大师兄

11 | 设置工作模式与环境（中）：建造二级引导器

你好，我是LMOS。

上节课，我们建造了属于我们的“计算机”，并且在上面安装好了GRUB。这节课我会带你一起实现二级引导器这个关键组件。

看到这儿你可能会问，GRUB不是已经把我们的操作系统加载到内存中了吗？我们有了GRUB，我们为什么还要实现二级引导器呢？

这里我要给你说说我的观点，二级引导器作为操作系统的先驱，它需要收集机器信息，确定这个计算机能不能运行我们的操作系统，对CPU、内存、显卡进行一些初级的配置，放置好内核相关的文件。

因为我们二级引导器不是执行具体的加载任务的，而是解析内核文件、收集机器环境信息，它具体收集哪些信息，我会在下节课详细展开。

设计机器信息结构

二级引导器收集的信息，需要地点存放，我们需要设计一个数据结构。信息放在这个数据结构中，这个结构放在内存1MB的地方，方便以后传给我们的操作系统。

为了让你抓住重点，我选取了这个数据结构的关键代码，这里并没有列出该结构的所有字段（Cosmos/initldr/include/ldrtype.h），这个结构如下所示。

typedef struct s_MACHBSTART
    {
        u64_t   mb_krlinitstack;//内核栈地址
        u64_t   mb_krlitstacksz;//内核栈大小
        u64_t   mb_imgpadr;//操作系统映像
        u64_t   mb_imgsz;//操作系统映像大小
        u64_t   mb_bfontpadr;//操作系统字体地址
        u64_t   mb_bfontsz;//操作系统字体大小
        u64_t   mb_fvrmphyadr;//机器显存地址
        u64_t   mb_fvrmsz;//机器显存大小
        u64_t   mb_cpumode;//机器CPU工作模式
        u64_t   mb_memsz;//机器内存大小
        u64_t   mb_e820padr;//机器e820数组地址
        u64_t   mb_e820nr;//机器e820数组元素个数
        u64_t   mb_e820sz;//机器e820数组大小
        //……
        u64_t   mb_pml4padr;//机器页表数据地址
        u64_t   mb_subpageslen;//机器页表个数
        u64_t   mb_kpmapphymemsz;//操作系统映射空间大小
        //……
        graph_t mb_ghparm;//图形信息
    }__attribute__((packed)) machbstart_t;

规划二级引导器

在开始写代码之前，我们先来从整体划分一下二级引导器的功能模块，从全局了解下功能应该怎么划分，这里我特意为你梳理了一个表格。

前面表格里的这些文件，我都放在了课程配套源码中了，你可以从这里下载。

上述这些文件都在lesson10～11/Cosmos/initldr/ldrkrl目录中，它们在编译之后会形成三个文件，编译脚本我已经写好了，下面我们用一幅图来展示这个编译过程。

这最后三个文件用我们前面说的映像工具打包成映像文件，其指令如下。

lmoskrlimg -m k -lhf initldrimh.bin -o Cosmos.eki -f initldrkrl.bin initldrsve.bin

实现GRUB头

我们的GRUB头有两个文件组成，一个imginithead.asm汇编文件，它有两个功能，既能让GRUB识别，又能设置C语言运行环境，用于调用C函数；第二就是inithead.c文件，它的主要功能是查找二级引导器的核心文件——initldrkrl.bin，然后把它放置到特定的内存地址上。

