; loader ; 位于硬盘第 2 扇区(LBA 地址) ; ---------------------------------------------------------------- %include "boot.inc" SECTION LOADER vstart=LOADER_BASE_ADDR LOADER_STACK_TOP equ LOADER_BASE_ADDR ; 构建 GDT 及其内部描述符(GDT 的第 0 个描述符不可用) GDT_BASE: dd 0x00000000 dd 0x00000000 CODE_DESC: dd 0x0000FFFF dd DESC_CODE_HIGH4 DATA_STACK_DESC: dd 0x0000FFFF dd DESC_DATA_HIGH4 VIDEO_DESC: dd 0x80000007 ;limit=(0xbffff-0xb8000)/4k=0x7 dd DESC_VIDEO_HIGH4 ;此时 dpl 为 0 GDT_SIZE equ $ - GDT_BASE GDT_LIMIT equ GDT_SIZE - 1 times 120 dd 0 ; 此处预留 60 个描述符的空位 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ; total_mem_bytes 用于保存内在容量，以字节为单位，此位置比较好记 ; 当前偏移 loader.bin 文件头(4*8+60*8=512 字节)0x200 字节 loader.bin 的加载地址是 0x900 ; 故 total_mem_bytes 内存地址是 0xb00 ; offset 0x200 total_mem_bytes dd 0 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; SELECTOR_CODE equ (0x0001<<3) + TI_GDT + RPL0 ; 相当于(CODE_DESC - GDT_BASE)/8 + TI_GDT + RPL0 SELECTOR_DATA equ (0x0002<<3) + TI_GDT + RPL0 SELECTOR_VIDEO equ (0x0003<<3) + TI_GDT + RPL0 ; 以下是 gdt 的指针，前 2 个字节是 gdt 界限，后 4 字节是 gdt 起始地址 gdt_ptr dw GDT_LIMIT dd GDT_BASE loadermsg db '2 loader in real.' ; 人工对齐 total_mem_bytes4+gdt_ptr6+loadermsg17+ards_buf227+ards_nr2, 共 256 字节 ards_buf times 227 db 0 ards_nr dw 0 ; 用于记录 ARDS 结构数量 ;---------------------------------------------------------------- ; INT 0x10 功能号：0x13 功能描述： 打印字符串 ;---------------------------------------------------------------- ; 输入： ; AH 子功能号 13H ; BH = 页码 ; BL = 属性（若 AL=00H 或 01H） ; CX = 字符串长度 ; (DH、DL) = 坐标(行，列) ; ES:BP = 字符串地址 ; AL=显示输出方式 ; 0 ---- 字符串中只含显示字符，其显示属性在 BL 中，显示后，光标位置不变 ; 1 ---- 字符串中只含显示字符，其显示属性在 BL 中，显示后，光标位置不变 ; 2 ---- 字符串中含显示字符和显示属性。显示后，光标位置不变 ; 3 ---- 字符串中含显示字符和显示属性。显示后，光标位置改变 ; 无返回值 ; offset = 0x200 + 0x100 = 0x300 loader_start: ;------------------------ 获取物理内存容量 --------------------------------------- ; int 15h eax=E820h, edx = 534D4150h('SMAP') 获取内存布局 xor ebx, ebx ; 第一次调用时，ebx 值要为 0 mov edx, 0x534d4150 ; edx 只赋值一次，循环体中不会改变(字符串 SMAP 的 ASCII 码) mov di, ards_buf ; ards 结构缓冲区 es:di(es mbr.S 中已经赋值) .e820_mem_get_loop: mov eax, 0xe820 ; 执行 int 0x15 后， eax 值变为 0x534d150, 所以每次执行 Int 前都要更新子功能号 mov ecx, 20 ; ards 地址范围描述结构大小是 20 字节 int 0x15 jc .e820_failed_so_try_e801 ; cf 位为 1 则有错误发生，尝试 0xe801 子功能 add di, cx ; 使 di 增加 20 字节指向缓冲区中新的 ARDS 结构位置 inc word [ards_nr] ; 记录 ards 数量 cmp ebx, 0 ; 若 ebx 为 0 且 cf 不为 1，这说明 ards 全部返回，当前已是最后一个 jnz .e820_mem_get_loop ; 在所有 ards 结构中，找出(base_addr_low + length_low) 的最大值，即内存的容量 mov ecx, [ards_nr] ; 遍历第一个 ards 结构体，循环次数是 ards 的数量 mov ebx, ards_buf xor edx, edx ; edx 为最大的内存容量，在此先清 0 .find_max_mem_area: ; 不需要判断 type 是否为 1， 最大的内存块一定是可被使用的 mov eax, [ebx] ; base_addr_low add eax, [ebx+8] ; length_low add ebx, 20 ; 指向缓冲区中下一个 ards 结构 cmp edx, eax jge .next_ards mov edx, eax ; edx 为总内存大小 .next_ards: loop .find_max_mem_area jmp .mem_get_ok ; int 15h ax=E801h 获取内存大小，最大支持 4G ; 返回后， ax cx 值一样， 以 KB 为单位， bx dx 值一样， 以 