x86 32位計算機上的操作系統引導過程的一些詳細信息

Question

我正在嘗試編寫一個供自己使用的操作系統，我想顯示一個具有VGA輸出的空白（黑屏），但是我有一些問題（問題）：

1. 在FAT32下，我使用MBR引導加載程序從Bochs讀取bximage生成的虛擬磁盤映像的第一個扇區。 我應該將顯示黑屏的第二個已編譯代碼放在哪里（哪個扇區）？ 如何使用dd實用程序呢？ 我的第二個編譯的代碼文件只有9個字節。

2. 是否需要VBR？

3. 我如何知道數據區域（FAT32）的開始和結束位置？

我重寫了此鏈接提供的引導程序。

我的磁盤文件規格是：20M，CHS 40/16/63

Answer 1

按年代順序...

最初沒有硬盤，並且（如果您未使用“ ROM中的BASIC”）計算機是從軟盤啟動的。 在這種情況下，卷的第一個扇區（軟盤）包含操作系統的引導加載程序。

在添加硬盤並使用類似方案后不久（卷/硬盤的第一個扇區包含操作系統的引導加載程序）。

但是，人們很快意識到，對於單個卷使用整個“大”硬盤是愚蠢的/不靈活的。 因此發明了一種分區方案，將硬盤分為多個卷。 在這種情況下，磁盤的第一個扇區（MBR）包含一個分區表，其中一個被標記為“活動”分區，以及一些用於“鏈式加載”活動分區的第一個扇區（引導加載程序）的代碼。 這成為“極端標准”，然后人們對其進行了擴展以支持多種不同的操作系統，並且大多數啟動管理器都使用此方法支持多種操作系統。

注1：我將“啟動管理器”定義為用來選擇要啟動哪個操作系統的東西，而將“啟動加載器”定義為用來啟動所選擇的特定OS的東西。 理想情況下，它們彼此無關，引導管理器應該與任何操作系統都不相關，並且最終用戶應該能夠以自己喜歡的方式更改引導管理器，而不會破壞或影響任何操作系統或引導加載程序。 可悲的是，（對於Windows）Microsoft敵對允許使用簡單，合理且受良好支持的方法引導多個不同的操作系統（包括允許同時安裝同一版本的Windows的多個實例，這可能很有用-例如，一個用於工作的操作系統，一個用於孩子的單獨操作系統，都安裝在同一台計算機上），並試圖用自己的“ boot.ini”愚蠢行為來掩蓋理智，這只會使所有事情變得毫無益處（除了給予Microsoft更多控制權之外）有關您使用計算機的操作）。 當然，當用戶僅在計算機上安裝一個OS時，OS安裝程序可以很好地進行安裝（可選，當且僅當用戶需要時），例如，因為他們還沒有自己的啟動管理器，它可以提供並安裝最少的操作系統MBR只是鏈式加載操作系統的引導加載程序。

隨着時間的流逝，添加了更多設備。 首先是網卡和從網絡啟動的能力。 這與“從磁盤啟動”沒有什么不同。 取而代之的是，網卡的ROM（在與DHCP服務器協商后）從服務器下載了整個“啟動文件”（不限於1個扇區，如果需要，可以為500 KiB），然后提供了一個API（引導加載程序可用來訪問網絡（例如，發送/接收數據包，使用TFTP協議下載更多文件等）的“ PXE API”。

添加的另一種設備是CD-ROM。 為此，創建了一個新的規范（“ El Torito可啟動CD-ROM規范”），部分目的是使您可以擁有一個包含多個條目的引導目錄，這些條目用於多種體系結構（例如，一個用於“ 80x86 PC”，一個用於“ PowerPC”，等），然后讓固件為正在引導的計算機選擇最合適的引導加載程序。 對於PC，有3種方法-仿真軟盤，仿真硬盤或“不仿真”。 仿真選項的工作方式與原始的“從磁盤啟動”方法相同（並使用512字節扇區等），但功能有限且運行緩慢，除了與舊版操作系統的兼容性之外，不應將其用於任何其他用途。 對於“無仿真”，它與原始的“從磁盤啟動”方法完全不同，固件應該加載整個“啟動文件”（不限於1個扇區，如果您願意，可以為500 KiB），並且扇區將是2048個字節（而不是512個字節）。