我们先来实现imginithead.asm，它主要工作是初始化CPU的寄存器，加载GDT，切换到CPU的保护模式，我们一步一步来实现。

首先是GRUB1和GRUB2需要的两个头结构，代码如下。

MBT_HDR_FLAGS	EQU 0x00010003
    MBT_HDR_MAGIC	EQU 0x1BADB002
    MBT2_MAGIC	EQU 0xe85250d6
    global _start
    extern inithead_entry
    [section .text]
    [bits 32]
    _start:
    	jmp _entry
    align 4
    mbt_hdr:
    	dd MBT_HDR_MAGIC
    	dd MBT_HDR_FLAGS
    	dd -(MBT_HDR_MAGIC+MBT_HDR_FLAGS)
    	dd mbt_hdr
    	dd _start
    	dd 0
    	dd 0
    	dd _entry
    ALIGN 8
    mbhdr:
    	DD	0xE85250D6
    	DD	0
    	DD	mhdrend - mbhdr
    	DD	-(0xE85250D6 + 0 + (mhdrend - mbhdr))
    	DW	2, 0
    	DD	24
    	DD	mbhdr
    	DD	_start
    	DD	0
    	DD	0
    	DW	3, 0
    	DD	12
    	DD	_entry 
    	DD  0  
    	DW	0, 0
    	DD	8
    mhdrend:

然后是关中断并加载GDT，代码如下所示。

_entry:
    	cli           ；关中断
    	in al, 0x70 
    	or al, 0x80	
    	out 0x70,al  ；关掉不可屏蔽中断   
    	lgdt [GDT_PTR] ；加载GDT地址到GDTR寄存器
    	jmp dword 0x8 :_32bits_mode ；长跳转刷新CS影子寄存器
      ;………………
    ;GDT全局段描述符表
    GDT_START:
    knull_dsc: dq 0
    kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
    kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
    k16cd_dsc: dq 0x00009e000000ffff ；16位代码段描述符
    k16da_dsc: dq 0x000092000000ffff ；16位数据段描述符
    GDT_END:
    GDT_PTR:
    GDTLEN	dw GDT_END-GDT_START-1	;GDT界限
    GDTBASE	dd GDT_START

最后是初始化段寄存器和通用寄存器、栈寄存器，这是为了给调用inithead_entry这个C函数做准备，代码如下所示。

_32bits_mode：
    	mov ax, 0x10
    	mov ds, ax
    	mov ss, ax
    	mov es, ax
    	mov fs, ax
    	mov gs, ax
    	xor eax,eax
    	xor ebx,ebx
    	xor ecx,ecx
    	xor edx,edx
    	xor edi,edi
    	xor esi,esi
    	xor ebp,ebp
    	xor esp,esp
    	mov esp,0x7c00 ；设置栈顶为0x7c00
    	call inithead_entry ；调用inithead_entry函数在inithead.c中实现
    	jmp 0x200000  ；跳转到0x200000地址

上述代码的最后调用了inithead_entry函数，这个函数我们需要另外在inithead.c中实现，我们这就来实现它，如下所示。

#define MDC_ENDGIC 0xaaffaaffaaffaaff
    #define MDC_RVGIC 0xffaaffaaffaaffaa
    #define REALDRV_PHYADR 0x1000
    #define IMGFILE_PHYADR 0x4000000
    #define IMGKRNL_PHYADR 0x2000000
    #define LDRFILEADR IMGFILE_PHYADR
    #define MLOSDSC_OFF (0x1000)
    #define MRDDSC_ADR (mlosrddsc_t*)(LDRFILEADR+0x1000)
    
    void inithead_entry()
    {
        write_realintsvefile();
        write_ldrkrlfile();
        return;
    }
    //写initldrsve.bin文件到特定的内存中
    void write_realintsvefile()
    {
        fhdsc_t *fhdscstart = find_file("initldrsve.bin");
        if (fhdscstart == NULL)
        {
            error("not file initldrsve.bin");
        }
        m2mcopy((void *)((u32_t)(fhdscstart->fhd_intsfsoff) + LDRFILEADR),
                (void *)REALDRV_PHYADR, (sint_t)fhdscstart->fhd_frealsz);
        return;
    }
    //写initldrkrl.bin文件到特定的内存中
    void write_ldrkrlfile()
    {
        fhdsc_t *fhdscstart = find_file("initldrkrl.bin");
        if (fhdscstart == NULL)
        {
            error("not file initldrkrl.bin");
        }
        m2mcopy((void *)((u32_t)(fhdscstart->fhd_intsfsoff) + LDRFILEADR),
                (void *)ILDRKRL_PHYADR, (sint_t)fhdscstart->fhd_frealsz);
        return;
    }
    //在映像文件中查找对应的文件
    fhdsc_t *find_file(char_t *fname)
    {
        mlosrddsc_t *mrddadrs = MRDDSC_ADR;
        if (mrddadrs->mdc_endgic != MDC_ENDGIC ||
            mrddadrs->mdc_rv != MDC_RVGIC ||
            mrddadrs->mdc_fhdnr < 2 ||
            mrddadrs->mdc_filnr < 2)
        {
            error("no mrddsc");
        }
        s64_t rethn = -1;
        fhdsc_t *fhdscstart = (fhdsc_t *)((u32_t)(mrddadrs->mdc_fhdbk_s) + LDRFILEADR);
        for (u64_t i = 0; i < mrddadrs->mdc_fhdnr; i++)
        {
            if (strcmpl(fname, fhdscstart[i].fhd_name) == 0)
            {
                rethn = (s64_t)i;
                goto ok_l;
            }
        }
        rethn = -1;
    ok_l:
        if (rethn < 0)
        {
            error("not find file");
        }
        return &fhdscstart[rethn];
    }

