分析 bootloader 加载 ELF 格式的 OS 的过程
bootmian.c
让我们简单地翻译一下这个文件的注释：
磁盘内存布局：
- 这个程序是一个启动加载器 (
bootloader)，它应该在磁盘的第一个扇区上； - 紧接着的第二个扇区存储着内核的镜像，它必须是一个 ELF 格式的文件。
启动的流程：
- 当 CPU 启动时，它首先将 BIOS 加载进内存中，然后执行它；
- 然后 BIOS 会初始化中断周期，然后取出启动程序的第一个选区然后跳转到它；
- 如果启动加载器存储在第一个扇区，控制权就转移到了这个文件中的代码（具体是在
bootasm.S 这个文件中调用的 bootmain() 这个函数）； - 当这个文件中的函数执行完毕之后，内核会被读入，控制权会被转移给内核。
问题一
Boot loader 如何读取硬盘扇区的？
我们看文件中函数 readsect 的注释，就知道用来读取硬盘扇区的是这个函数，我们来逐行解释这个函数：
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| /* readsect - read a single sector at @secno into @dst */
static void
readsect(void *dst, uint32_t secno) {
// wait for disk to be ready
waitdisk();
outb(0x1F2, 1); // count = 1
outb(0x1F3, secno & 0xFF);
outb(0x1F4, (secno >> 8) & 0xFF);
outb(0x1F5, (secno >> 16) & 0xFF);
outb(0x1F6, ((secno >> 24) & 0xF) | 0xE0);
outb(0x1F7, 0x20); // cmd 0x20 - read sectors
// wait for disk to be ready
waitdisk();
// read a sector
insl(0x1F0, dst, SECTSIZE / 4);
}
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- 看文件前的注释可知，函数两个参数的含义：
dst 是目标句柄，secno 是扇区标示； - 根据参考资料，后面的几行是通过 24-bit LBA 的方式读取磁盘（下面进行详细解析）；
- 后面的
insl 函数则是读取四个字节到 dst 这个句柄中；
那么 outb 那几行的具体原理是什么呢，首先我们在 Linux manual 上找到了函数原型：
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| void outb(unsigned char value, unsigned short int port);
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它通过 port 这个 IO 技术与磁盘进行通信，这个技术被简称为 PIO。关于这个技术我找到一个中文的相关博客：网络 IO 与磁盘 IO 详解，其中是这样描述的：
- PIO：我们拿磁盘来说，很早以前，磁盘和内存之间的数据传输是需要 CPU 控制的，也就是说如果我们读取磁盘文件到内存中，数据要经过 CPU 存储转发，这种方式称为 PIO。显然这种方式非常不合理，需要占用大量的 CPU 时间来读取文件，造成文件访问时系统几乎停止响应。
- DMA：后来，DMA（直接内存访问，Direct Memory Access）取代了 PIO，它可以不经过 CPU 而直接进行磁盘和内存的数据交换。在 DMA 模式下，CPU 只需要向 DMA 控制器下达指令，让 DMA 控制器来处理数据的传送即可，DMA 控制器通过系统总线来传输数据，传送完毕再通知 CPU，这样就在很大程度上降低了 CPU占有率，大大节省了系统资源，而它的传输速度与 PIO 的差异其实并不十分明显，因为这主要取决于慢速设备的速度。
- 可以肯定的是，PIO 模式的计算机我们现在已经很少见到了。
在 Stanford 的课件中，我们找到了 24-bit LBA 模式读取磁盘，有更完整注释的代码：
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| IDE_ReadSector(int disk, int off, void *buf) {
outb(0x1F6, disk == 0 ? 0xE0 : 0xF0); // Select Drive
IDEWait();
outb(0x1F2, 512); // Read length (512 B)
outb(0x1F3, off); // LBA Low
outb(0x1F4, off >> 8); // LBA Mid
outb(0x1F5, off >> 16); // LBA High
outb(0x1F7, 0x20); // Read Command
insw(0x1F0, buf, 256); // Read 256 Words
}
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问题二
Boot loader 是如何加载 ELF 格式的 OS？
略读代码发现，读取并解析 ELF 文件字节的是 bootmain 函数在进行的工作：
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| /* bootmain - the entry of bootloader */
void
bootmain(void) {
// read the 1st page off disk
readseg((uintptr_t)ELFHDR, SECTSIZE * 8, 0);
// is this a valid ELF?
if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC) {
goto bad;
}
struct proghdr *ph, *eph;
// load each program segment (ignores ph flags)
ph = (struct proghdr *)((uintptr_t)ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
eph = ph + ELFHDR->e_phnum;
for (; ph < eph; ph ++) {
readseg(ph->p_va & 0xFFFFFF, ph->p_memsz, ph->p_offset);
}
// call the entry point from the ELF header
// note: does not return
((void (*)(void))(ELFHDR->e_entry & 0xFFFFFF))();
bad:
outw(0x8A00, 0x8A00);
outw(0x8A00, 0x8E00);
/* do nothing */
while (1);
}
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- 它首先将磁盘的第一页读取了进来，然后通过文件幻数检查它是否为一个合法的 ELF 文件；
- 程序循环性地调用
readseg 函数，通过 proghdr 结构的参数读取 ELF 文件的内容（此处涉及到 resadseg 函数的具体实现与 proghdr 的结构）； - 然后程序调用 ELF 的入口函数；
在 Stack Overflow 上可以找到结构的具体实现（没什么特别的）：
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| struct Proghdr {
uint32_t p_type;
uint32_t p_offset;
uint32_t p_va;
uint32_t p_pa;
uint32_t p_filesz;
uint32_t p_memsz;
uint32_t p_flags;
uint32_t p_align;
};
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而 readseg 函数具体实现就是同一个文件中：
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| /* *
* readseg - read @count bytes at @offset from kernel into virtual address @va,
* might copy more than asked.
* */
static void
readseg(uintptr_t va, uint32_t count, uint32_t offset) {
uintptr_t end_va = va + count;
// round down to sector boundary
va -= offset % SECTSIZE;
// translate from bytes to sectors; kernel starts at sector 1
uint32_t secno = (offset / SECTSIZE) + 1;
// If this is too slow, we could read lots of sectors at a time.
// We'd write more to memory than asked, but it doesn't matter --
// we load in increasing order.
for (; va < end_va; va += SECTSIZE, secno ++) {
readsect((void *)va, secno);
}
}
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逻辑也相当清晰，注释也很完整，这里就不解释了。