处理器以‘字节’管理和访问内存,每个字节都有独立的地址,即物理地址。有两种地址映射方式:分段和分页,skelix内核中都用到了。
段对于我们来说再熟悉不过了,先回顾一下dos时期的段吧。它是一个16位的寄存器,所以最多可以直接访问2^16字节的内存,即64K。这对应用程序来说太少了,于是Intel使用Segment:Offset结合方式来表示一个虚拟地址。段寄存器左移4位加上偏移就得到实际的物理地址了。例如,0x7c00:0x0189表示物理地址0x7c189,而不是0x7c000189。计算过程如下:
7C000
+ 0189
-------
7C189
现在我们来计算最大可以访问的地址:FFFF:FFFF
FFFF0
+ FFFF
-------
10FFEF
这个范围是1M + 65519 bytes, 因为在80386中使用了20位地址线,所以可以额外多访问65519个字节虚拟地址,例如地址0x100010被映射到地址0x10,访问这两个地址是等价的。
表示同一个物理地址有多种方式,例如07C0:0000和0000:7C00 就是一样的。
另一个概念是线性地址,这个是32位地址,只有当分页机制开启时才有效,文章后面会提到它。
引导过程
当系统上电或RESET时,处理器将执行一些列的初始化,寄存器被设置成非预知状态,并且cpu处于实模式。也许你想知道cpu是怎样设置segment:offset为物理地址FFFF0的(0xf000:0xfff0就是bios入口地址),这是因为cs寄存器有一个非可见部分,它保存了ffff:0000地址,并且cs在初始化时会被装入f000值。此后以正常方式使用它。当bois取得控制权后,根据用户配置(从软驱,硬盘,或cdrom)中读取第一个sector到00007C00,并跳转到该地址执行(就是引导程序bootstrap)。在bootstrap中我们可以使用bios中断,但是进入kernel后就不能再使用了。
程序一:使用as和ld的范例
你可以在下载源程序的01/first.cry/bootsect.s
.text .text表示代码段
.globl start表示start可以用作外部符号
.code16 GCC默认使用32位地址和操作数,这里告诉它使用16位
start:
jmp
start 死循环
.org 0x1fe,
0x90 .org NEW-LC,
FILL,说明:这里填充0x90,是nop指令的机器码
.word 0xaa55
讲解:.org指令指示下一个数据地址,为了编译这个程序,我们写了一个Makefile,总不能老是敲命令吧,呵呵。
网络上可以找到很多写Makefile的资料,编译选项才是我们关注的焦点。
01/first.cry/Makefile
AS=as
gcc汇编工具
LD=ld
gcc连接器
.s.o:
${AS} -a $< -o $*.o >$*.map
all: final.img
final.img: bootsect
mv bootsect final.img
bootsect: bootsect.o
${LD} --oformat binary -N -e start -Ttext 0x7c00 -o bootsect $<
讲解:ld可以被配置为支持多于一种的目标文件. binary表示没有程序头和其他信息,仅仅是一些裸数据。如果没有这个选项,将被默认链接为elf格式。-N把text和data节设置为可读写。-Ttext将text节起始地址设置为0x7c00(在jmp和数据引用等重定位链接时会用到这个参考值),所有的引用地址都是在7c00这个地址上加出来的。-e选项指定程序入口点
现在我们运行make指令编译一下:
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$ ls
bootsect.s COPYING Makefile
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$ make
as -a bootsect.s -o bootsect.o >bootsect.map
ld --oformat binary -N -e start -Ttext 0x7c00 -o bootsect bootsect.o
mv bootsect final.img
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$ ls
bootsect.map bootsect.o
bootsect.s COPYING final.img
Makefile
[root@root~/source/os/skelix/01/first.cry]$
现在,我们启动vmware,运行,载入软驱映象文件"final.img",我们得到一个黑屏,这是正确的,因为我们什么也没有做。
程序一:显示 Hello World!
好了,上面的黑屏程序并不是太好玩,现在我们尝试在上面打印"Hello World!"
01/hello.world/bootsect.s
.text
.globl start
.code16
start:
jmp code
msg:
使用jmp指令跳过该变量,这是我们为什么在Makefile使用-N链接选项了
.string "Hello World!\x0"
code:
movw $0xb800,%ax
movw
%ax,
%es es段设置成B800,如前所述,segment:offset地址映射方式,它指向B8000,
这意味着第一个字节地址是0(映射到B8000),属性字节是1(映射到B8001)
B8001值设置为0x07可以将这个byte颜色设置为黑底白字。
xorw
%ax, %ax
movw
%ax, %ds
movw $msg,
%si 为movsb指令设置正确的si和di
xorw
%di, %di
cld
movb $0x07,
%al 字的颜色
1:
cmp
$0, (%si)
je 1f
movsb
stosb
jmp 1b
1: jmp 1b
.org 0x1fe, 0x90
.word 0xaa55