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MBR引导程序简单实现

创作时间:

作者:

@小白创作中心

MBR引导程序简单实现

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/qq_31841383/article/details/137728140

想要进行Linux内核开发，就必须要对计算机的启动流程有一个大致的了解，知道系统开机后，它的内部到底做了什么事，我们的系统是怎么跑起来的，同时还需要学习MBR的作用，开机后BIOS检测内存、显卡等外设信息，完成初始化硬件的工作后，就将接力棒交由MBR来加载我们的内核，本博客的初步工作就是编写一个简单的MBR。

MBR（主引导记录）是存储在计算机硬盘的第一个扇区中的一个特殊的引导扇区。它包含了启动计算机所需的信息，例如分区表和引导程序。当计算机开机时，BIOS会读取MBR中的引导程序，并将控制权交给它。引导程序再根据分区表信息加载操作系统的引导程序，最终启动操作系统。因此，MBR是计算机启动的关键。

BIOS
BIOS的启动
地址0x7c00
MBR简介
自己写一个内核程序
1. 制作一个镜像
2. bochsrc配置文件
3. boot.asm编译
4. 运行和验证

1. BIOS

当我们按下计算机的power键，然后计算机上电启动，运行BIOS（基本输入输出系统），BIOS的存放位置在哪呢？其实这和实模式下的1MB布局有关。

BIOS程序是主板自带的，出厂之前烧录到主板的ROM里面的

众所周知，Intel 8086有20条地址线，即可以访问1MB的内存空间，其中1MB=2的20次方=1048576，也就是16进制下的0x00000—0xFFFFF。

这里比较重要的是画红框的两个地址，后面会讲到。

从以上的内存分布可以看到，地址0—0x9FFFF处是动态随机访问内存DRAM（动态随机访问内存，断电即丢失），也就是我们插在主板的内存条，但是，内存条的内存不等于全部的物理内存，而0xF0000—0xFFFFF这64KB内存则是ROM（只读存储），其中存放BIOS的代码（其实这里存储的只是跳转指令）。是 BIOS 的入口地址，此处的内容是跳转指令

jmp f000: e05b

。其中其中

0xFFFF0—0xFFFFF

这段 16 字节，BIOS 的作用是 检测、初始化硬件和建立中断向量表，这里的建立操作对硬件来说就是 IO 操作。

BIOS主要用来检测和初始化硬件，建立中断向量表。BIOS程序在内存最开始的位置(即 0x00000) 用1KB的内存空间(0x00000 ~ 0x003FF)构建中断向量表, 并在紧挨着它的位置用256 B的内存构建BIOS 数据区(0x00400 ~ 0x004FF)，在大约56KB以后的位置（0x0E2CE）加载 8KB 左右的与中断向量表相应的若干中断服务程序。

实模式（实地址模式）

计算机刚加电时处于实模式下

程序按照8086寻址方式访问0h-FFFFFh（1MB）空间

寻址方式：物理地址（20位）=段地址：偏移地址

CPU单任务运行

保护模式

计算机启动成功后处于保护模式下

寻址方式：段（32位）和偏移量（32位），寻址4GB空间

段页式寻址机制（段，页）

虚拟地址，进程，封闭空间

应用程序和操作系统的运行环境都被保护

CPU支持多任务

2. BIOS的启动

BIOS作为计算机上第一个启动的软件，是由只读存储器ROM加载的，其入口地址就是0xFFFF0；当CPU去执行BIOS时，其cs:ip值会组合成0xFFFF0。CPU访问内存采用的是分段访问机制，即段地址+偏移地址；由于在实模式下，段地址需要乘以16再和偏移地址相加，从而得到物理地址。而在开机的一瞬间，CPU的cs:ip寄存器就会被强制初始化为0xF000:0xFFF0，就此得到BIOS的入口地址0xFFFF0。由于BIOS是在实模式下运行的，而实模式只能访问1MB的空间，而0xFFFF0离1MB只有16字节了，并不足够存放BIOS的代码，因此物理地址0xFFFF0处存放的内容实际上是跳转指令(jmp f000:e05b)，让CPU的执行流跳转到BIOS代码真正开始的地方。紧接着BIOS便会开始检测内存、显卡等外设信息，然后初始化硬件，在0x000—0x3FF处建立数据结构、中断向量表IVT并填写中断例程。到此，BIOS便完成了自己的使命，接下来进行接力，将执行权交给MBR。

3. 地址0x7c00

BIOS的最后一项工作是校验启动盘中位于0盘0道1扇区（也就是主引导记录MBR）的内容，如果此扇区末尾两个字节是0x55和0xaa，BIOS便会认为此扇区中确实存在可执行程序（包括内核程序），然后将可执行程序加载到地址0x7c00，也就是说，这些可执行程序（包括内核程序）就放在内存物理地址为0x7c00的位置上。

MBR主引导扇区位于磁盘的第一个扇区，即0号扇区，主要由引导代码、分区表、结束标志（0x55 0xaa）三部分构成，总共占512字节。

4. MBR简介

首先明确一点：主引导记录(MBR,Master Boot Record)是装有Linux系统的硬盘的第一个扇区,即C/H/S地址的0柱面0磁头1扇区,也叫做MBR扇区（来源百度百科）。所以MBR应该是一个硬件。

