FreeBSD操作系统的boot2阶段

FreeBSD操作系统的boot2阶段 2007-04-27 来源:FreeBSD 作者: 关键词： 系统FreeBSDBSD操作SD 也许你想知道，为什么 boot2 是在 boot0 之后，而不是在boot1之后。事实上，也有一个512字节的文件 boot1 存放在目录 /boot 里，那是用来从一张软盘引导系统的。从

FreeBSD操作系统的boot2阶段

2007-04-27      来源:FreeBSD         作者:

关键词：   系统      FreeBSD      BSD      操作      SD   

也许你想知道，为什么boot2 是在boot0 之后，而不是在boot1之后。事实上，也有一个512字节的文件boot1 存放在目录/boot 里，那是用来从一张软盘引导系统的。从软盘引导时，boot1 起着boot0 对硬盘引导相同的作用:它找到boot2 并运行之。

你可能已经看到有一文件/boot/mbr 。这是boot0 的简化版本。mbr 中的代码不会显示菜单让用户选择，而只是简单的引导被标志的分区。

实现boot2 的代码存放在目录sys/boot/i386/boot2/ 里，对应的可执行文件在/boot 里。在/boot 里的文件boot0 和boot2 不会在引导过程中使用，只有boot0cfg 这样的工具才会使用它们。boot0 的内容应在MBR中才能生效。boot2 位于可引导的FreeBSD分区的开始。这些位置不受文件系统控制，所以它们不可用ls 之类的命令查看。

boot2 的主要任务是装载文件/boot/loader ，那是引导过程的第三阶段。在boot2 中的代码不能使用诸如<span>open()</span> 和<span>read()</span> 之类的例程函数,因为内核还没有被加载。而应当扫描硬盘，读取文件系统结构，找到文件/boot/loader ，用BIOS的功能将它读入内存，然后从其入口点开始执行之。

除此之外，boot2 还可提示用户进行选择，loader可以从其它磁盘、系统单元、分区装载。

boot2 的二进制代码用特殊的方式产生：

<span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><tt>sys/boot/i386/boot2/Makefile</tt>
<br>
boot2: boot2.ldr boot2.bin ${BTX}/btx/btx<br>
    btxld -v -E ${ORG2} -f bin -b ${BTX}/btx/btx -l boot2.ldr /<br>
        -o boot2.ld -P 1 boot2.bin<br>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>

这个Makefile片断表明btxld (8) 被用来链接二进制代码。BTX表示引导扩展器(BooT eXtender)是给程序(称为客户(client))提供保护模式环境、并与客户程序相链接的一段代码。所以boot2 是一个BTX客户，使用BTX提供的服务。

工具btxld 是链接器，它将两个二进制代码链接在一起。btxld (8) 和ld (1) 的区别是ld 通常将两个目标文件链接成一个动态链接库或可执行文件，而btxld 则将一个目标文件与BTX链接起来，产生适合于放在分区首部的二进制代码，以实现系统引导。

boot0 执行跳转至BTX的入口点。然后，BTX将处理器切换至保护模式，并准备一个简单的环境，然后调用客户。这个环境包括：

• 虚拟8086模式。这意味着BTX是虚拟8086的监视程序。实模式指令，如pushf, popf, cli, sti, if，均可被客户调用。

• 建立中断描述符表(Interrupt Descriptor Table, IDT)，使得所有的硬件中断可被缺省的BIOS程序处理。建立中断0x30，这是系统调用关口。

• 两个系统调用<span>exec</span> 和 <span>exit</span> 的定义如下:

  <span><span><tt>sys/boot/i386/btx/lib/btxsys.s:</tt>
  <br>
          .set INT_SYS,0x30       # 中断号<br>
  #<br>
  # System call: exit<br>
  #<br>
  __exit:     xorl %eax,%eax          # BTX系统调用0x0<br>
          int $INT_SYS            #<br>
  #<br>
  # System call: exec<br>
  #<br>
  __exec:     movl $0x1,%eax          # BTX系统调用0x1<br>
          int $INT_SYS            #<br>
  </span>
  </span>
  

