MIT 6.828 JOS学习笔记3. Exercise 1.2

这篇博文是对Lab 1中的Exercise 2的解答~

Exercise 2：

　　使用GDB的'si'命令，去追踪ROM BIOS几条指令，并且试图去猜测，它是在做什么。但是不需要把每个细节都弄清楚。

答：

　　在这里我们将尽可能的去分析每一条指令，由于题目中说我们只需要知道BIOS的几条指令在做什么就够了，所以我们也会尽可能的去分析，由于能力有限，这里面有很多问题还没有解决，希望大家谅解。以后有机会会尽可能的把没分析的命令去补全。

　　首先注意这里是紧接着Lab 1 Part 1.2那篇博文中建立了qemu和gdb调试环境之后进行了，至于如何建立调试环境，大家可以再回到那篇博文中具体查看~

　　在Lab 1 Part 1.2中我们建立了调试环境后，在运行gdb的窗口中会将显示出PC机启动后运行BIOS的第一条命令，如下：

1. 0xffff0:  ljmp $0xf000, $0xe05b    

 

　　这是运行的第一条指令，是一条跳转指令，跳转到0xfe05b地址处。至于要知道这个地址是怎么通过指令中的值计算出来的，我们需要先知道，当PC机启动时，CPU运行在实模式(real mode)下，而当进入操作系统内核后，将会运行在保护模式下(protected mode)。实模式是早期CPU，比如8088处理器的工作模式，这类处理器由于只有20根地址线，所以它们只能访问1MB的内存空间。但是CPU也在不断的发展，之后的80286/80386已经具备32位地址总线，能够访问4GB内存空间，为了能够很好的管理这么大的内存空间，保护模式被研发出来。所以现代处理器都是工作在保护模式下的。但是为了实现向后兼容性，即原来运行在8088处理器上的软件仍旧能在现代处理器上运行，所以现代的CPU都是在启动时运行于实模式，启动完成后运行于保护模式。BIOS就是PC刚启动时运行的软件，所以它必然工作在实模式。

　　至于这两个模式下的运行原理，可以看这个链接：http://blog.csdn.net/zdwzzu2006/article/details/4030948

　　这里先简单介绍一下地址的计算方法，在实模式下，指令中出现的地址都是采用

　　　　(段基址：段内偏移)

　　的形式的。其中这两个字段的值，通常是存放寄存器中的。其中段基址必须放在段寄存器中，包括CS(代码段), DS(数据段), SS(堆栈段), ES(扩展段)。不同的段寄存器存放的是你程序不同的段的起始地址。

　　但是由于8088CPU中寄存器都是16位，而CPU地址总线是20位的，我们怎么通过16位的寄存器去拼接20位的地址呢？

　　所以我们需要采用下面的方法：把段寄存器中的值左移4位，形成20位段基址，然后和16位段内偏移相加，就得到了真实地址。比如上面的指令中段寄存器的内容为0xf000，所以真实地址为 0xf0000<<4+0xe05b = 0xfe05b。

　

2. 0xfe05b: cmpl $0x0, $cs:0x6ac8

　　下一条指令，把0x0这个立即数和$cs:0x6ac8所代表的内存地址处的值比较，至于为什么这样比较，现在还不是很清楚。其中$cs:0x6ac8就是我们刚刚介绍的在实模式下地址形成的格式，其中$cs就代表CS段寄存器的值。

 

3. 0xfe062:  jne  0xfd2e1

　　 jne指令：如果ZF标志位为0的时候跳转，即上一条指令cmpl的结果不是0时跳转，也就是$cs:0x6ac8地址处的值不是0x0时跳转。

 

4. 0xfe066:  xor  %dx, %dx

　　下一条指令地址是0xfe066，可见上面的跳转指令并没有跳转。这条指令的功能是把dx寄存器清零。

 

5. 0xfe068:  mov  %dx %ss
6. 0xfe06a:  mov  $0x7000, %esp
7. 0xfe070:  mov  $0xf34d2, %edx
8. 0xfe076:  jmp  0xfd15c
9. 0xfd15c:  mov  %eax, %ecx

　　接下来的这些指令就是设置一些寄存器的值，具体含义现在不明白..