甚至以后 UEFI發明了。 對於80x86 PC，這有兩種版本-32位80x86和64位80x86。 從理論上講，您可以有一個64位UEFI引導加載程序，該加載程序可以切換到受保護模式/ 32位並啟動32位OS。 您可以擁有一個32位UEFI引導加載程序，該加載程序可以切換到長模式/ 64位並啟動64位OS。 但是，32位UEFI非常罕見（一些舊的Apple Mac，幾乎沒有其他），這些計算機可能還支持“ BIOS兼容啟動”。 因此，不值得支持32位UEFI。 一般而言，對於UEFI，它會加載並執行整個文件（無論使用哪種引導設備），並提供啟動加載程序可以使用的API（例如，設置視頻模式，獲取內存映射，加載其他文件等）。 ）。

注意2：UEFI會嘗試這樣做，以便無論您從哪種類型的設備進行引導，引導都可以相同地工作。 實際上，這不能很好地工作，您可能需要CD的其他引導加載程序（可以訪問CD本身上的文件，並且不僅限於中間的FAT文件系統映像），還需要其他引導加載程序用於CD。網絡（即使只是為了允許您將IP地址傳遞給操作系統，並避免在操作系統啟動后重復執行緩慢的DHCP操作）。

借助UEFI，還引入了新的分區方案（GPT或“ GUID分區表”）。 這具有多個優點，並且（對於將新操作系統作為計算機上唯一的OS安裝的情況）應該被視為默認值（而舊的“ MBR分區”應該僅被視為與舊操作系統的兼容性而被淘汰）。

大多; 對於80x86，您可能需要4個或更多不同的引導加載程序：

• 一個用於BIOS和未分區的磁盤設備（軟盤）
• 一個用於用“ MBR分區”分區的BIOS和磁盤設備
• 一個用於用“ GPT分區”分區的BIOS和磁盤設備
• 一種用於BIOS和網絡引導/ PXE
• 一種用於BIOS和“無仿真” CD引導
• 一個用於64位UEFI磁盤
• 一個用於64位UEFI CD-ROM
• 一個用於64位UEFI網絡

當然，所有這些情況都“足夠不同”，試圖擁有一個涵蓋多種不同情況的通用引導加載程序是很愚蠢的（而且在類似的情況下，例如“僅512字節”的限制會限制您如果您嘗試將注定失敗）。

我還“強烈建議”在引導加載程序和操作系統的其余部分之間進行某種抽象（例如，為操作系統定義的“引導協議”，用於描述引導加載程序如何設置，將信息傳遞給操作系統並進行傳輸控制到OS）; 這樣，整個操作系統中的任何代碼都無需知道或關心固件是什么（如果是BIOS或UEFI或其他東西，例如kexec() ）。 這意味着任何人都可以創建更多的引導加載程序（以支持其他情況和其他設備）； 並且（只要所有內容都符合您的抽象規范），整個操作系統都可以使用新的引導加載程序，而無需進行任何更改。

在FAT32下，我使用MBR引導加載程序從Bochs讀取bximage生成的虛擬磁盤映像的第一個扇區。 我應該將顯示黑屏的第二個已編譯代碼放在哪里（哪個扇區）？ 如何使用dd實用程序呢？ 我的第二個編譯的代碼文件只有9個字節。

這主要是錯誤的。 對於“ BIOS硬盤”，您應該有一個MBR（與操作系統完全無關）和分區，並且操作系統的引導加載程序應從分區的第一個扇區開始（並且應設計為使用DS:SI查找描述其分區的分區表條目，而dl確定分區所在的設備。

是否需要VBR？

在某些情況下（從UEFI，網絡，CD-ROM引導），VBR沒有意義。 在某些情況下（從BIOS硬盤或BIOS USB閃存啟動），“從理論上講是可選的”，但強烈建議這樣做。 因為某些BIOS可能無法識別它（尤其是在USB閃存盒中），而其他操作系統將假定該磁盤未格式化（並且會告訴其用戶該磁盤需要初始化/分區，從而說服用戶操作系統是垃圾，導致用戶意外或有意從磁盤上擦除操作系統）。

我如何知道數據區域（FAT32）的開始和結束位置？

對於FAT； 卷/分區的第一個扇區中的BPB（“ BIOS Parameter Block”（BIOS參數塊），因為它幾乎根本不被BIOS誤用）而存在一些字段，它們告訴您諸如有多少個保留扇區，多少個扇區的信息確實，如果您要使用世界上最差的文件系統之一來處理不適當的事情（例如，對於操作系統的主分區，非常需要有效權限/安全性和容錯之類的東西），那么您您將需要學習有關FAT32的所有知識，以便您可以編寫代碼以允許操作系統在引導后支持它。