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

<span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><tt>sys/boot/i386/btx/btx/btx.s:</tt>
<br>
gdt:        .word 0x0,0x0,0x0,0x0       # 以空为入口<br>
        .word 0xffff,0x0,0x9a00,0xcf    # SEL_SCODE<br>
        .word 0xffff,0x0,0x9200,0xcf    # SEL_SDATA<br>
        .word 0xffff,0x0,0x9a00,0x0 # SEL_RCODE<br>
        .word 0xffff,0x0,0x9200,0x0 # SEL_RDATA<br>
        .word 0xffff,MEM_USR,0xfa00,0xcf# SEL_UCODE<br>
        .word 0xffff,MEM_USR,0xf200,0xcf# SEL_UDATA<br>
        .word _TSSLM,MEM_TSS,0x8900,0x0 # SEL_TSS<br>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>

客户的代码和数据始于地址MEM_USR(0xa000)，选择符(selector) SEL_UCODE指向客户的数据段。选择符 SEL_UCODE 拥有第3级描述符权限(Descriptor Privilege Level, DPL)，这是最低级权限。但是INT 0x30 指令的处理程序存储于另一个段里，这个段的选择符SEL_SCODE (supervisor code)由有着管理级权限。正如代码建立IDT(中断描述符表)时进行的操作那样:

<span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span>       mov $SEL_SCODE,%dh      # 段选择符<br>
init.2:     shr %bx             # 是否处理这个中断？<br>
        jnc init.3          # 否<br>
        mov %ax,(%di)           # 设置处理程序偏移量<br>
        mov %dh,0x2(%di)        # 设置处理程序选择符<br>
        mov %dl,0x5(%di)        # 设置 P:DPL:type<br>
        add $0x4,%ax            # 下一个中断处理程序<br>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>

所以，当客户调用 <span>__exec()</span> 时，代码将被以最高权限执行。这使得内核可以修改保护模式数据结构，如分页表(page tables)、全局描述符表(GDT)、中断描述符表(IDT)等。

boot2 定义了一个重要的数据结构：struct bootinfo 。这个结构由 boot2 初始化，然后被转送到loader，之后又被转入内核。这个结构的部分项目由boot2 设定，其余的由loader设定。这个结构中的信息包括内核文件名、BIOS提供的硬盘柱面/磁头/扇区数目信息、BIOS提供的引导设备的驱动器编号，可用的物理内存大小，envp 指针(环境指针)等。定义如下：

<span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><tt>/usr/include/machine/bootinfo.h</tt>
<br>
struct bootinfo {<br>
    u_int32_t   bi_version;<br>
    u_int32_t   bi_kernelname;      /* 用一个字节表示 * */<br>
    u_int32_t   bi_nfs_diskless;    /* struct nfs_diskless * */<br>
        /* 以上为常备项 */<br>
#define bi_endcommon    bi_n_bios_used<br>
    u_int32_t   bi_n_bios_used;<br>
    u_int32_t   bi_bios_geom[N_BIOS_GEOM];<br>
    u_int32_t   bi_size;<br>
    u_int8_t    bi_memsizes_valid;<br>
    u_int8_t    bi_bios_dev;        /* 引导设备的BIOS单元编号 */<br>
    u_int8_t    bi_pad[2];<br>
    u_int32_t   bi_basemem;<br>
    u_int32_t   bi_extmem;<br>
    u_int32_t   bi_symtab;      /* struct symtab * */<br>
    u_int32_t   bi_esymtab;     /* struct symtab * */<br>
        /* 以下项目仅高级bootloader提供 */<br>
    u_int32_t   bi_kernend;     /* 内核空间末端 */<br>
    u_int32_t   bi_envp;        /* 环境 */<br>
    u_int32_t   bi_modulep;     /* 预装载的模块 */<br>
};<br>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>

boot2 进入一个循环等待用户输入，然后调用<span>load()</span> 。如果用户不做任何输入，循环将在一段时间后结束，<span>load()</span> 将会装载缺省文件(/boot/loader )。函数 <span>ino_t lookup(char *filename)</span> 和<span>int xfsread(ino_t inode, void *buf, size_t nbyte)</span> 用来将文件内容读入内存。/boot/loader 是一个ELF格式二进制文件，不过它的头部被换成了a.out格式中的struct exec 结构。<span>load()</span> 扫描loader的ELF头部，装载/boot/loader 至内存，然后跳转至入口执行之：

<span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><span><tt>sys/boot/i386/boot2/boot2.c:</tt>
<br>
    __exec((caddr_t)addr, RB_BOOTINFO | (opts & RBX_MASK),<br>
       MAKEBOOTDEV(dev_maj[dsk.type], 0, dsk.slice, dsk.unit, dsk.part),<br>
       0, 0, 0, VTOP(&bootinfo));<br>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>
</span>