64KB 为单位 ; 在 ax 和 cx 寄存器中低 16MB， 在 bx 和 dx 寄存器中为 16MB 到 4GB .e820_failed_so_try_e801: mov ax, 0xe801 int 0x15 jc .e801_failed_so_try_88 ; 若当前 e801 方法失败，就尝试 0x88 方法 ;;; 1 先算出低 15MB 的内存 ax 和 cx 中是以 KB 为单位的内存数量，将其转换为以 byte 为单位 mov cx, 0x400 ; 0x400=1024, cx 和 ax 值一样，cx 用作乘数 mul cx shl edx, 16 and eax, 0xFFFF or edx, eax add edx, 0x100000 ; ax 只是 15MB，故要加 1MB=1024*1024=1048576=0x100000 mov esi, edx ; 先把低 15MB 的内存容量存入 esi 寄存器备份 ;;; 2 再将 16MB 以上的内存转换为 byte 为单位, 寄存器 bx 和 dx 中是以 64KB 为单位的内存数量 xor eax, eax mov ax, bx mov ecx, 0x10000 ; 64*1024=0x10000 mul ecx ; 32 位乘法，默认的被乘数是 eax,积为 64 位，高 32 位存入 edx, 低 32 位存入 eax add esi, eax ; 由于些方法只能测试 4G 以内的内存，故 32 位 eax 足够, edx 为 0 mov edx, esi ; edx 为总内存大小 jmp .mem_get_ok ; int 15h ah=88h 获取内存大小，只能获取 64MB 之内 .e801_failed_so_try_88: ; int 15 后，ax 存入的是以 KB 为单位的内存容量 mov ah, 0x88 int 0x15 jc .error_hlt and eax, 0xffff mov cx, 0x400 ; 1024 mul cx ; 16 位乘法，被乘数是 ax，积为 32 位，高 16 位在 dx 中，低 16 位在 ax 中 shl edx, 16 ; 把 dx 移动高 16 位 and eax, 0xFFFF or edx, eax ; 把积的低 16 位组合到 edx 中，成为 32 位的积 add edx, 0x100000 ; 0x88 子功能只会返回 1MB 以上的内存，故实际内存大小要加上 1MB=1024*1024=1048576=0x100000 jmp .mem_get_ok .error_hlt: mov byte [gs:0], 'e' mov byte [gs:1], 'r' mov byte [gs:2], 'r' mov byte [gs:3], 'o' mov byte [gs:4], 'r' mov byte [gs:5], '_' mov byte [gs:6], 'h' mov byte [gs:7], 'l' mov byte [gs:8], 't' jmp $ .mem_get_ok: mov [total_mem_bytes], edx ; 将内存换为 byte 单位后存入 total_mem_bytes 处 ; 显示 loadermsg ; mov sp, LOADER_BASE_ADDR ; mov bp, loadermsg ; ES:BP = 字符串地址 ; mov cx, 17 ; CX = 字符串长度 ; mov ax, 0x1301 ; AH = 13h, AL = 01h ; mov bx ,0x001f ; 页号 0（BH=0）蓝底粉红色(BL=1fh) ; mov dx, 0x1800 ; 坐标(行，列) ; int 0x10 ; 10h 号中断 ;---------------------- 准备进入保护模式 ------------------------------------------ ; 1 打开 A20 ; 2 加载 GDT ; 3 将 cr0 的 pe 位置 1 ;-------------------------- 打开 A20 -------------------------------- in al, 0x92 or al, 0000_0010b out 0x92, al ;-------------------------- 加载 GDT -------------------------------- lgdt [gdt_ptr] ;-------------------------- cr0 第 0 位置 1 -------------------------- mov eax, cr0 or eax, 0x00000001 mov cr0, eax jmp dword SELECTOR_CODE:p_mode_start ; 刷新流水线 [bits 32] p_mode_start: mov ax, SELECTOR_DATA mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov esp, LOADER_STACK_TOP mov ax, SELECTOR_VIDEO mov gs, ax ; ------------------------ 加载内核 kernel ------------------------ ;!! 加载到 0x70000~0x9fbff, 190KB 的字节空间,kernel 不超过 100KB mov eax, KERNEL_START_SECTOR ; kernel.bin 所在的扇区号 mov ebx, KERNEL_BIN_BASE_ADDR mov ecx, 200 ; 读入的扇区数 call rd_disk_m_32 ; 创建页目录及页表并初始化内存位图 call setup_page ; 将描述符表地址及偏移量写入内存 gdt_ptr, 一会用新地址重新加载 sgdt [gdt_ptr] ; 将 gdt 描述符中视频段描述符中的段基地+0xc0000000 mov ebx, [gdt_ptr + 2] ; gdt_base 地址 ; 视频段是 3 个段描述符，第个描述符 8 字节， 故 0x18 ; 段描述符的高 4 字节的第 31～24 位是段基址 or dword [ebx + 0x18 + 4], 0xC0000000 ; 将 gdt 的基址加上 0xC0000000 使其成人内核所在的高地址 add dword [gdt_ptr + 2], 0xC0000000 add esp, 0xC0000000 ; 