sector number (bits 5-0)

!! high two bits of maximum cylinder number (bits 7-6)

!! DH = maximum head number

!! DL = number of drives

!! ES:DI -> drive parameter table (floppies only)

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

#else

! 好象没有BIOS调用可取得扇区数。如果扇区36可以读就推测是36个扇区，

! 如果扇区18可读就推测是18个扇区，如果扇区15可读就推测是15个扇区，

! 否则推测是9. [36, 18, 15, 9]

mov si,#disksizes ! ds:si->要测试扇区数大小的表;

probe_loop:

lodsb !! ds:si所指的字节 =>al, si=si+1;

cbw ! 扩展为字(word);

mov sectors, ax ! 第一个值是36，最后一个是9;

cmp si,#disksizes+4

jae got_sectors ! 如果所有测试都失败了，就试9;

xchg ax,cx ! cx = 磁道和扇区(第一次是36=0x0024);

xor dx,dx ! 驱动器0，磁头0;

xor bl,bl !! 设置缓冲区es:bx = 0x9000:0x0a00(578.5k);

mov bh,setup_sects !! setup_sects = 4 (共2k);

inc bh

shl bh,#1 ! setup后面的地址(es=cs);

mov ax,#0x0201 ! 功能2(读)，1个扇区;

int 0x13

jc probe_loop ! 如果不对，就试用下一个值;

#endif

got_sectors:

! 恢复es

mov ax,#INITSEG

mov es,ax ! es = 0x9000;

! 打印一些无用的信息(换行后，显示Loading)

mov ah,#0x03 ! 读光标位置;

xor bh,bh

int 0x10

mov cx,#9

mov bx,#0x0007 ! 页0，属性7 (normal);

mov bp,#msg1

mov ax,#0x1301 ! 写字符串，移动光标;

int 0x10

! ok, 我们已经显示出了信息，现在

! 我们要加载系统了(到0x10000处)(64k处)

mov ax,#SYSSEG

mov es,ax ! es=0x01000的段;

call read_it !! 读system，es为输入参数；

call kill_motor !! 关闭驱动器马达；

call print_nl !! 打印回车换行；

! 这以后，我们来检查要使用哪个根设备(root-device)。如果已指定了设备(!=0)

! 则不做任何事而使用给定的设备。否则的话，使用/dev/fd0H2880 (2,32)或/dev/PS0 (2,28)

! 或者是/dev/at0 (2,8)之一，这取决于我们假设我们知道的扇区数而定。

!! |__ ps0?? (x,y)--表示主、次设备号？

seg cs

mov ax,root_dev

or ax,ax

jne root_defined

seg cs

mov bx,sectors !! sectors = 每磁道扇区数；

mov ax,#0x0208 ! /dev/ps0 - 1.2Mb;

cmp bx,#15

je root_defined

mov al,#0x1c ! /dev/PS0 - 1.44Mb !! 0x1C = 28;

cmp bx,#18

je root_defined

mov al,0x20 ! /dev/fd0H2880 - 2.88Mb;

cmp bx,#36

je root_defined

mov al,#0 ! /dev/fd0 - autodetect;

root_defined:

seg cs

mov root_dev,ax !! 其中保存由设备的主、次设备号；

! 这以后(所有程序都加载了)，我们就跳转至

! 被直接加载到boot块后面的setup程序去：

jmpi 0,SETUPSEG !! 跳转到0x9020:0000(setup程序的开始位置);

! 这段程序将系统(system)加载到0x10000(64k)处,

! 注意不要跨越64kb边界。我们试图以最快的速度

! 来加载，只要可能就整个磁道一起读入。

!

! 输入(in): es - 开始地址段(通常是0x1000)

!

sread: .word 0 ! 当前磁道已读的扇区数；

head: .word 0 ! 当前磁头；

track: .word 0 ! 当前磁道；

read_it:

mov al,setup_sects

inc al

mov sread,al !! 当前sread=5；

mov ax,es !! es=0x1000；

test ax,#0x0fff !! (ax AND 0x0fff, if ax=0x1000 then zero-flag=1 )；

die: jne die ! es 必须在64kB的边界；

xor bx,bx ! bx 是段内的开始地址；

rp_read:

#ifdef __BIG_KERNEL__

#define CALL_HIGHLOAD_KLUDGE .word 0x1eff, 0x220 ! 调用 far * bootsect_kludge

! 注意: as86不能汇编这；

CALL_HIGHLOAD_KLUDGE ! 这是在setup.S中的程序；

#else

mov ax,es

sub ax,#SYSSEG ! 当前es段值减system加载时的启始段值(0x1000)；

#endif

cmp ax,syssize ! 我们是否已经都加载了？(ax=0x7f00 ?)；

jbe ok1_read !! if ax <= syssize then 继续读；

ret !! 全都加载完了，返回！

ok1_read:

mov ax,sectors !! sectors=每磁道扇区数；

sub ax,sread !! 减去当前磁道已读扇区数，al=当前磁道未读的扇区数(ah=0)；

mov cx,ax

shl cx,#9 !! 乘512，cx = 当前磁道未读的字节数；

add cx,bx !! 加上段内偏移值，es:bx为当前读入的数据缓冲区地址；

jnc ok2_read !! 如果没有超过64K则继续读；

je ok2_read !! 如果正好64K也继续读；

xor ax,ax

sub ax,bx

shr ax,#9

ok2_read:

