从开机加电到执行main函数之前的过程（二）

    下面我们来说一下从开机到main()的执行过程中的第二步--加载操作系统内核程序并为保护模式做准备。
     在Linux-0.11源码中，有一个文件夹boot，其中存放了三个汇编文件，分别是bootsect.s, setup.s, head.s。我们就从这三个文件入手，来讲解加载操作系统内核程序。

（一）加载第一部分代码--引导程序（bootsect）
    前面BIOS已经执行了一系列代码，计算机完成了自检等操作。计算机硬件体系结构的设计与BIOS联手操作，会让CPU接收到一个 int 0x19 中断，CPU接收到这个中断后，会立即在中断向量表中找到 int 0x19这个中断向量。此时，CPU指向 int 0x19这个中断向量所对应的中断服务程序的入口地址，这个中断服务程序的作用就是把软盘（硬盘）的第一个扇区中的程序（bootsect）加载到内存中的指定位置（注意这里只是加载第一个扇区的程序）。

注：
1. 中断向量表（Interrupt Vector Table）：实模式中断机制的重要组成部分，表中记录所有中断号对应的中断服务程序的入口地址。
2. 中断服务程序（Interrupt Services）：通过中断向量表的索引对中断进行响应服务，是一些具有特定功能的程序。

    这个中断服务程序（即启动加载服务程序）将软驱0号磁头对应的盘面的0磁道1扇区的内容拷贝至内存0x07C00处。这个扇区里的内容就是Linux-0.11操作系统的引导程序，即启动扇区。这是非常关键的一步，从此计算机与软盘（硬盘）上的操作系统产生关联。至此，已经将bootsect.s的内容装入内存，现在的任务就是继续装入后续的代码setup.s和head.s。

注：
BIOS程序固化在主机板上的ROM中，是根据具体的主机板而不是根据具体的操作系统设计的。由于计算机可以安装不同的操作系统，为了能让操作系统和BIOS协调工作，必须建立统一的协调机制。现行的方案是“两头约定”和“定位识别”。操作系统的设计者“约定”必须把最开始执行的程序“定位”在启动扇区（即软盘中的0盘面0磁道1扇区），其余的程序可以依照操作系统的设计顺序加载在后续的扇区中。“定位识别”只从启动扇区把代码加载到内存的0x07c00这个位置，而不管启动扇区的内容是什么。


（二）加载第二部分代码--setup
    现在就来将setup.s和head.s加载至内存。
    我们平时编写程序时，不用去管程序的代码和数据放在内存的什么位置，因为操作系统和编译器会替我们完成。而现在，没有操作系统，没有编译器，只能靠操作系统的设计者来规划内存了。
    所以，我们必须先弄清楚操作系统设计者是如何规划内存的。在实模式下，寻址范围是1MB，bootsect中设计了如下代码：

SETUPLEN = 4                           !nr of setup sectors
BOOTSEG = 0x07c0                   !original address of boot sector
INITSEG = 0x9000                !we move boot here-out of the way
SETUPSEG = 0x9020               !setup starts here
SYSSEG = 0x1000                 !system loaded at 0x10000
ENDSEG = SYSSEG + SYSSIZE       !where to stop loading

    这些位置的设置就是为了确保内存中的代码和代码、代码和数据、数据和数据互不覆盖，并且每部分都有足够的空间可以使用。从现在起，我们要保持一个概念：操作系统的设计者要全面、整体地考虑内存规划。
    接着，我们将bootsect启动代码（共512B）从内存位置0x07c0（BOOTSEG）复制到内存0x9000（INITSEG）处。这时，你可能和我有一样的疑问，为什么要移动代码呢？？？
     因为当时system的模块长度不会超过0x80000字节大小（即512KB），所以bootsect程序把system模块读入物理地址0x10000开始处，这样也不会覆盖在0x90000处开始的bootsect和setup模块。后面setup程序将会把system模块移动到物理内存起始位置处（0x0000），这样system模块中代码的地址也即等于实际的物理地址，便于对内核代码和数据进行操作。
    可能你又和我有一样问题了，既然都要移动到物理内存起始位置处，为什么不直接移动呢，而是要先移动到0x10000处，再移动到0x0000位置呢？
    这是因为在随后执行的setup代码开始部分还需要利用ROM BIOS中的中断调用来获取机器的一些参数。当BIOS初始化时会在物理内存开始处放置一个大小为0x400字节（1KB）的中断向量表，因此需要在使用完BIOS的中断调用后才能将这个区域覆盖掉。
    说了这么多，终于可以安心地移动bootsect模块了。代码如下：

mov ax, #BOOTSEG                         !source
mov ds, ax
mov ax, #INITSEG                         !destination
mov es, ax
mov cx, #256                                 !num of word that need move
sub si, si                                     !si be zero
sub di, di                                     !di be zero
rep                                                   !mov word till 256
movw