　　这里要注意第8条指令，进行了绝对跳转。

 

10. 0xfd15f:  cli

　  关闭中断指令。这个比较好理解，启动时的操作是比较关键的，所以肯定是不能被中断的。这个关中断指令用于关闭那些可以屏蔽的中断。比如大部分硬件中断。

 

11. 0xfd160:  cld

　  设置方向标识位为0，表示后续的串操作比如MOVS操作，内存地址的变化方向，如果为0代表从低地址值变为高地址。

　  具体什么是串操作，可以看这个链接：http://www.tyut.edu.cn/kecheng1/2008/site04/courseware/chapter3/3-3-4.html

 

12. 0xfd161:  mov  $0x8f, %eax
13. 0xfd167:  out  %al, $0x70
14. 0xfd169:  in  $0x71, %al

　  这三个操作中涉及到两个新的指令out, in。这两个操作是用于操作IO端口的。这种IO端口的操作我们后面会经常接触到，这里大致说下。

　  CPU与外部设备通讯时，通常是通过访问，修改设备控制器中的寄存器来实现的。那么这些位于设备控制器当中的寄存器也叫做IO端口。为了方便管理，80x86CPU采用IO端口单独编址的方式，即所有设备的端口都被命名到一个IO端口地址空间中。这个空间是独立于内存地址空间的。所以必须采用和访问内存的指令不一样的指令来访问端口。

 　 所以这里引入in，out操作：

　      in %al, PortAddress    向端口地址为PortAddress的端口写入值，值为al寄存器中的值

　　   out PortAddres,%al    把端口地址为PortAddress的端口中的值读入寄存器al中

　  标准规定端口操作必须要用al寄存器作为缓冲。

　  那么这三条命令就是要操作端口0x70，0x71，它们对应的是什么设备呢？根据下面的链接中所提供的清单（这个连接之后会经常用到，建议大家收藏）：http://bochs.sourceforge.net/techspec/PORTS.LST

　  我们知道了，0x70端口和0x71端口是用于控制系统中一个叫做CMOS的设备，这个设备是一个低功耗的存储设备，它可以用于在计算机关闭时存储一些信息，它是由独立的电池供电的。这个链接有详细介绍http://wiki.osdev.org/CMOS

　  这个CMOS中可以控制跟PC相关的多个功能，其中最重要的就是时钟设备（Real Time Clock）的 ，它还可以控制是否响应不可屏蔽中断NMI(Non-Maskable Interrupt)。

　  操作CMOS存储器中的内容需要两个端口，一个是0x70另一个就是0x71。其中0x70可以叫做索引寄存器，这个8位寄存器的最高位是不可屏蔽中断(NMI)使能位。如果你把这个位置1，则NMI不会被响应。低7位用于指定CMOS存储器中的存储单元地址，所以如果你想访问第1号存储单元，并且在访问时，我要使能NMI，那么你就应该向端口0x70里面送入0b10000001 = 0x81。

　  即mov $0x81, %al

        out %al, 0x70

　   然后对于这个地址单元的操作，比如读或者写就可以由0x71端口完成，比如你现在想从1号存储单元里面读出它的值，在完成上面的两条指令后，就可以输入这条指令

　　　in $0x71, %al 

　　再回到我们的系统，这三条指令可以看出，它首先关闭了NMI中断，并且要访问存储单元0xF的值，并且把值读到al中，但是在后面我们发现这个值并没有被利用，所以可以认为这三条指令是用来关闭NMI中断的。

　　

15. 0xfd16b:  in  $0x92, %al
16. 0xfd16d:  or  $0x2, %al
17. 0xfd16f:  out  %al, $0x92

 

　　这三步操作又是在控制端口，此时被控制的端口号为0x92，通过上面那个链接 http://bochs.sourceforge.net/techspec/PORTS.LST

　　我们可以查看到，它控制的是 PS/2系统控制端口A，而第16，17步的操作明显是在把这个端口的1号bit置为1。这个端口的bit1的功能是

　　　　bit 1= 1 indicates A20 active

　　 即A20位，即第21个地址线被使能，了解实模式和保护模式的同学肯定清楚，如果A20地址线被激活，那么系统工作在保护模式下。但是在之后的boot loader程序中，计算机首先要工作在实模式下啊。所以这里的这个操作，根据网上 http://kernelx.weebly.com/a20-address-line.html 所说应该是去测试可用内存空间。在boot loader之前，它肯定还会转换回实模式。

