标签：mbsp 探查 操作系统 mb -- u64 e820map init machbstart

上一节讲道二级引导器不做具体的加载任务，而是主要解析内核文件、收集机器环境信息，那具体做些什么事呢？
在二级引导器中，要检查CPU是否支持64位的工作模式、收集内存布局信息，查看是不是符合我们操作系统的最低运行要求，还要设置操作系统需要的MMU页表、设置显卡模式、释放中文字体文件等。

检查与收集机器信息

如果ldrkrl_entry()函数是总裁，那么init_bstartparm()则是经理，它负责管理检查CPU模式、收集内存信息，设置内核栈，设置内核字体、建立内核MMU页表数据。

在bstartparm.c文件中实现一个init_bstartparm()，实现如下：

//初始化machbstart_t结构体，清0,并设置一个标志
void machbstart_t_init(machbstart_t* initp)
{
    memset(initp,0,sizeof(machbstart_t));
    initp->mb_migc=MBS_MIGC;
    return;
}
void init_bstartparm()
{
    machbstart_t* mbsp = MBSPADR;//1MB的内存地址
    machbstart_t_init(mbsp);
    return;
}

init_bstartparm() 函数只是调用了一个 machbstart_t_init() 函数，在 1MB 内存地址处初始化了一个机器信息结构 machbstart_t，后面随着干活越来越多，还会调用更多的函数的。

检查CPU

首先要检查我们的CPU，因为它是执行程序的关键，要搞清楚它能执行什么形式的代码，支持64位长模式吗？
这交给init_chkcpu()函数，由于用CPUID指令来检查CPU是否支持64位长模式，需要chk_cpuid、chk_cpu_longmode两个帮手来做两件事，一个是检查CPU是否支持CPUID指令，然后另一个用CPUID指令检查CPU是否支持64长模式。

//通过改写Eflags寄存器的第21位，观察其位的变化判断是否支持CPUID
int chk_cpuid()
{
    int rets = 0;
    __asm__ __volatile__(
        "pushfl \n\t"
        "popl %%eax \n\t"
        "movl %%eax,%%ebx \n\t"
        "xorl $0x0200000,%%eax \n\t"
        "pushl %%eax \n\t"
        "popfl \n\t"
        "pushfl \n\t"
        "popl %%eax \n\t"
        "xorl %%ebx,%%eax \n\t"
        "jz 1f \n\t"
        "movl $1,%0 \n\t"
        "jmp 2f \n\t"
        "1: movl $0,%0 \n\t"
        "2: \n\t"
        : "=c"(rets)
        :
        :);
    return rets;
}
//检查CPU是否支持长模式
int chk_cpu_longmode()
{
    int rets = 0;
    __asm__ __volatile__(
        "movl $0x80000000,%%eax \n\t"
        "cpuid \n\t" //把eax中放入0x80000000调用CPUID指令
        "cmpl $0x80000001,%%eax \n\t"//看eax中返回结果
        "setnb %%al \n\t" //不为0x80000001,则不支持0x80000001号功能
        "jb 1f \n\t"
        "movl $0x80000001,%%eax \n\t"
        "cpuid \n\t"//把eax中放入0x800000001调用CPUID指令，检查edx中的返回数据
        "bt $29,%%edx  \n\t" //长模式 支持位  是否为1
        "setcb %%al \n\t"
        "1: \n\t"
        "movzx %%al,%%eax \n\t"
        : "=a"(rets)
        :
        :);
    return rets;
}
//检查CPU主函数
void init_chkcpu(machbstart_t *mbsp)
{
    if (!chk_cpuid())
    {
        kerror("Your CPU is not support CPUID sys is die!");
        CLI_HALT();
    }
    if (!chk_cpu_longmode())
    {
        kerror("Your CPU is not support 64bits mode sys is die!");
        CLI_HALT();
    }
    mbsp->mb_cpumode = 0x40;//如果成功则设置机器信息结构的cpu模式为64位
    return;
}

检查 CPU 是否支持 CPUID 指令和检查 CPU 是否支持长模式，只要其中一步检查失败，我们就打印一条相应的提示信息，然后主动死机。
最后设置机器信息结构中的 mb_cpumode 字段为 64,mbsp 正是传递进来的机器信息 machbstart_t 结构体的指针。

获取内存布局

CPU检查完成之后，看下获取内存布局信息，物理内存在物理地址空间中是一段一段的，描述一段内存有一个数据结构，如下所示

#define RAM_USABLE 1 //可用内存
#define RAM_RESERV 2 //保留内存不可使用
#define RAM_ACPIREC 3 //ACPI表相关的
#define RAM_ACPINVS 4 //ACPI NVS空间
#define RAM_AREACON 5 //包含坏内存
typedef struct s_e820{
    u64_t saddr;    /* 内存开始地址 */
    u64_t lsize;    /* 内存大小 */
    u32_t type;    /* 内存类型 */
}e820map_t;