我们实现了inithead_entry函数，它主要干了两件事，即分别调用write_realintsvefile();、write_ldrkrlfile()函数，把映像文件中的initldrsve.bin文件和initldrkrl.bin文件写入到特定的内存地址空间中，具体地址在上面代码中的宏有详细定义。

这两个函数分别依赖于find_file和m2mcopy函数。

正如其名，find_file函数负责扫描映像文件中的文件头描述符，对比其中的文件名，然后返回对应的文件头描述符的地址，这样就可以得到文件在映像文件中的位置和大小了。

find_file函数的接力队友就是m2mcopy函数，因为查找对比之后，最后就是m2mcopy函数负责把映像文件复制到具体的内存空间里。

代码中的其它函数我就不展开了，感兴趣的同学请自行研究，或者自己改写。

进入二级引导器

你应该还有印象，刚才说的实现GRUB头这个部分，在imghead.asm汇编文件代码中，我们的最后一条指令是“jmp 0x200000”，即跳转到物理内存的0x200000地址处。

请你注意，这时地址还是物理地址，这个地址正是在inithead.c中由write_ldrkrlfile()函数放置的initldrkrl.bin文件，这一跳就进入了二级引导器的主模块了。

由于模块的改变，我们还需要写一小段汇编代码，建立下面这个initldr32.asm（配套代码库中对应ldrkrl32.asm）文件，并写上如下代码。

_entry:
    	cli
    	lgdt [GDT_PTR]；加载GDT地址到GDTR寄存器
    	lidt [IDT_PTR]；加载IDT地址到IDTR寄存器
    	jmp dword 0x8 :_32bits_mode；长跳转刷新CS影子寄存器
    _32bits_mode:
    	mov ax, 0x10	; 数据段选择子(目的)
    	mov ds, ax
    	mov ss, ax
    	mov es, ax
    	mov fs, ax
    	mov gs, ax
    	xor eax,eax
    	xor ebx,ebx
    	xor ecx,ecx
    	xor edx,edx
    	xor edi,edi
    	xor esi,esi
    	xor ebp,ebp
    	xor esp,esp
    	mov esp,0x90000 ；使得栈底指向了0x90000
    	call ldrkrl_entry ；调用ldrkrl_entry函数
    	xor ebx,ebx
    	jmp 0x2000000 ；跳转到0x2000000的内存地址
    	jmp $
    GDT_START:
    knull_dsc: dq 0
    kcode_dsc: dq 0x00cf9a000000ffff ;a-e
    kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
    k16cd_dsc: dq 0x00009a000000ffff ；16位代码段描述符
    k16da_dsc: dq 0x000092000000ffff ；16位数据段描述符
    GDT_END:
    GDT_PTR:
    GDTLEN	dw GDT_END-GDT_START-1	;GDT界限
    GDTBASE	dd GDT_START
    