call read_track !! es:bx ->缓冲区，al=要读的扇区数，也即当前磁道未读的扇区数；

mov cx,ax !! ax仍为调用read_track之前的值，即为读入的扇区数；

add ax,sread !! ax = 当前磁道已读的扇区数；

cmp ax,sectors !! 已经读完当前磁道上的扇区了吗？

jne ok3_read !! 没有，则跳转；

mov ax,#1

sub ax,head !! 当前是磁头1吗？

jne ok4_read !! 不是(是磁头0)则跳转(此时ax=1)；

inc track !! 当前是磁头1，则读下一磁道(当前磁道加1)；

ok4_read:

mov head,ax !! 保存当前磁头号；

xor ax,ax !! 本磁道已读扇区数清零；

ok3_read:

mov sread,ax !! 存本磁道已读扇区数；

shl cx,#9 !! 刚才一次读操作读入的扇区数 * 512；

add bx,cx !! 调整数据缓冲区的起始指针；

jnc rp_read !! 如果该指针没有超过64K的段内最大偏移量，则跳转继续读操作；

mov ax,es !! 如果超过了，则将段地址加0x1000(下一个64K段);

add ah,#0x10

mov es,ax

xor bx,bx !! 缓冲区地址段内偏移量置零；

jmp rp_read !! 继续读操作；

read_track:

pusha !! 将寄存器ax,cx,dx,bx,sp,bp,si,di压入堆栈；

pusha

mov ax,#0xe2e ! loading... message 2e = . !! 显示一个.

mov bx,#7

int 0x10

popa

mov dx,track !! track = 当前磁道；

mov cx,sread

inc cx !! cl = 扇区号，要读的起始扇区；

mov ch,dl !! ch = 磁道号的低8位；

mov dx,head !!

mov dh,dl !! dh = 当前磁头号；

and dx,#0x0100 !! dl = 驱动器号(0)；

mov ah,#2 !! 功能2(读)，es:bx指向读数据缓冲区；

push dx ! 为出错转储保存寄存器的值到堆栈上；

push cx

push bx

push ax

int 0x13

jc bad_rt !! 如果出错，则跳转；

add sp, #8 !! 清(放弃)堆栈上刚推入的4个寄存器值；

popa

ret

bad_rt: push ax ! 保存出错码；

call print_all ! ah = error, al = read；

xor ah,ah

xor dl,dl

int 0x13

add sp,#10

popa

jmp read_track

/*

* print_all是用于调试的。

* 它将打印出所有寄存器的值。所作的假设是

* 从一个子程序中调用的，并有如下所示的堆栈帧结构

* dx

* cx

* bx

* ax

* error

* ret <- sp

*

*/

print_all:

mov cx,#5 ! 出错码 + 4个寄存器

mov bp,sp

print_loop:

push cx ! 保存剩余的计数值

call print_nl ! 为了增强阅读性，打印换行

cmp cl, #5

jae no_reg ! 看看是否需要寄存器的名称

mov ax,#0xe05 + A - l

sub al,cl

int 0x10

mov al,#X

int 0x10

mov al,#:

int 0x10

no_reg:

add bp,#2 ! 下一个寄存器

call print_hex ! 打印值

pop cx

loop print_loop

ret

print_nl: !! 打印回车换行。

mov ax,#0xe0d ! CR

int 0x10

mov al,#0xa ! LF

int 0x10

ret

/*

* print_hex是用于调试目的的，打印出

* ss:bp所指向的十六进制数。

* !! 例如，十六进制数是0x4321时，则al分别等于4,3,2,1调用中断打印出来 4321

*/

print_hex:

mov cx, #4 ! 4个十六进制数字

mov dx, (bp) ! 将(bp)所指的值放入dx中

print_digit:

rol dx, #4 ! 循环以使低4比特用上 !! 取dx的高4比特移到低4比特处。

mov ax, #0xe0f ! ah = 请求的功能值，al = 半字节(4个比特)掩码。

and al, dl !! 取dl的低4比特值。

add al, #0x90 ! 将al转换为ASCII十六进制码(4个指令)

daa !! 十进制调整

adc al, #0x40 !! (adc dest, src ==> dest := dest + src + c )

daa

int 0x10

loop print_digit

ret

/*

* 这个过程(子程序)关闭软驱的马达，这样

* 我们进入内核后它的状态就是已知的，以后也就

* 不用担心它了。

*/

kill_motor:

push dx

mov dx,#0x3f2

xor al,al

outb

pop dx

ret

!! 数据区

sectors:

.word 0 !! 当前每磁道扇区数。(36||18||15||9)

disksizes: !! 每磁道扇区数表

.byte 36, 18, 15, 9

msg1:

.byte 13, 10

.ascii "Loading"

.org 497 !! 从boot程序的二进制文件的497字节开始

setup_sects:

.byte SETUPSECS

root_flags:

.word CONFIG_ROOT_RDONLY

syssize:

.word SYSSIZE

swap_dev:

.word SWAP_DEV

ram_size:

.word RAMDISK

vid_mode:

.word SVGA_MODE

root_dev:

.word ROOT_DEV

boot_flag: !! 分区启动标志

.word 0xAA55