 

18. 0xfd171:  lidtw  %cs:0x6ab8

　　lidt指令：加载中断向量表寄存器(IDTR)。这个指令会把从地址0xf6ab8起始的后面6个字节的数据读入到中断向量表寄存器(IDTR)中。中断是操作系统中非常重要的一部分，有了中断操作系统才能真正实现进程。每一种中断都有自己对应的中断处理程序，那么这个中断的处理程序的首地址就叫做这个中断的中断向量。中断向量表自然是存放所有中断向量的表了。关于中断向量表的介绍，大家可以戳这个链接 http://wiki.osdev.org/Interrupt_Descriptor_Table 

　　

19. 0xfd177:  lgdtw  %cs:0x6a74 

　  把从0xf6a74为起始地址处的6个字节的值加载到全局描述符表格寄存器中GDTR中。这个表实现保护模式非常重要的一部分，我们在介绍boot loader时会具体介绍它。

 

20. 0xfd17d:  mov  %cr0, %eax
21. 0xfd180:  or  $0x1, %eax
22. 0xfd184:  mov  %eax, %cr0

　　计算机中包含CR0~CR3四个控制寄存器，用来控制和确定处理器的操作模式。其中这三个语句的操作明显是要把CR0寄存器的最低位(0bit)置1。CR0寄存器的0bit是PE位，启动保护位，当该位被置1，代表开启了保护模式。但是这里出现了问题，我们刚刚说过BIOS是工作在实模式之下，后面的boot loader开始的时候也是工作在实模式下，所以这里把它切换为保护模式，显然是自相矛盾。所以只能推测它在检测是否机器能工作在保护模式下。

 

23. 0xfd187:  ljmpl  $0x8, $0xfd18f
24. 0xfd18f:   mov  $0x10, %eax
25. 0xfd194:  mov  %eax, %ds
26. 0xfd196:  mov  %eax, %es
27. 0xfd198:  mov  %eax, %ss
28. 0xfd19a:  mov  %eax, %fs
29. 0xfd19c:  mov  %eax, %gs

　　 修改这些寄存器的值。这些寄存器都是段寄存器。大家可以戳这个链接看一下具体介绍 http://www.eecg.toronto.edu/~amza/www.mindsec.com/files/x86regs.html

　　 这里的23~29步之所以这么做是按照规定来的，https://en.wikibooks.org/wiki/X86_Assembly/Global_Descriptor_Table链接中指出，如果刚刚加载完GDTR寄存器我们必须要重新加载所有的段寄存器的值，而其中CS段寄存器必须通过长跳转指令，即23号指令来进行加载。所以这些步骤是在第19步完成后必须要做的。这样才能是GDTR的值生效。

 

。。。。。

 

　　非常抱歉，到目前为止我只能理解到这里，后面的代码虽然操作上容易，但是它们的目的变得非常难以琢磨，所以我只能把自己比较理解的一部分展示给大家，在之后我会尽力把这部分的知识补全！

　　综上，我们可以看到BIOS的操作就是在控制，初始化，检测各种底层的设备，比如时钟，GDTR寄存器。以及设置中断向量表。这都和Lab 1 Part 1.2最后两段说的一样。但是作为PC启动后运行的第一段程序，它最重要的功能是把操作系统从磁盘中导入内存，然后再把控制权转交给操作系统。所以BIOS在运行的最后会去检测可以从当前系统的哪个设备中找到操作系统，通常来说是我们的磁盘。也有可能是U盘等等。当BIOS确定了，操作系统位于磁盘中，那么它就会把这个磁盘的第一个扇区，通常把它叫做启动区（boot sector）先加载到内存中，这个启动区中包括一个非常重要的程序--boot loader，它会负责完成整个操作系统从磁盘导入内存的工作，以及一些其他的非常重要的配置工作。最后操作系统才会开始运行。

　　可见PC启动后的运行顺序为 BIOS --> boot loader --> 操作系统内核

　　

　　以上就是对Exercise 2的分析，老规矩

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