FreeBSD操作系統(tǒng)的boot2階段

FreeBSD操作系統(tǒng)的boot2階段 2007-04-27 來源:FreeBSD 作者: 關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)FreeBSDBSD操作SD 也許你想知道，為什么 boot2 是在 boot0 之后，而不是在boot1之后。事實上，也有一個512字節(jié)的文件 boot1 存放在目錄 /boot 里，那是用來從一張軟盤引導(dǎo)系統(tǒng)的。從

FreeBSD操作系統(tǒng)的boot2階段

2007-04-27 來源:FreeBSD 作者:

關(guān)鍵詞： 系統(tǒng) FreeBSD BSD 操作 SD

也許你想知道，為什么boot2 是在boot0 之后，而不是在boot1之后。事實上，也有一個512字節(jié)的文件boot1 存放在目錄/boot 里，那是用來從一張軟盤引導(dǎo)系統(tǒng)的。從軟盤引導(dǎo)時，boot1 起著boot0 對硬盤引導(dǎo)相同的作用:它找到boot2 并運行之。

你可能已經(jīng)看到有一文件/boot/mbr 。這是boot0 的簡化版本。mbr 中的代碼不會顯示菜單讓用戶選擇，而只是簡單的引導(dǎo)被標(biāo)志的分區(qū)。

實現(xiàn)boot2 的代碼存放在目錄sys/boot/i386/boot2/ 里，對應(yīng)的可執(zhí)行文件在/boot 里。在/boot 里的文件boot0 和boot2 不會在引導(dǎo)過程中使用，只有boot0cfg 這樣的工具才會使用它們。boot0 的內(nèi)容應(yīng)在MBR中才能生效。boot2 位于可引導(dǎo)的FreeBSD分區(qū)的開始。這些位置不受文件系統(tǒng)控制，所以它們不可用ls 之類的命令查看。

boot2 的主要任務(wù)是裝載文件/boot/loader ，那是引導(dǎo)過程的第三階段。在boot2 中的代碼不能使用諸如open() 和read() 之類的例程函數(shù),因為內(nèi)核還沒有被加載。而應(yīng)當(dāng)掃描硬盤，讀取文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，找到文件/boot/loader ，用BIOS的功能將它讀入內(nèi)存，然后從其入口點開始執(zhí)行之。

除此之外，boot2 還可提示用戶進行選擇，loader可以從其它磁盤、系統(tǒng)單元、分區(qū)裝載。

boot2 的二進制代碼用特殊的方式產(chǎn)生：

sys/boot/i386/boot2/Makefile


boot2: boot2.ldr boot2.bin ${BTX}/btx/btx

 btxld -v -E ${ORG2} -f bin -b ${BTX}/btx/btx -l boot2.ldr /

 -o boot2.ld -P 1 boot2.bin

這個Makefile片斷表明btxld (8) 被用來鏈接二進制代碼。BTX表示引導(dǎo)擴展器(BooT eXtender)是給程序(稱為客戶(client))提供保護模式環(huán)境、并與客戶程序相鏈接的一段代碼。所以boot2 是一個BTX客戶，使用BTX提供的服務(wù)。

工具btxld 是鏈接器，它將兩個二進制代碼鏈接在一起。btxld (8) 和ld (1) 的區(qū)別是ld 通常將兩個目標(biāo)文件鏈接成一個動態(tài)鏈接庫或可執(zhí)行文件，而btxld 則將一個目標(biāo)文件與BTX鏈接起來，產(chǎn)生適合于放在分區(qū)首部的二進制代碼，以實現(xiàn)系統(tǒng)引導(dǎo)。

boot0 執(zhí)行跳轉(zhuǎn)至BTX的入口點。然后，BTX將處理器切換至保護模式，并準(zhǔn)備一個簡單的環(huán)境，然后調(diào)用客戶。這個環(huán)境包括：

sys/boot/i386/btx/lib/btxsys.s:


 .set INT_SYS,0x30 # 中斷號

#

# System call: exit

#

__exit: xorl %eax,%eax # BTX系統(tǒng)調(diào)用0x0

 int $INT_SYS #

#

# System call: exec

#

__exec: movl $0x1,%eax # BTX系統(tǒng)調(diào)用0x1

 int $INT_SYS #

BTX建立全局描述符表(Global Descriptor Table, GDT):

sys/boot/i386/btx/btx/btx.s:


gdt: .word 0x0,0x0,0x0,0x0 # 以空為入口

 .word 0xffff,0x0,0x9a00,0xcf # SEL_SCODE

 .word 0xffff,0x0,0x9200,0xcf # SEL_SDATA

 .word 0xffff,0x0,0x9a00,0x0 # SEL_RCODE

 .word 0xffff,0x0,0x9200,0x0 # SEL_RDATA

 .word 0xffff,MEM_USR,0xfa00,0xcf# SEL_UCODE

 .word 0xffff,MEM_USR,0xf200,0xcf# SEL_UDATA

 .word _TSSLM,MEM_TSS,0x8900,0x0 # SEL_TSS

客戶的代碼和數(shù)據(jù)始于地址MEM_USR(0xa000)，選擇符(selector) SEL_UCODE指向客戶的數(shù)據(jù)段。選擇符 SEL_UCODE 擁有第3級描述符權(quán)限(Descriptor Privilege Level, DPL)，這是最低級權(quán)限。但是INT 0x30 指令的處理程序存儲于另一個段里，這個段的選擇符SEL_SCODE (supervisor code)由有著管理級權(quán)限。正如代碼建立IDT(中斷描述符表)時進行的操作那樣:

 mov $SEL_SCODE,%dh # 段選擇符

init.2: shr %bx # 是否處理這個中斷？

 jnc init.3 # 否

 mov %ax,(%di) # 設(shè)置處理程序偏移量

 mov %dh,0x2(%di) # 設(shè)置處理程序選擇符

 mov %dl,0x5(%di) # 設(shè)置 P:DPL:type

 add $0x4,%ax # 下一個中斷處理程序

所以，當(dāng)客戶調(diào)用 __exec() 時，代碼將被以最高權(quán)限執(zhí)行。這使得內(nèi)核可以修改保護模式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如分頁表(page tables)、全局描述符表(GDT)、中斷描述符表(IDT)等。

boot2 定義了一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：struct bootinfo 。這個結(jié)構(gòu)由 boot2 初始化，然后被轉(zhuǎn)送到loader，之后又被轉(zhuǎn)入內(nèi)核。這個結(jié)構(gòu)的部分項目由boot2 設(shè)定，其余的由loader設(shè)定。這個結(jié)構(gòu)中的信息包括內(nèi)核文件名、BIOS提供的硬盤柱面/磁頭/扇區(qū)數(shù)目信息、BIOS提供的引導(dǎo)設(shè)備的驅(qū)動器編號，可用的物理內(nèi)存大小，envp 指針(環(huán)境指針)等。定義如下：

/usr/include/machine/bootinfo.h


struct bootinfo {

 u_int32_t bi_version;

 u_int32_t bi_kernelname; /* 用一個字節(jié)表示 * */

 u_int32_t bi_nfs_diskless; /* struct nfs_diskless * */

 /* 以上為常備項 */

#define bi_endcommon bi_n_bios_used

 u_int32_t bi_n_bios_used;

 u_int32_t bi_bios_geom[N_BIOS_GEOM];

 u_int32_t bi_size;

 u_int8_t bi_memsizes_valid;

 u_int8_t bi_bios_dev; /* 引導(dǎo)設(shè)備的BIOS單元編號 */

 u_int8_t bi_pad[2];

 u_int32_t bi_basemem;

 u_int32_t bi_extmem;

 u_int32_t bi_symtab; /* struct symtab * */

 u_int32_t bi_esymtab; /* struct symtab * */

 /* 以下項目僅高級bootloader提供 */

 u_int32_t bi_kernend; /* 內(nèi)核空間末端 */

 u_int32_t bi_envp; /* 環(huán)境 */

 u_int32_t bi_modulep; /* 預(yù)裝載的模塊 */

};

boot2 進入一個循環(huán)等待用戶輸入，然后調(diào)用load() 。如果用戶不做任何輸入，循環(huán)將在一段時間后結(jié)束，load() 將會裝載缺省文件(/boot/loader )。函數(shù) ino_t lookup(char *filename) 和int xfsread(ino_t inode, void *buf, size_t nbyte) 用來將文件內(nèi)容讀入內(nèi)存。/boot/loader 是一個ELF格式二進制文件，不過它的頭部被換成了a.out格式中的struct exec 結(jié)構(gòu)。load() 掃描loader的ELF頭部，裝載/boot/loader 至內(nèi)存，然后跳轉(zhuǎn)至入口執(zhí)行之：

sys/boot/i386/boot2/boot2.c:


 __exec((caddr_t)addr, RB_BOOTINFO | (opts & RBX_MASK),

 MAKEBOOTDEV(dev_maj[dsk.type], 0, dsk.slice, dsk.unit, dsk.part),

 0, 0, 0, VTOP(&bootinfo));

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