将栈指针同样映射到内核地址 ; 把页目录地址赋给 cr3 mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS mov cr3, eax ; 打开 cr0 的 pg 位(第 31 位). mov eax, cr0 or eax, 0x80000000 mov cr0, eax ; 在开启分页后，用 gdt 新的地址重新加载 lgdt [gdt_ptr] ; 初始化 kernel jmp SELECTOR_CODE:enter_kernel enter_kernel: call kernel_init mov esp, 0xc009f000 jmp KERNEL_ENTRY_POINT ; 跳转到内核入口 0xc0001500 jmp $ ; -------------------------- 创建页目录及页表 ---------------------------------------- ; 页目录项 ; 31 12 11 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ; ----------------------------------------------------------------------------- ; | 页表物理页地址 | AVL | G | 0 | D | A | PCD | PWT | US | RW | P | ; ----------------------------------------------------------------------------- ; ; 页表项 ; 31 12 11 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ; ----------------------------------------------------------------------------- ; |物理页地址31-12 | AVL | G | PAT | D | A | PCD | PWT | US | RW | P | ; ----------------------------------------------------------------------------- setup_page: ; 先把页目录占用的空间逐字节清 0 mov ecx, 4096 ; 页目录大小 4KB = 4096B = 0x1000 mov esi, 0 .clear_page_dir: mov byte [PAGE_DIR_TABLE_POS + esi], 0 inc esi loop .clear_page_dir ; 开始创建页目录项(PDE) .create_pde: ; 创建 Page Directory Entry Table mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS ; 0x100000 add eax, 0x1000 ; 此时 eax 为第一个页表的位置及属性 0x100000 + 0x1000 = 0x101000 mov ebx, eax ; 此处为 ebx 赋值，是为 .create_pte 做准备，ebx 为基址 ; 下面将页目录 0 和 0xc00 都存为第一个页表的地址，第个页表 4MB 内存 ; 这样 0xc03fffff 以下的地址和 0x003fffff 以下的地址都指向相同的页表 ; 这是为将地址映射为内核地址做准备 or eax, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P ; 页目录项的属性 RW 和 P 位为 1， US 为 1，表示用户属性，所有特权级别都可以访问 mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 0x0], eax ; 页目录表中的第一个目录项写入第一个页表的位置（0x101000） 及属性 （7） mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 0xC00], eax ; 一个页目录项占 4 字节， 0xc00 表示第 768 个页表占用的目录项 ;; 0x00000000 ~~ 0x3fffffff 是第一个 1 GB 内存 ;; 0x40000000 ~~ 0x7fffffff 是第二个 1GB 内存 ;; 0x80000000 ~~ 0xbfffffff 是第三个 1GB 内存 ;; 0xc0000000 ~~ 0xffffffff 是第四个 1GB 内存 ;; 0xc00 以上的目录项用于内核空间 ;; 也就是页表的 0xc0000000 ~~ 0xffffffff 共计 1G 属于内核 ;; 0x0 ~~ 0xbfffffff 共计 3G 属于用户进程 sub eax, 0x1000 mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 4092], eax ; 1024 * 4 - 4 = 4092 使最后一个目录项指向页目录表自己的地址 ; 下面创建页表项(PTE) 256 个页表项 ;; 第 0 页, 分配物理地址 0~0x3fffff 之间的物理页 ;; 1M 低端内存中，虚拟地址等于物理地址 mov ecx, 256 ; 1M 低端内存(1024K) / 每页大小 4K = 256 mov esi, 0 mov edx, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P ; 属性 7， US=1, RW=1,P=1 .create_pte: ; 创建 Page Table Entry mov [ebx+esi*4], edx ; 此时ebx=0x101000,第一个页表地址 add edx, 4096 inc esi loop .create_pte ; 创建内核其它页表的 PDE mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS add eax, 0x2000 ; 此时 eax 为第二个页表的位置 or eax, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P ; 页目录项属性都为 1 mov ebx, PAGE_DIR_TABLE_POS mov ecx, 254 ; 范围为第 769 ～ 1022 的所有目录项数量 mov esi, 769 .create_kernel_pde: mov [ebx+esi*4], eax inc esi add eax, 0x1000 loop .create_kernel_pde ret ; ---------------------------------------------------------------- ; 读取硬盘数据 ; EAX=LBA 地址 ; EBX=将数据写入的内存地址 ; ECX=读取的扇区数 rd_disk_m_32: ; ---------------------------------------------------------------- mov esi, eax ; 备份 eax mov edi, ecx ; 备份 ecx ; 1. 