    IDT_PTR:
    IDTLEN	dw 0x3ff
    IDTBAS	dd 0  ；这是BIOS中断表的地址和长度

我来给你做个解读，代码的1～4行是在加载GDTR和IDTR寄存器，然后初始化CPU相关的寄存器。

和先前一样，因为代码模块的改变，所以我们要把GDT、IDT，寄存器这些东西重新初始化，最后再去调用二级引导器的主函数ldrkrl_entry。

巧妙调用BIOS中断

我们不要急着去写ldrkrl_entry函数，因为在后面我们要获得内存布局信息，要设置显卡图形模式，而这些功能依赖于BIOS提供中断服务。

可是，要在C函数中调用BIOS中断是不可能的，因为C语言代码工作在32位保护模式下，BIOS中断工作在16位的实模式。

所以，C语言环境下调用BIOS中断，需要处理的问题如下：

1.保存C语言环境下的CPU上下文 ，即保护模式下的所有通用寄存器、段寄存器、程序指针寄存器，栈寄存器，把它们都保存在内存中。
2.切换回实模式，调用BIOS中断，把BIOS中断返回的相关结果，保存在内存中。
3.切换回保护模式，重新加载第1步中保存的寄存器。这样C语言代码才能重新恢复执行。

要完成上面的功能，必须要写一个汇编函数才能完成，我们就把它写在ldrkrl32.asm文件中，如下所示 。

realadr_call_entry:
    	pushad     ;保存通用寄存器
    	push    ds
    	push    es
    	push    fs ;保存4个段寄存器
    	push    gs
    	call save_eip_jmp ；调用save_eip_jmp 
    	pop	gs
    	pop	fs
    	pop	es      ;恢复4个段寄存器
    	pop	ds
    	popad       ;恢复通用寄存器
    	ret
    save_eip_jmp:
    	pop esi  ；弹出call save_eip_jmp时保存的eip到esi寄存器中， 
    	mov [PM32_EIP_OFF],esi ；把eip保存到特定的内存空间中
    	mov [PM32_ESP_OFF],esp ；把esp保存到特定的内存空间中
    	jmp dword far [cpmty_mode]；长跳转这里表示把cpmty_mode处的第一个4字节装入eip，把其后的2字节装入cs
    cpmty_mode:
    	dd 0x1000
    	dw 0x18
    	jmp $

上面的代码我列了详细注释，你一看就能明白。不过这里唯一不好懂的是jmp dword far [cpmty_mode]指令，别担心，听我给你解读一下。

其实这个指令是一个长跳转，表示把[cpmty_mode]处的数据装入CS：EIP，也就是把0x18：0x1000装入到CS：EIP中。

这个0x18就是段描述索引（这个知识点不熟悉的话，你可以回看我们第五节课），它正是指向GDT中的16位代码段描述符；0x1000代表段内的偏移地址，所以在这个地址上，我们必须放一段代码指令，不然CPU跳转到这里将没指令可以执行，那样就会发生错误。

因为这是一个16位代码，所以我们需要新建立一个文件realintsve.asm，如下所示。

[bits 16]
    _start:
    _16_mode:
    	mov	bp,0x20 ;0x20是指向GDT中的16位数据段描述符 
    	mov	ds, bp
    	mov	es, bp
    	mov	ss, bp
    	mov	ebp, cr0
    	and	ebp, 0xfffffffe
    	mov	cr0, ebp ；CR0.P=0 关闭保护模式
    	jmp	0:real_entry ；刷新CS影子寄存器，真正进入实模式
    real_entry:
    	mov bp, cs
    	mov ds, bp
    	mov es, bp
    	mov ss, bp ；重新设置实模式下的段寄存器 都是CS中值，即为0 
    	mov sp, 08000h ；设置栈
    	mov bp,func_table
    	add bp,ax
    	call [bp] ；调用函数表中的汇编函数，ax是C函数中传递进来的
    	cli
    	call disable_nmi
    	mov	ebp, cr0
    	or	ebp, 1
    	mov	cr0, ebp ；CR0.P=1 开启保护模式
    	jmp dword 0x8 :_32bits_mode
    [BITS 32]
    _32bits_mode:
    	mov bp, 0x10
    	mov ds, bp
    	mov ss, bp；重新设置保护模式下的段寄存器0x10是32位数据段描述符的索引
    	mov esi,[PM32_EIP_OFF]；加载先前保存的EIP
    	mov esp,[PM32_ESP_OFF]；加载先前保存的ESP
    	jmp esi ；eip=esi 回到了realadr_call_entry函数中
    