    将bootsect移动后，其实就有两个bootsect模块在内存中，一个是刚刚移动到的新位置（0x9000），另一个是之前代码的位置（0x07c0）。此刻，代码段寄存器CS仍指向0x07c0，而我们需要从0x9000这个位置开始继续往下执行，0x07c0处的代码在后来会被覆盖掉的。

注：
之前将bootsect模块加载在位置0x07c0处，是因为“约定”和“定位识别”的需要，而现在将模块移动到0x9000处，说明操作系统开始根据自己的需要开始安排内存了。

    代码需要开始从0x9000处开始执行，那么具体是怎么实现的呢？这是一段写的非常巧妙的代码：

rep
movw
jmpi go, INITSEG
go:mov ax, cs

    这里用了jmpi段间跳转命令，跳转到标号为go，地址为INITSEG的地方。那么程序从go开始往下执行。这两句巧妙地实现了“到新位置后接着原来的执行顺序继续执行下去”的目的。
    由于位置的改变，接下来，就是修改寄存器的值。

go:mov ax, cs
mov ds, ax                       !ds = 0x9000
mov es, ax                      !es = 0x9000

!put stack at 0x9ff00
mov ss, ax
mov sp, #0xff00           !arbitrary value >> 512

!load the setup-setctors directly after the bootblock.
!Note that 'es' is already set up.

SS与SP是对栈寄存器的设置，说明从此以后程序可以执行更为复杂一些的数据运算类指令了。

注：
栈操作的方向：高地址到低地址。

    做完了内存规划，终于可以加载setup模块了。加载setup模块需要借助BIOS提供的 int 0x13中断向量所指向的中断服务程序来完成。（这也就是为什么之前移动模块bootsect时没有直接移动到0x0000处，而是移动到了0x1000处，此刻用到了BIOS中断向量表，而这个向量表就是存放在0x0000开始位置处的）。
     int 0x13中断向量与 int 0x19不同：

• int 0x19中断向量所指向的启动加载服务程序是BIOS执行的，int 0x13的中断服务程序是LINUX操作系统自身的启动代码bootsect执行的。
• int 0x19的中断服务程序只负责把软盘的第一扇区的代码加载到0x07c00位置，int 0x13的中断服务程序则不然，它可以根据设计者的意图，把指定扇区的代码加载到内存的指定位置。
  

    这样的话，使用 int 0x13中断向量时，就要事先将指定的扇区和加载的内存位置等信息传递给服务程序，即传参。

load_setup:
mov dx, #0x0000                          !drive 0, head0
mov cx, #0x0002                          !sector 2, track 0
mov bx, #0x0200                         !address = 512, in INITSEG
mov ax, #0x0200+SETUPLEN         !service 2, nr of sectors
int 0x13                                         !read it
jnc ok_load_setup                       !ok-continue
mov dx, #0x0000
mov ax, #0x0000                          !reset the diskette
int 0x13
j load_setup
ok_load_setup:

    传参完毕后，产生 int 0x13中断，执行中断服务程序，将软盘从第二扇区开始的4个扇区，即setup对应的程序加载至内存0x9020处。

注：
前面提到的SS：SP所指向的位置为0x9FF00，这与setup程序的实际位置还有很大的距离，即使setup加载进来后，系统仍有足够的内存空间用来执行数据压栈操作。由于在启动部分，要压栈的数据有限，所以不存在越界问题，我们不需要担心，这些都是操作系统设计者进行过精密测算的。

（三）加载第二部分代码--system
     加载第三部分模块与加载setup模块一样，使用的都是 int 0x13中断向量，加载的过程大抵都一样，只是这次加载的扇区为240，是之前setup的60倍。由于加载时间会加长，所以需要对软盘（硬盘）进行更多的监控。Ok，我们第三部分的代码也已经完全加载入内存中。
    虽然内核模块已经加载至内存中，但是这不能让LINUX系统运行起来。作为完整可运行的LINUX系统，还需要一个基本的文件系统支持，即根文件系统。LINUX 0.11内核仅支持MINIX的1.0文件系统。根文件系统通常是在另一个软盘上或者在另一个硬盘分区中。为了知道内核所需要的根文件系统在什么地方，bootsect代码给出了根文件系统所在的默认块设备号。所以，我们必须确认一下根设备号。
    现在，bootsect程序的任务都已经完成！

    下面通过执行“jmpi 0, SETUPSEG”这条语句跳转至0x90200处，即setup程序的位置处开始执行。它做的第一件事就是利用BIOS提供的中断服务程序从设备上提取内核运行所需的机器系统数据，并分别从向量0x41 和 0x46向量指的内存地址处获取硬盘参数表1和硬盘参数表2，并把他们存放在0x9000:0x0080和0x9000:0x0090处，这些数据被加载到内存0x90000~0x901FC位置处，在以后main函数执行时发挥重要作用。

注：
BIOS提取的机器系统数据将覆盖掉bootsect程序所在的部分区域。由于这些数据是要留用的的，因此在它们失去使用价值之前，一定不能被覆盖掉。

    到此为止，操作系统内核程序的加载工作已经完成。

本文参考自《Linux内核设计的艺术》，图片是从网上找的。