在这里我们简单介绍一下MBR。

计算机接电后运行的是BIOS，它完成检测和初始化工作后就会处理器使用权交给MBR。MBR位于整个硬盘最开始的扇区，称为MBR主引导扇区，其内容是：

446字节的引导程序和参数；

64字节的分区表；

2字节结束标级0x55和0xaa。

在得到控制权后，MBR开始寻找“次引导程序”（内核加载程序），然后再移交控制权。

MBR找到第一个活动分区后，会加载活动分区的代码。通常这段代码所在位置也是活动分区的第一个扇区，即512KB，这段代码通常被称为boot代码(boot.bin)，这个扇区的最后两个字节也是0x55aa。最后MBR会将权限交给boot.bin，实际上boot.bin可以直接就是内核代码本身。

可以用下面这张简图，描述一下内核程序的加载运行流程。

5. 自己写一个内核程序

本部分将做一个实验，验证上面的一系列说法。

MBR的大小必须是512字节，我们使用bochs模拟器，它模拟的是x86平台。

1. 制作一个镜像

Linux命令行下输入bximage指令：输入1，回车——>输入fd，回车——>我选择的默认大小1.44M，直接回车——>输入镜像名：boot.img。

创建成功后，目录下就会生成boot.img文件，同时Linux会输出以上信息，注意上面画红框的内容，意思是说：“floppya:image="boot.img", status=inserted”这句话要出现在bochsrc配置文件中。

2. bochsrc配置文件

下面创建bochsrc配置文件，文件内容如下：


# 下面两个配置可以打开寄存器监视窗口
# magic_break: enabled=1
# display_library: x, options="gui_debug"
megs: 32
romimage: file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latest
floppya: 1_44=boot.img, status=inserted
boot: a
floppya:image="boot.img", status=inserted
log: run.log
mouse: enabled=0
keyboard: keymap=$BXSHARE/keymaps/x11-pc-us.map

下一步，就开始些内核文件，命名为boot.asm。内容简单写一下，大概作用就是让内核程序打印出一句话——“hello,Linux!”。


ORG 0x7c00 ;程序开始的地址
    mov ax,cs ;使用cs初始化其他寄存器
    mov ds,ax ;通过jmp 0:0x7c00到的MBR开始地址
    mov es,ax ;此时ax为0，也就是用0初始化其他寄存器
    
    call MyPrint  ;打印函数
    jmp $   ;让程序死循环
MyPrint:
    mov ax,msg
    mov bp,ax
    mov cx,16
    mov ax,0x01301
    mov bx,0x000c
    mov dl,0
    int 10h    ;中断
    ret
msg: db "hello,Linux!"
times 510 - ($ - $$) db 0 ;填充剩下的空间，使生成的二进制代码为512字节
db 0x55, 0xaa  ;MBR结束标志

$和$$是nasm编译器中的关键字，用来表示当前行和本section的地址，而该地址是由编译器确定的，默认情况下它们的值是相对于本文件开头的偏移量。

org是一个伪指令，这些伪指令并不是真正的汇编代码，而是给编译器使用的。

section定义的段
（PS：2.8段的概念_10000h到100ff单元组成的一个段,该段的所有有关信息有哪些-CSDN博客）
$：代码当前位置
$$: 段当前的起始位置。

3. boot.asm编译

下面开始对boot.asm进行编译
nasm boot.asm -o boot.o
dd if=boot.o of=boot.img bs=512 count=1 conv=notrunc
dd是Linux的一个命令，用于磁盘操作，键入man dd可以看到该语句的帮助文件，简单来说该语句主要内容是：
if 指定要读取的文件
of 指定把数据输出到哪个文件
bs 指定块的大小
count 指定拷贝的块数
conv 指定如何转换文件

4. 运行和验证

然后我们就可以运行这个MBR程序了！输入bochs -q -f bochsrc，可以看到：

继续输入c，则会看到内核会打印出“hello,Linux!”。

按ctrl+c，退出输入行，再输入exit，退出程序。

如果在bochsrc配置文件中开启下面这两个配置，就会开启寄存器监控窗口：

magic_break: enabled=1
display_library: x, options="gui_debug"

继续运行bochs -q -f bochsrc，就能看到如下窗口，每个寄存器的数据信息就显示出来了，这对于后期继续调试寄存器很重要。

CPU在运行程序时，一般是从内存中将数据读入到合适的寄存器，在寄存器中计算好结果，再将结果写会内存。

点击左上角的Continue，依然会显示：

同时我们也寄存器窗口看到有这样一段信息： jmpf 0xf000:e05b。


jmp f000:e05b

它的意思是跳转到了(f000 << 4) + e05b = fe05b处，这里的段基址左移四位的原因是，在实模式下段基址寄存器只有16位，想一下，16位的寄存器最多访问2^16=64KB的空间，我们想访问实模式下1MB的空间的话就需要将段基址左移4位，自然就可以访问到1MB的空间了，这么做的原因也是出于兼容性而采取的曲线救国方式，虽然我们现在的OS都已经到了64位，它还得向下兼容。

当我们的电脑加电的一瞬间cs：ip就会被强制置位f000:e05b了，接下来就对内存，显卡等外设进行检查，做好它的初始化工作之后就完成它的任务了，在最后的时候，BIOS会通过绝对远跳，将控制权交给MBR，让它来加载内核。