    func_table:  ;函数表
    	dw _getmmap ；获取内存布局视图的函数
    	dw _read ；读取硬盘的函数
        dw _getvbemode ；获取显卡VBE模式 
        dw _getvbeonemodeinfo ；获取显卡VBE模式的数据
        dw _setvbemode ；设置显卡VBE模式

上面的代码我们只要将它编译成16位的二进制的文件，并把它放在0x1000开始的内存空间中就可以了。这样在realadr_call_entry函数的最后，就运行到这段代码中来了。

上述的代码的流程是这样的：首先从 _16_mode:标号处进入实模式，然后根据传递进来（由ax寄存器传入）的函数号，到函数表中调用对应的函数，里面的函数执行完成后，再次进入保护模式，加载EIP和ESP寄存器从而回到realadr_call_entry函数中。GDT还是imghead.asm汇编代码文件中的GDT，这没有变，因为它是由GDTR寄存器指向的。

说到这里，相信你会立刻明白，之前write_realintsvefile()函数的功能与意义了。它会把映像文件中的initldrsve.bin文件写入到特定的内存地址空间中，而initldrsve.bin正是由上面的realintsve.asm文件编译而成的。

二级引导器主函数

好，现在我们准备得差不多了，从二级引导器的主函数开始，这个函数我们要用C来写，估计你也感受到了写汇编语言的压力，所以不能老是写汇编。

我们先建立一个C文件ldrkrlentry.c，在其中写上一个主函数，代码如下。

void ldrkrl_entry()
    {
        init_bstartparm();
        return;
    }

上述代码中的 ldrkrl_entry()函数在initldr32.asm文件（配套代码库中对应ldrkrl32.asm）中被调用，从那条call ldrkrl_entry 指令开始进入了ldrkrl_entry()函数，在其中调用了init_bstartparm()函数，这个函数我们还没有实现，但通过名字我们不难推测，它是负责处理开始参数的。

你还记不记得，我们建造二级引导器的目的，就是要收集机器环境信息。我们要把这些信息形成一个有结构的参数，传递给我们的操作系统内核以备后续使用。

由此，我们能够确定，init_bstartparm()函数成了收集机器环境信息的主函数，下节课我们就会去实现它。

重点回顾

今天我们开始实现二级引导器了，但是我们还没有完全实现，我们下一节课再接着继续这项工作。

现在，我们来梳理一下这节课的内容，回顾一下我们今天的成果。

1.我们设计了机器信息结构，用于存放后面二级引导器收集到的机器信息。
2.对二级引导器代码模块进行了规划，确定各模块的主要功能。
3.实现了GRUB规定的GRUB头，以便被GRUB识别，在GRUB头中初始化了CPU寄存器，并且跳转到物理内存的0x200000地址处，真正进入到二级引导器中开始运行。
4.为了二级引导器能够调用BIOS中断服务程序，我们实现了专门用来完成调用BIOS中断服务程序的realintsve.asm模块。
5.最后，我们实现了二级引导器的主函数，由它调用完成其它功能的函数。

这里我还想聊聊，为什么我们要花这么多功夫，去设计二级引导器这个组件呢？

我们把这些处理操作系统运行环境的工作独立出来，交给二级引导器来做，这会**大大降低后面开发操作系统的难度，也能增加操作系统的通用性。**而且，针对不同的硬件平台，我们只要开发不同的二级引导器就好了。

思考题

请问GRUB头中为什么需要_entry标号和_start标号的地址？

欢迎你在留言区跟我交流活动。如果你身边的同事、朋友，对二级引导器的建立有兴趣，也欢迎你把这节课分享给他。

好，我是LMOS，我们下节课见！

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