练习4：分析bootloader加载ELF格式的OS的过程

练习4文档 相关阅读：硬盘访问概述 相关阅读：ELF文件格式概述

  • bootloader如何读取硬盘扇区的
  • bootloader是如何加载ELF格式的OS

相关文件

bootloader如何读取硬盘扇区的

背景知识

  1. 什么是bootloader

    bootloader是为了加载内核而编写的程序。

  2. bootloader的作用是什么

    1. 将内核加载到内存

    2. 向内核提供正常工作所需的信息

    3. 切换到内核所需的环境

    4. 将控制权转移给内核

  3. 什么是扇区

    磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区。硬盘的读写以扇区为基本单位。

  4. 如何读写扇区

    硬盘相关IO地址及其对应功能：

    0x1f0: 读数据，当0x1f7不为忙状态时，可以读

    0x1f2: 要读写的扇区数，每次读写前，你需要表明你要读写几个扇区。最小是1个扇区

    0x1f3: 如果是LBA模式，就是LBA参数的0-7位

    0x1f4: 如果是LBA模式，就是LBA参数的8-15位

    0x1f5: 如果是LBA模式，就是LBA参数的16-23位

    0x1f6: 第0~3位：如果是LBA模式就是24-27位 第4位：为0主盘；为1从盘

    0x1f7: 状态和命令寄存器。操作时先给命令，再读取，如果不是忙状态就从0x1f0端口读数据

    读取扇区的流程大致如下：

    1. 等待磁盘准备好
    2. 发出读取扇区的命令
    3. 等待磁盘准备好
    4. 把磁盘扇区数据读到指定内存

问题分析

  1. bootloader是如何读取硬盘扇区的

    参考以下代码：

    //    File:    bootmain.c
//    Line:    43-61

/* 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);
}

    其中，waitdisk函数的代码为：

    //    File:    bootmain.c
//    Line:    36-41

/* waitdisk - wait for disk ready */
static void
waitdisk(void) {
    while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
        /* do nothing */;
}

    由以上代码可知，bootloader读取硬盘扇区步骤为

    1. 从0x1F7端口读硬盘状态，直到硬盘不忙
    2. 向0x1F2端口发送读写的扇区数量
    3. 向0x1F3~0x1F6端口发送LBA参数
    4. 向0x1F7端口发送读扇区的指令
    5. 从0x1F7端口读硬盘状态，直到硬盘不忙
    6. 从0x1F0端口读入扇区内容至dst

参考文献

bootloader是如何加载ELF格式的OS

背景知识

  1. ELF是什么

    ELF是类Unix系统上的一种文件格式，常用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库和核心转储格式文件。

  2. ELF的格式是什么

    参考代码：

    //    File:    elf.h
//    Line:    8-25

/* file header */
struct elfhdr {
    uint32_t e_magic;     // must equal ELF_MAGIC
    uint8_t e_elf[12];
    uint16_t e_type;      // 1=relocatable, 2=executable, 3=shared object, 4=core image
    uint16_t e_machine;   // 3=x86, 4=68K, etc.
    uint32_t e_version;   // file version, always 1
    uint32_t e_entry;     // entry point if executable
    uint32_t e_phoff;     // file position of program header or 0
    uint32_t e_shoff;     // file position of section header or 0
    uint32_t e_flags;     // architecture-specific flags, usually 0
    uint16_t e_ehsize;    // size of this elf header
    uint16_t e_phentsize; // size of an entry in program header
    uint16_t e_phnum;     // number of entries in program header or 0
    uint16_t e_shentsize; // size of an entry in section header
    uint16_t e_shnum;     // number of entries in section header or 0
    uint16_t e_shstrndx;  // section number that contains section name strings
};

问题分析

  1. bootloader是如何加载ELF格式的OS

    参考代码：

    //    File:    bootmain.c
//    Line:    85-115

/* 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);
}

    由代码可知，bootloader加载OS的流程为：

    1. 将硬盘第一个扇区的内容读入ELFHDR
    2. 验证ELFHDR是否为合格的ELF格式
    3. 加载ELF的每个程序段
    4. 调用ELF头内的OS入口，加载OS成功

参考文献

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