实现X86_64架构下的BootLoader（一）Boot引导原理

作为唤醒机器拉起系统内核的第一步，需要用到BootLoader的地方太多了，并且实现原理也完全不同，本次实现的是X64架构下基于BIOS引导的BootLoader，目前主流的引导方式是UEFI，这个以后有机会的话会实现，传统BIOS和UEFI的流程如下：

如果用一段话简短概括整个流程，那就是在整个机器启动时，BIOS进行自检，自检结束后根据设置的启动顺序来检测对应的磁盘，检测的内容是读取目标磁盘的第0磁头第0磁道第1扇区中的最后两个字节，并判断是否为0x55和0xaa （固定值），如果是，则认为该扇区内有引导程序，将该扇区的内容加载到内存中，并初始化CPU，将CS:IP初始化为0000<7c00>（固定值），在CPU以实模式运行时通过CS寄存器和IP寄存器配合来执行内存中的指令，过程如下图：

BIOS将扇区中的内容加载至内存，并将CS，然后启动CPU，本质上就是将控制权由BIOS交给程序，也就是说，在第一扇区存储的的程序必须满足三个要求：

大小为512字节
以55和aa结尾（16进制）
指令从0x7c00开始执行
根据这些特性，我们可以写出如下代码：

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org 0x7c00
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BaseOfStack equ 0x7c00
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Label_Start:
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mov ax, cs
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mov ds, ax
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mov es, ax
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mov ss, ax
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mov sp, BaseOfStack
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;清屏
10
mov ax, 0600h
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mov bx, 0700h
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mov cx, 0
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mov dx, 0184fh
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int 10h
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;置光标位置为初始值
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mov ax, 0200h
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mov bx, 0000h
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mov dx, 0000h
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int 10h
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;显示数
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mov ax, 1301h
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mov bx, 000fh
23
mov dx, 0000h
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mov cx, 10
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push ax
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mov ax, ds
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mov es, ax
28
pop ax
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mov bp, StartBootMessage
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int 10h
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;要显示的为10个字符，所以前面CX计数器置10
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StartBootMessage: db "start boot"
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times 510 - ($ - $$) db 0
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dw 0xaa55

上面的指令有两个地方需要注意，一个是进行显示相关操作的时候用到了BIOS中断，这是一份BIOS中断调用表，在里面记录着部分中断调用，在产生中断调用（INT）时，根据各个寄存器里预置的不同值，产生不同的处理结果，在这个程序中只用到了显示中断调用，也就是INT 10h中的内容。还有一个需要注意的地方是最后的times 510 - ($ - $$) db 0，$表示的是当前指令段编译后的地址，$$表示当前Section编译后的起始地址，所以整句的含义是将文件用0填充至510字节（注意，times是伪指令，在编译时就会被解释），最后补上结束符0xaa55。

将上面的汇编程序编译，得到二进制文件，文件大小为512B，如果不是那么应该是times那里写的有问题。

如何测试这段程序呢？这段程序可以在任何兼容x86架构的物理机或虚拟机运行，这次我们用最常用的虚拟机+虚拟3.5寸软盘实现，其实本来想用真东西玩玩的，结果翻出来了一堆软盘，就是没翻出来软驱，而且后续程序不会再在软盘环境测试，还是不费那个功夫了。那么就需要将这512B的文件装在一个软盘映像文件里，注意，这个映像文件不要用现有的任何例如UltraISO这样的第三方程序生成，因为这样生成的都是自带文件系统的，这些文件系统的定义和代码一般在开头，导致我们的程序无法在物理位置放置于软盘的第一扇区，所以这个文件需要自己来生成。我比较推荐的方法是借助现有工具从原理上实现，例如以下这个Java程序：

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public static void main(String[] args) throws IOException {
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    if (args.length != 2) {
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        System.out.println("param error.");
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        return;
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    }
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    InputStream in = new FileInputStream(args[0]);
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    byte[] b = new byte[512];
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    in.read(b);
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    in.close();
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    byte[] b2 = new byte[1474560];
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    System.arraycopy(b, 0, b2, 0, 512);
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    in.close();
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    File f = new File(args[1]);
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    if (!f.exists()) {
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        f.createNewFile();
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    }
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    OutputStream out = new FileOutputStream(f);
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    out.write(b2);
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    out.close();
20
}

整个过程很简单，读512字节数据，复制进长度为1.4410001024的字节数组中，并写入目标文件，这样目标文件的大小就刚好为1.44MB，并且以512B的Boot程序作为开始。当然这里想用什么语言实现都可以，只要保证大小以及Boot程序位置正确就行了，注意mb换算kb的比值是1000不是1024。如果在这一步你不打算用任何编程语言也是可以完成的，找一款能运行在你的平台下的十六进制编辑器，也可以完成以上内容，打开编译好后的二进制文件：

复制所有内容到一个新二进制文件中，或者在原文件末尾追加0，一直填充到16<8000h之前就行了>，相信如果你真的这么做了，就会发现写一个java或python程序来帮你填充确实是个不错的选择。

将处理好的软盘映像文件（为了方便后面叫boot.img）插入虚拟机就可以使用了，具体怎么配置，不管是boch还是vmware都大同小异，这里懒得说了直接给图：

然后就可以启动虚拟机了：

这个Boot除了显示了个字符串之外什么都没有做，后续会编写一个简单的文件系统，并且编写loader程序然后用boot拉起loader。