Linux 0.11实验二:操作系统的引导

实验目的

熟悉hit-oslab实验环境;
建立对操作系统引导过程的深入认识;
掌握操作系统的基本开发过程;
能对操作系统代码进行简单的控制,揭开操作系统的神秘面纱

实验内容

此次实验的基本内容是:

阅读《Linux内核完全注释》的第6章,对计算机和Linux 0.11的引导过程进行初步的了解;
按照下面的要求改写0.11的引导程序bootsect.s
有兴趣同学可以做做进入保护模式前的设置程序setup.s。
改写bootsect.s主要完成如下功能:

bootsect.s能在屏幕上打印一段提示信息“XXX is booting…”,其中XXX是你给自己的操作系统起的名字,例如LZJos、Sunix等(可以上论坛上秀秀谁的OS名字最帅,也可以显示一个特色logo,以表示自己操作系统的与众不同。)
改写setup.s主要完成如下功能:

bootsect.s能完成setup.s的载入,并跳转到setup.s开始地址执行。而setup.s向屏幕输出一行”Now we are in SETUP”。
setup.s能获取至少一个基本的硬件参数(如内存参数、显卡参数、硬盘参数等),将其存放在内存的特定地址,并输出到屏幕上。
setup.s不再加载Linux内核,保持上述信息显示在屏幕上即可。

Linux 0.11相关代码详解

boot/bootsect.s、boot/setup.s和tools/build.c是本实验会涉及到的源文件。它们的功能详见《注释》的6.2、6.3节和16章。

如果使用Windows下的环境,那么要注意Windows环境里提供的build.c是一个经过修改过的版本。Linus Torvalds的原版是将0.11内核的最终目标代码输出到标准输出,由make程序将数据重定向到Image文件,这在Linux、Unix和Minix等系统下都是非常有效的。但Windows本身的缺陷(也许是特色)决定了在Windows下不能这么做,所以flyfish修改了build.c,将输出直接写入到Image(flyfish是写入到Boot.img文件,我们为了两个环境的一致,也为了最大化地与原始版本保持统一,将其改为Image)文件中。同时为了适应Windows的一些特殊情况,他还做了其它一些小修改。

引导程序的运行环境

引导程序由BIOS加载并运行。它活动时,操作系统还不存在,整台计算机的所有资源都由它掌控,而能利用的功能只有BIOS中断调用。

完成bootsect.s的屏幕输出功能

首先来看完成屏幕显示的关键代码如下:

接下来,将完成屏幕显示的代码在开发环境中编译,并使用linux-0.11/tools/build.c将编译后的目标文件做成Image文件。

编译和运行

Ubuntu上先从终端进入~/oslab/linux-0.11/boot/目录。Windows上则先双击快捷方式“MinGW32.bat”,将打开一个命令行窗口,当前目录是oslab,用cd命令进入linux-0.11\boot。无论那种系统,都执行下面两个命令编译和链接bootsect.s:

其中-0(注意:这是数字0,不是字母O)表示生成8086的16位目标程序,-a表示生成与GNU as和ld部分兼容的代码,-s告诉链接器ld86去除最后生成的可执行文件中的符号信息。

如果这两个命令没有任何输出,说明编译与链接都通过了。Ubuntu下用ls -l可列出下面的信息:

其中bootsect.o是中间文件。bootsect是编译、链接后的目标文件。

需要留意的文件是bootsect的文件大小是544字节,而引导程序必须要正好占用一个磁盘扇区,即512个字节。造成多了32个字节的原因是ld86产生的是Minix可执行文件格式,这样的可执行文件处理文本段、数据段等部分以外,还包括一个Minix可执行文件头部,它的结构如下:

算一算:6 char(6字节)+1 short(2字节)+6 long(24字节)=32,正好是32个字节,去掉这32个字节后就可以放入引导扇区了(这是tools/build.c的用途之一)。

对于上面的Minix可执行文件,其a_magic[0]=0x01,a_magic[1]=0x03,a_flags=0x10(可执行文件),a_cpu=0x04(表示Intel i8086/8088,如果是0x17则表示Sun公司的SPARC),所以bootsect文件的头几个字节应该是01 03 10 04。为了验证一下,Ubuntu下用命令“hexdump -C bootsect”可以看到:

接下来干什么呢?是的,要去掉这32个字节的文件头部(tools/build.c的功能之一就是这个)!随手编个小的文件读写程序都可以去掉它。不过,懒且聪明的人会在Ubuntu下用命令:

生成的Image就是去掉文件头的bootsect,正好512字节。

去掉这32个字节后,将生成的文件拷贝到linux-0.11目录下,并一定要命名为“Image”(注意大小写)。然后就“run”吧!

 

 

参考链接:

操作系统原理与实践

课程链接:

操作系统之基础

操作系统之进程与线程

操作系统之内存管理

操作系统之外设与文件系统

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