【NROS-01】Bootloader 引导操作系统

Bootloader 定义

Bootloader 是计算机加电之后加载的第一个程序（除去 Bios），这个程序被放在二级存储（比如硬盘）的第一个扇区，用于加载复杂的操作系统到内存中。之所以不直接加载操作系统，而加载 bootloader 来加载操作系统，是因为操作系统体积庞大，无法存储在第一扇区（只有 512 字节）。

过程简述

计算机加电，进行自检等一系列操作，这些操作由硬件供应商保证，操作系统开发人员一般不需太过关心；

随后 Bios 会读取硬盘第一个扇区（sector）的数据（此处存疑），加载到 0x7c00 的物理地址；

ip

和

cs

寄存器被设置（

cs = 0x00, ip = 0x7c00

），并开始执行 bootloader；

Bootloader 进行一些必要的初始化（比如 enable a20 gate，保护模式等等）；

在特定位置寻找操作系统（很可能是第二扇区），并根据一定的约定（比如 elf 可执行文件格式），加载操作系统；

跳转到操作系统入口处执行，进入操作系统。

实现参考

NROS bootloader Github

放置 Bootloader 到存储设备

假定 bootloader 已有，在 Linux 下硬盘被映射为文件，可以使用

dd

来将 bootloader 写入硬盘扇区。暂时先写入成为一个镜像文件，通过 qemu 虚拟机启动：

dd if=bootloader of=nros.img conv=notrunc
qemu-system-i386 -hda nros.img

不过忧心的是你目前还没有 bootloader 呢，所以我们自己写一个吧。

实现细节

要理解 bootloader 还是要理解链接与加载地址。对于程序生成的二进制代码，物理地址、线性地址，和逻辑地址这些概念都是透明的。程序只知道 (virtual) memory address（VMA） 和 load memory address（LMA），即程序看到的地址，和看到的地址真正被放置的地址。VMA 和 LMA 是 elf 格式引入的概念，对于硬件而言太高级了，难以实现。硬件只会简单的将第一扇区的 512 字节放在内存

0x7c00

的位置（相当于LMA），因此你必须安排链接器，让他把代码的地址链接到 0x7c00 的位置（参考 GNU 文档），如下：

/*
* setup.ld
*
* Linker script for the i386 setup code
*/
OUTPUT_ARCH("i386");
OUTPUT_FORMAT("binary", "binary", "binary");

SECTIONS
{
. = 0x7C00;
.text : {
*(.text);
}

. = 0x7DFE;
.signature : {
SHORT(0xAA55);
}

/DISCARD/ : {
*(.eh_frame);
*(.eh_frame_hdr);
}
}