正常
代码路线:从第一条指令到 framebuffer 存档
源码主要在四个文件:mbr.S、stage2.S、serial.S,以及把它们组装起来的 CMakeLists.txt。我们从"CPU 上电后执行的第一条指令"一路讲到"Stage2 把 framebuffer 信息存好"。
1. CPU 一上电,世界从 0x7C00 开始
mbr.S 的入口是这样的:
asm
_start:
ljmp $0, $real_start # 远跳:CS=0,IP=real_start
real_start:
cli
xorw %ax, %ax
movw %cs, %ax
movw %ax, %ds
movw %ax, %es
movw %ax, %ss
movw %ax, %fs
movw %ax, %gs
cld
movw $0x7000, %sp # 栈
sti
movb %dl, boot_drive # BIOS 把启动盘号放在 dl
call load_stage2
movw $msg_booting, %si
call print_string_mbr
ljmp $0x8000 >> 4, $0 # 远跳到 0x8000第一条指令 ljmp $0, $real_start 看着多余,其实是在做段归一化。BIOS 跳到 MBR 时,CS:IP 理论上是 0x0000:0x7C00,但有些 BIOS 会用 0x07C0:0x0000——这两种表示指向同一个物理地址,但 CS 的值不一样。后面我们所有"按 CS 算地址"的操作都会受影响,所以干脆先一个远跳把 CS 强制钉成 0,从此进入一个确定的状态。
紧接着的 cli/设段/cld/设栈/sti 是实模式初始化的标准动作。这里有个容易翻车的点:必须先把段寄存器全部理顺、栈搭好,再 sti 开中断。栈没设好就允许中断,一个异步中断进来压栈,压到不可预期的地址,直接黑屏重启。
movb %dl, boot_drive 是个保命操作:BIOS 调用 MBR 前会把启动盘的编号放进 dl(硬盘通常是 0x80)。我们要读盘,就得告诉 BIOS 读哪块盘,所以必须趁早把这个 dl 存起来——后面 BIOS 中断随时可能把 dl 改掉。
2. 实模式地址模型:为什么 DS 必须等于 CS
实模式的地址翻译是 物理地址 = 段寄存器 << 4 + 偏移。也就是说,DS:SI 指向哪,完全取决于 DS 和 SI 两个值合起来的结果。
我们后面要用 print_string 打印一个字符串。字符串是这样定义的:
asm
msg_booting:
.asciz "Cinux Booting...\r\n"这个标号 msg_booting 在链接后得到的是一个偏移。问题是:偏移要配上哪个段才能算对地址?
- 字符串的标号是跟着
mbr.S一起链接的。MBR 的链接脚本是. = 0x7C00(见下面 CMakeLists),所以msg_booting的链接地址是个0x7C00附近的值。 - 我们访问它用的是
DS:SI(BIOS 的lodsb默认用DS:SI)。 - 因此只有当
DS指向和msg_booting同一个段基址时,DS:SI才能正确读到字符串。
如果 CS 被归一化成 0,而 DS 还是 BIOS 留下的某个乱七八糟的值,DS:SI 算出来的物理地址就完全不对——lodsb 读出来的是垃圾,打印出一串乱码,或者干脆什么也不显示。这就是把 DS=ES=SS=CS 全设成同一个值的根本原因:让"标号算出来的偏移"和"访问用的段"对得上。这一步省不得,省了就是一屏幕乱码。
3. 用 BIOS 读盘:INT 0x13 AH=0x42 与 DAP
load_stage2 是 MBR 最核心的活:让 BIOS 把 Stage2 从磁盘读到内存。它用的是 BIOS 的扩展读接口 INT 0x13 AH=0x42,参数通过一个叫 DAP(Disk Address Packet) 的 16 字节结构传递:
asm
load_stage2:
movw $0x7B00, %si # si 指向 DAP
movb $0x10, (%si) # DAP.size = 16
movw $15, 2(%si) # DAP.sectors = 15
movw $0x8000, 4(%si) # DAP.offset = 0x8000
movw $0, 6(%si) # DAP.segment = 0
movl $1, 8(%si) # DAP.lba.low32 = 1 ← 从第 1 扇区开始
movl $0, 12(%si) # DAP.lba.high32= 0
movb boot_drive, %dl # 恢复启动盘号
movw $0x4200, %ax # AH=0x42 扩展读
int $0x13
jc disk_error
retDAP 的布局是 BIOS 定死的,几个关键字段:
text
偏移 字段 值 含义
0x00 size 0x10 结构大小(16 字节)
0x01 reserved 0
0x02 sectors 15 要读几个扇区
0x04 offset 0x8000 读到哪个内存偏移
0x06 segment 0x0000 读到哪个段(段:偏移 = 0:0x8000 = 物理 0x8000)
0x08 lba (64位) 1 从第几个扇区开始(LBA 编号,0 = MBR 自己)int $0x13 之后看进位标志 CF:CF=0 成功,CF=1 失败跳 disk_error。读完,Stage2 就躺在 0x8000 了。
这里有个细节值得留意——为什么不用更简单的 AH=0x02(老式 CHS 读)? 因为老接口要你给"柱面/磁头/扇区"三个数,在软盘和某些老硬盘上才靠谱;AH=0x42 用的是 LBA(线性扇区号),不用关心磁盘几何,跨设备更稳。现代 bootloader 基本都走扩展读。
外部依据:Ralf Brown's Interrupt List 详细记录了
INT 0x13 AH=0x42的 DAP 各字段含义与进位标志约定;OSDev 的 ATA in x86 RealMode (BIOS) 页对这套读盘流程有社区总结。
4. 为什么 MBR 自带 print_string_mbr,不复用 common
你可能注意到,mbr.S 里有一个自带的、极其精简的打印函数:
asm
print_string_mbr:
cld
._loop:
lodsb # 从 DS:SI 取一字节到 al,si++
test %al, %al
jz ._done
mov $0x0E, %ah # INT 0x10 AH=0x0E:teletype 输出
int $0x10
jmp ._loop
._done:
ret而 serial.S 里明明有一个功能更全的 print_string(带寄存器保护)。为什么不直接复用?
因为 MBR 只有 512 字节,而且必须链接成一个自包含的整体。
这里有个真实的坑(见"调试现场"):如果把 common/serial.S 也链进 MBR,加上它那些 VESA、A20 函数,MBR 的 .text 很容易就超过 512 字节。而 BIOS 只加载第 0 扇区的 512 字节——超出的部分压根没被读进内存。你的代码里 call print_string 跳过去,跳到的是一段"还没加载"的内存,结果就是一次毫无头绪的死机或重启。
所以 Cinux 的取舍是:
- MBR:只链
mbr.S,连一个多余的函数都不带。需要打印时,用一个不 push、极省字节的print_string_mbr。 - Stage2:把
common/serial.S以对象库的形式链进来,享受功能完整的print_string(带保护)。Stage2 没有 512 字节的死线。
这条"红线"在 CMakeLists.txt 里看得一清二楚:
makefile
add_executable(mbr mbr.S) # 只有 mbr.S
# ... 链接脚本 . = 0x7C00 ...
add_executable(stage2
stage2.S
$<TARGET_OBJECTS:boot_common> # 含 common/serial.S
)
# ... 链接脚本 . = 0x0 ...MBR 链接在 0x7C00(因为 BIOS 就把它放那),Stage2 链接在 0x0(因为它会被放在 0x8000,靠"段=0x800"来寻址,下面解释)。链接完用 objcopy -O binary 把 ELF 抽成裸二进制,scripts/build_image.sh 再把 MBR 写进扇区 0、Stage2 写进扇区 1,拼成 cinux.img。
5. Stage2:趁还在实模式,把 A20 和图形模式配好
ljmp $0x8000 >> 4, $0 这个远跳把 CS 设成 0x800、IP 设成 0,合起来物理地址正好是 0x8000,跳进 Stage2 的 _start。Stage2 第一件事还是理顺段——因为它链接在 0x0,得靠 DS=CS=0x800 才能让标号和访问对得上(这就是把 Stage2 链接地址设成 0x0、运行时把段设成 0x800 的配合):
展开代码 (共 24 行)收起代码
asm
_start:
cli
movw %cs, %ax
movw %ax, %ds
movw %ax, %es
movw %ax, %fs
movw %ax, %gs
movw $0x900, %ax # SS=0x900 → 栈基址物理 0x9000
movw %ax, %ss
movw $0xFFFE, %sp
sti
movw $(msg_stage2_ok), %si
call print_string # 用 common 里那个带保护的版本
call enable_a20
call vesa_get_controller_info
call vesa_get_mode_info
movw $(msg_mode_info_ok), %si
call print_string
call vesa_set_mode # ← 屏幕在这里切到图形模式,文本没了
call vesa_save_framebuffer_info
cli
.halt_loop:
hlt
jmp .halt_loop开 A20 是个历史包袱。早期 8086 的地址回绕 bug 在后来的 CPU 上被一条叫 A20 的地址线"修"着,很多机器开机时这条线是关的,导致访问高于 1MB 的地址会绕回 0。我们要进保护模式后迟早要碰高地址,所以趁还在实模式、BIOS 还能用,先用 INT 0x15 AX=0x2401 把它打开:
asm
enable_a20:
movw $0x2401, %ax
int $0x15
jc .a20_failed # CF=1 失败
retVESA 配屏是三步走,全靠 INT 0x10 的 VBE 子功能:
AX=0x4F00:拿控制器的整体信息,写到0x6000(请求前要先在缓冲区开头写"VBE2"签名,BIOS 才会按 VBE 2.0+ 填)。AX=0x4F01+CX=0x0118:拿某个具体模式(这里选0x118)的详细信息,写到0x6200。这里能读到物理地址、每行字节数(pitch)、分辨率。AX=0x4F02+BX=0x4118:切到这个模式。0x4118 = 0x118 | (1<<14),第 14 位表示"用线性 framebuffer"——我们要的就是一块平坦的显存,不要那种 bank-switching 的老古董。
三步里最重要的是第 3 步之后的那次保存:
asm
vesa_save_framebuffer_info:
# ES → 0x6200(BIOS 写的 ModeInfo),GS → 0x6400(我们的存档)
movl %es:0x28(%di), %eax # PhysBasePtr → 0x6400+0 (物理地址)
movl %eax, %gs:0(%di)
movw %es:0x10(%di), %ax # BytesPerScanLine → 0x6400+8 (pitch)
movw %ax, %gs:8(%di)
movw %es:0x12(%di), %ax # XResolution → 0x6400+12
movw %ax, %gs:12(%di)
movw %es:0x14(%di), %ax # YResolution → 0x6400+14
movw %ax, %gs:14(%di)
ret这块 0x6400 的存档是留给将来的内核的:等内核进了保护/长模式,BIOS 没了,它想知道"显存在哪、多宽、每行多少字节",就只能靠我们现在替它存好的这份参数。所以我们老老实实把物理地址、pitch、宽、高抄下来,放进一个约定好的固定地址。
这里有个别想当然的点:源码注释把 0x118 标成 1024x768x32,但真正的每像素位数(bpp)以 BIOS 返回的 ModeInfo 为准,不能假设。pitch(BytesPerScanLine)就是用来兜这个底的——1024 × 每像素字节数 可能是 3072(24bpp)也可能是 4096(32bpp),算显存偏移时必须用读出来的 pitch,而不是自己拍脑袋乘个 4。这也是为什么我们不嫌麻烦、非要把 pitch 单独存下来的原因。
至于 print_string 为什么前面要 push %ax / %bx / %si——因为 BIOS 中断不是普通函数,它会弄脏你的寄存器。INT 0x10 调完,ax/bx/si 乃至 DS/ES 都可能被改掉。不保护的话,print_string 返回后,调用者手里的 si 已经不是原来的字符串指针了,下一个函数接着用,就炸。这是 serial.S 里 print_string 比 MBR 版"啰嗦"的原因——MBR 版那是为了省字节,在"打印完就跳走"的简单场景下可以赌一把;通用场景必须保护。