OS架构整理

引导启动部分
- [bios bootloader区别](#bios bootloader区别)
- [启动流程（x86 BIOS 启动）：](#启动流程（x86 BIOS 启动）：)
- bios
- boot_loader
一些基础知识

引导启动部分

bios bootloader区别

bash 复制代码

[BIOS] (硬件开机，里面有写好的固件，上电自检)
   ↓ 读取硬盘第0扇区 → 加载到内存地址 0x7C00
[boot] （512字节以内的 MBR/bootloader阶段1）（因为只有512字节，太小了所以用了二级引导）
   ↓ 加载并跳转到更复杂的 loader（通常是 2阶）
[loader] （多段程序，支持文件系统、内核加载等）
   ↓ 加载操作系统内核（kernel）
[OS内核] （操作系统正式启动）

前三步是我们自己控制不了的

我的代码是从磁盘加载

启动流程（x86 BIOS 启动）：

这个第0扇区的代码需要自己去写

首先Bios上电自检，然后将磁盘的第一个扇区512字节放入到内存地址0x7c00,检查是否以0x55 0xaa结束，从而判断这是否是有效的MBR

，如果是的话就进行引导

bios

加电启动（Power On）
BIOS 执行 POST（Power-On Self-Test）
搜索可启动设备（硬盘、U盘、光盘...）
找到启动设备后：
- 读取该设备的 第 1 个扇区（LBA 0，大小 = 512 字节）
- 把它加载到内存地址 0x0000:0x7C00 （实地址 = 0x7C00）
检查最后两个字节是否为 0x55AA（有效的引导扇区签名）
如果正确 → 跳转到 0x7C00 执行

在 BIOS 启动模式中，BIOS 会将硬盘的第 0 扇区（MBR）加载到 0x7C00，并从那里开始执行。

读取磁盘又两种方式

一种是int13(bios）

一种是LAB（复杂一点，在loader中实现）

x86在上电后自动进入实模式，1m内存无分页机制寄存器也只能用16位

但是1m内存的话要访问完需要20位地址，我们就是将段基址<<4+偏移构成20位

段基址的值是存在CS/DS/SS/ES/FS/GS（段寄存器）中
这个实模式下1M大小的内存映射情况：

我的boot是在start.s 中写的
boot的初始化： 主要就是将段寄存器先赋初值0，简化代码，栈顶指针赋值0x7c00，表示我的boot在0x7c00地址以下的栈区，大概30kb左右是满足这个大小的
boot跳转到loader二级引导 ：

读取多个磁盘加载到内存地址上：用了bios中断向量表 0x13 从第一个扇区开始分配64个扇区（大概32kb) 如果读取磁盘正确后进入C环境并跳转到loader（jmp或者call)

.extern C函数名字（boot的一个跳转函数）

boot_loader

cmake的链接器表示我loader 加载到0x8000的地址,start.s放在cmake加入的工程文件的最开头，这样就可以保证加载到0x8000时在start.s

因为512字节显然比较小，没办法完成这么多功能，所以我做了一个二级引导

1.内联汇编显示字符串

2.检测内存容量 0x15（boot_info)

检测10块可用内存区域

3.切换进保护模式

实模式的限制

1.只能访问1MB内存，内核寄存器最大为16位宽

2.所有的操作数最大为16位宽

3.没有任何保护机制

4.没有特权级支持

5.没有分页机制和虚拟内存的支持

如何切换进保护模式

首先保证过程原子性，禁用中断，然后打开A20地址线让其访问1m以上的内存地址，然后初始化加载GDT表保证开启保护模式寄存器值正常，再设置CR0 PE位，开启保护模式。

这个禁用中断的函数我也写了一个函数，保存关中断前的各个寄存器的状态（eflags等），完成实模式到保护模式切换后恢复到原来的状态，这个函数再后面的也可以用到。函数中我也用到了内联汇编函数 sti cli进行开关中断.

加载kernel到内存地址1M

在loader中实现LAB读取磁盘，（一次两字节读取）（通常512字节一次性读取）

复制代码

#define SYS_KERNEL_LOAD_ADDR		(1024*1024)		// 内核加载的起始地址（此时打开了A20地址线和保护模式，可以访问1M以上空间
static void read_disk(int sector, int sector_count, uint8_t * buf)

名称	含义	单位
`sector`	起始扇区号（LBA）	扇区（512 字节）
`sector_count`	连续读取的扇区数量	扇区（512 字节）

创建kernel文件夹，同样cmake设置起始位置1M

栈的作用：C的局部变量，函数调用中的参数

在保护模式下 push pop的一个栈都是4个字节

esp是栈顶指针 ebp相对比较固定。ESP 指向当前栈顶，EBP 保存的是上一个调用帧的基地址（上一个函数的栈底基准）

我在loader32.c中写了 ((void (*)(boot_info_t *))kernel_entry)(&boot_info); 然后进入kernel1M地址，

复制代码

		push %ebp
     	mov %esp, %ebp
	    mov 0x8(%ebp), %eax
	    push %eax
	    call kernel_init

取出boot_info参数传给kernel_init函数void kernel_init (boot_info_t * boot_info)（函数指针） 我没用全局变量不依赖任何外部状态，bootloader 和 kernel解耦，可移植性强。

我再讲解下这个loader的这个函数指针：（为了跳到kernel_entry（裸地址0x100000）并传入参数boot_info

部分	解释
`void ()(boot_info_t )`	一个函数指针类型，指向接受一个 `boot_info_t *` 参数、返回 `void` 的函数
`(void ()(boot_info_t ))kernel_entry`	把 `kernel_entry` 强制转换为这种函数指针类型
`((...))(&boot_info)`	把这个函数指针当成函数调用，传入参数 `&boot_info`