Hongzheng Chen Blog

OS初始化

Mar 11th, 2019  0

前面两篇文章已经分别讲了OS的实验环境配置及x86汇编的指令，本文则着重于讲解操作系统的初始化。

BIOS

8086可以访问1MB的内存空间，地址从0x00000到0xFFFFF，顶端一部分用于访问ROM和外围板卡，其他大部分则用来访问内存DRAM。

  • ROM-BIOS占据着整个内存空间顶端的64KB，物理地址范围是0xF0000-0xFFFFF，里面固化了开机时要执行的指令
  • 内存条DRAM占据着较低端的640KB，地址范围是0x00000-0x9FFFF
  • 中间还有一部分，地址范围是0xA0000-0xEFFFF(320KB)，则分给了其他外围设备，如显卡 VRAM

因为8086加电或者复位时，CS=0xFFFF，IP=0x0000，所以，它取的第一条指令位于物理地址0xFFFF0（也即FFFF:0000），正好位于 ROM中，那里固化了开机时需要执行的指令。

这块ROM芯片中的内容包括很多部分，主要是进行硬件的诊断、检测和初始化。 所谓初始化，就是让硬件处于一个正常的、默认的工作状态。 最后，它还负责提供一套软件例程，让人们在不必了解硬件细节的情况下从外围设备（比如键盘）获取输入数据，或者向外围设备（比如显示器）输出数据。 设备当然是很多的，所以这块 ROM 芯片只针对那些最基本的、对于使用计算机而言最重要的设备，而它所提供的软件例程，也只包含最基本、最常规的功能。 正因为如此，这块芯片又叫基本输入输出系统(Base Input & Output System, BIOS) ROM

ROM-BIOS的容量是有限的，当它完成自己的使命后，最后所要做的，就是从辅助存储设备读取指令数据，然后转到那里开始执行。 绝大多数时候，对于 ROM-BIOS 来说，硬盘都是首选的外存储设备。 硬盘的第一个扇区是0面0道1扇区，或者说是0头0柱1扇区(512B)，这个扇区称为主引导扇区bootsector。

整个加载操作系统的过程如下

  • 搜索可用的存储媒介，如软盘(floppy disk)、硬盘、CD等
  • 检查每个引导盘的有效性：最后一个字必须为0x55aa才为有效的引导盘 （注意这里在汇编程序中体现为org 7c00h。非常重要！否则无法正确读取代码段/数据段！）
  • 如果有效，则第一个扇区，即主引导程序(master boot record, MBR)，将会被加载入RAM地址为0000:7C00的地方（也就是物理地址 0x07C00，自举bootstrap），BIOS跳转到7C00继续执行
  • OS应该被加载入RAM，或者是另外一个引导程序

注：C中直接访问绝对地址

int *var = (int*)0x40001000;
*var = 4;

显存

概述

显存，即显示存储器(Video RAM, VRAM)。 要显示的内容都需要先写入显存，显存同样是按字节访问的存储期间。

两种基本工作模式

  • 图形模式：每个像素用01控制
  • 文本模式：直接用ASCII码控制显示字符的形状

由于历史的原因，所有在个人计算机上使用的显卡，在加电自检之后都会把自己初始化到80*25 的文本模式。在这种模式下，屏幕上可以显示25行，每行80个字符，每屏总共2000个字符。

所以，0xB8000-0xBFFFF这段物理地址空间，是留给显卡的，由显卡来提供，用来显示文本。 除非显卡出了毛病，否则这段空间总是可以访问的。 如果显卡出了毛病，计算机一定不会通过加电自检过程，这就是传说中的严重错误，计算机是无法启动的，更不要说加载并执行主引导扇区的内容了。

因此要访问显存，段寄存器要先指向0xB800，然后设置好偏移量，将对应的字符和显示属性放入该内存地址中。

80*25文本模式颜色表

屏幕上的每个字符都对应着显存中连续两个字节，前一字节是字符的ASCII码，后一字节是字符的显示属性。

字符的显示属性分为两部分，低4位定义的是前景色，高4位定义的是背景色。K=0时不闪烁，K=1时闪烁。

R G B 背景色 前景色(I=0) 前景色(I=1)
0 0 0 黑 黑 灰
0 0 1 蓝 蓝 浅蓝
0 1 0 绿 绿 浅绿
0 1 1 青 青 浅青
1 0 0 红 红 浅红
1 0 1 品红 品红 浅品红
1 1 0 棕 棕 黄
1 1 1 白 白 亮白

即连续两个字节为(ASCII)(KRGB)(IRGB)，如0000 0000 0000 0101代表黑底（背景）品红字（前景）ASCII码为0x00的字符。

软盘

通常一个扇区尺寸是512B，可以看成是一个数据块(block)。 1440KB=1474560B，1B=8b等同于两个hex位。 1.44M的软盘一共包含2880个扇区。

采用磁头、磁道和扇区这种模式来访问硬盘的方法称为CHS模式，但不是很方便。 后来引入了逻辑块地址(Logical Block Address, LBA)的概念。 现在市场上销售的硬盘，无论是哪个厂家生产的，都支持LBA模式。

LBA模式是由硬盘控制器在硬件一级上提供支持，所以效率很高，兼容性很好。 LBA模式不考虑扇区的物理位置（磁头号、磁道号），而是把它们全部组织起来统一编号。 在这种编址方式下，原先的物理扇区被组织成逻辑扇区，且都有唯一的逻辑扇区号。

软盘有2个磁头(head)/面(side)，有80个柱面(cylinder)，每一个道(track)18个扇区(sector)。 柱面和磁头从0开始计数，扇区从1开始计数。

#define FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK 18

void lba_2_chs(uint32_t lba, uint16_t* cyl, uint16_t* head, uint16_t* sector)
{
    *cyl    = lba / (2 * FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK);
    *head   = ((lba % (2 * FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK)) / FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK);
    *sector = ((lba % (2 * FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK)) % FLOPPY_144_SECTORS_PER_TRACK + 1);
}

DOS

磁盘操作系统(Disk Operating System, DOS)主要有五部分组成

  • 引导程序(BOOT)：由格式化程序直接写入磁盘初始扇区
  • 基本输入/输出管理程序(PC-DOS为IBMBIO.COM、MS-DOS为IO.SYS)
  • 文件管理和系统功能调用程序(PC-DOS为IBMDOS.COM、MS-DOS为MSDOS.SYS)
  • 命令处理程序(COMMAND.COM)
  • 各种外部命令：完成各种辅助功能的可执行文件

参考资料

完整开发

内核启动

链接

工具

表单

其他

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