设置要读取的扇区数 mov dx, 0x1f2 mov al, cl out dx, al mov eax, esi ; 恢复 eax ; 2. 设置 LBA 地址,存入 0x1f3 - 0x1f6 端口中 ; LBA 地址 7 ～ 0 位写入端口 0x1f3 mov dx, 0x1f3 out dx, al ; LBA 地址 15 ～ 8 位写入端口 0x1f4 mov cl, 8 shr eax, cl ; 右移 8 位 mov dx, 0x1f4 out dx, al ; LBA 地址 23 ～ 16 位写入端口 0x1f5 shr eax, cl mov dx, 0x1f5 out dx, al shr eax, cl and al, 0x0f ; 设置 LBA 地址 24～27 位 or al, 0xe0 ; 设置 7~4 位为 1110, 表示 LBA 模式 mov dx, 0x1f6 ; Device out dx, al ; 3. 向 0x1f7 端口写入命令 0x20 mov dx, 0x1f7 ; Command mov al, 0x20 out dx, al ; 4. 检测硬盘状态 ; 使用同一端口0x1f7，写时表示写入命令字，读时表示读入硬盘状态 .not_ready: nop ; 什么也不做，目的是为了减少对硬盘的打扰 in al, dx ; 读入硬盘状态 and al, 0x88 ; 第 4 位为 1 表示硬盘控制器已准备好数据传输，第 7 位为 1 表示硬盘忙 cmp al, 0x08 jnz .not_ready ; 硬盘没有准备数据传输，继续等待 ; 5. 从 0x1f0 端口读取数据 ; di 为要读取的扇区数，一个扇区 512 字节，每次读入一个字，共需要 di*512/2 次，所以 di*256 mov ax, di mov dx, 256 mul dx ; dx:ax = ax * 256 mov cx, ax mov dx, 0x1f0 .go_on_read: in ax, dx mov [ebx], ax add ebx, 2 loop .go_on_read ret ; ------------------------ 将 kernel.bin 中的 segment 拷贝到编译的地址 ------------------------ kernel_init: xor eax, eax xor ebx, ebx ; ebx 记录程序头表地址 xor ecx, ecx ; cx 记录程序头表的 program header 数量 xor edx, edx ; dx 记录 program header 尺寸，即 e_phentsize mov dx, [KERNEL_BIN_BASE_ADDR + 42] ; 偏移文件 42 字节处的属性是 e_phentsize，表示 program header 大小 mov ebx, [KERNEL_BIN_BASE_ADDR + 28] ; 偏移文件 28 字节的地方是 e_phoff， 表示第 1 个 program header 在文件中的偏移量 add ebx, KERNEL_BIN_BASE_ADDR mov cx, [KERNEL_BIN_BASE_ADDR + 44] ; 偏移文件开始部分 44 字节的地方是 e_phnum, 表示有几个 program header .each_segment: cmp byte [ebx], PT_NULL ; 若 p_type 等于 PT_NULL，说明此 program header 未使用 je .PTNULL ; 为函数 memycpy 压入参数， 参数是从右到左依然压入 ; 函数原型 memycpy(dst, src, size) push dword [ebx + 16] ; program header 中偏移 16 字节的地方是 p_filesz 第三个参数： size mov eax, [ebx + 4] ; 距程序头偏移量为 4 字节的位置是 p_offset add eax, KERNEL_BIN_BASE_ADDR ; 加上 kernel.bin 被加载的物理地址， eax 为该段的物理地址 push eax ; 第二个参数： 源地址 src push dword [ebx + 8] ; 偏移程序头 8 字节位置是p_vaddr, 目的地址 call mem_cpy ; 调用 mem_cpy 完成段自制 add esp, 12 ; 清理栈中压入的三个参数 .PTNULL: add ebx, edx ; edx 为 program header 大小，此时 ebx 指向下一个 program header loop .each_segment ret ; -------------------------------- 逐字节拷贝 mem_cpy(dst, src, size) -------------------------------- ; 输入：栈中三个参数 (dst, src, size) ; 输出： 无 ; -------------------------------------------------------------------------------------------------- mem_cpy: cld ; mem_cpy 使 DF (Direction Flag) 复位 DF = 0 push ebp mov ebp, esp push ecx ; rep 指令用到了 ecx, 故先备份 mov edi, [ebp + 8] ; dst ES:DI mov esi, [ebp + 12] ; src DS:SI mov ecx, [ebp + 16] ; size rep movsb ; 逐字节拷贝 ; 恢复环境 pop ecx pop ebp ret