获取内存布局信息就是获取这个结构体的数组，由init_mem函数来实现，该函数主要完成两件事：

• 1、获取上述结构体数组
• 2、检查内存大小，因为内核对内存容量有要求，不能太小

实现如下：

#define ETYBAK_ADR 0x2000
#define PM32_EIP_OFF (ETYBAK_ADR)
#define PM32_ESP_OFF (ETYBAK_ADR+4)
#define E80MAP_NR (ETYBAK_ADR+64)//保存e820map_t结构数组元素个数的地址
#define E80MAP_ADRADR (ETYBAK_ADR+68) //保存e820map_t结构数组的开始地址
void init_mem(machbstart_t *mbsp)
{
    e820map_t *retemp;
    u32_t retemnr = 0;
    mmap(&retemp, &retemnr);
    if (retemnr == 0)
    {
        kerror("no e820map\n");
    }
    //根据e820map_t结构数据检查内存大小
    if (chk_memsize(retemp, retemnr, 0x100000, 0x8000000) == NULL)
    {
        kerror("Your computer is low on memory, the memory cannot be less than 128MB!");
    }
    mbsp->mb_e820padr = (u64_t)((u32_t)(retemp));//把e820map_t结构数组的首地址传给mbsp->mb_e820padr 
    mbsp->mb_e820nr = (u64_t)retemnr;//把e820map_t结构数组元素个数传给mbsp->mb_e820nr 
    mbsp->mb_e820sz = retemnr * (sizeof(e820map_t));//把e820map_t结构数组大小传给mbsp->mb_e820sz 
    mbsp->mb_memsz = get_memsize(retemp, retemnr);//根据e820map_t结构数据计算内存大小。
    return;
}

上面最难的是mmap函数的实现，但可以通过调用BIOS的机制，就会发现，只要调用了BIOS终端，就能获取e820map结构数组

mmap 的函数调用关系：

void mmap(e820map_t **retemp, u32_t *retemnr)
{
    realadr_call_entry(RLINTNR(0), 0, 0);
    *retemnr = *((u32_t *)(E80MAP_NR));
    *retemp = (e820map_t *)(*((u32_t *)(E80MAP_ADRADR)));
    return;
}

mmap 函数正是通过前面讲的 realadr_call_entry 函数，来调用实模式下的 _getmmap 函数的，并且在 _getmmap 函数中调用 BIOS 中断的。

_getmmap:
  push ds
  push es
  push ss
  mov esi,0
  mov dword[E80MAP_NR],esi
  mov dword[E80MAP_ADRADR],E80MAP_ADR ;e820map结构体开始地址
  xor ebx,ebx
  mov edi,E80MAP_ADR
loop:
  mov eax,0e820h ;获取e820map结构参数
  mov ecx,20    ;e820map结构大小
  mov edx,0534d4150h ;获取e820map结构参数必须是这个数据
  int 15h  ;BIOS的15h中断
  jc .1
  add edi,20
  cmp edi,E80MAP_ADR+0x1000
  jg .1
  inc esi
  cmp ebx,0
  jne loop ;循环获取e820map结构
  jmp .2
.1:
  mov esi,0    ;出错处理，e820map结构数组元素个数为0
.2:
  mov dword[E80MAP_NR],esi ;e820map结构数组元素个数
  pop ss
  pop es
  pop ds
  ret

init_mem 函数在调用 mmap 函数后，就会得到 e820map 结构数组，其首地址和数组元素个数由 retemp，retemnr 两个变量分别提供。

初始化内核栈

因为操作系统是 C 语言写的，所以需要有栈，即给即将运行的内核初始化一个栈，就是在机器信息结构machbstart_t中，记录下栈地址和栈大小，供内核在启动时使用。

#define IKSTACK_PHYADR (0x90000-0x10)
#define IKSTACK_SIZE 0x1000
//初始化内核栈
void init_krlinitstack(machbstart_t *mbsp)
{
    if (1 > move_krlimg(mbsp, (u64_t)(0x8f000), 0x1001))
    {
        kerror("iks_moveimg err");
    }
    mbsp->mb_krlinitstack = IKSTACK_PHYADR;//栈顶地址
    mbsp->mb_krlitstacksz = IKSTACK_SIZE; //栈大小是4KB
    return;
}

其中调用了一个move_krlimg函数，主要负责判断一个地址空间是否和内存中存放的内容有冲突。
因为我们的内存中已经放置了机器信息结构、内存视图结构数组、二级引导器、内核映像文件，所以在处理内存空间时不能和内存中已经存在的他们冲突，否则就要覆盖他们的数据。0x8f000～（0x8f000+0x1001），正是我们的内核栈空间，我们需要检测它是否和其它空间有冲突

放置内核文件与字库文件

放置内核文件和字库文件这一步，也非常简单，甚至放置其它文件也一样。
因为我们的内核已经编译成了一个独立的二进制程序，和其它文件一起被打包到映像文件中了。所以我们必须要从映像中把它解包出来，将其放在特定的物理内存空间中才可以，放置字库文件和放置内核文件的原理一样。
代码如下：

//放置内核文件
void init_krlfile(machbstart_t *mbsp)
{
//在映像中查找相应的文件，并复制到对应的地址，并返回文件的大小，这里是查找kernel.bin文件
    u64_t sz = r_file_to_padr(mbsp, IMGKRNL_PHYADR, "kernel.bin");
    if (0 == sz)
    {
        kerror("r_file_to_padr err");
    }
    //放置完成后更新机器信息结构中的数据
    mbsp->mb_krlimgpadr = IMGKRNL_PHYADR;
    mbsp->mb_krlsz = sz;
    //mbsp->mb_nextwtpadr始终要保持指向下一段空闲内存的首地址 
    mbsp->mb_nextwtpadr = P4K_ALIGN(mbsp->mb_krlimgpadr + mbsp->mb_krlsz);
    mbsp->mb_kalldendpadr = mbsp->mb_krlimgpadr + mbsp->mb_krlsz;
    return;
}
//放置字库文件
void init_defutfont(machbstart_t *mbsp)
{
    u64_t sz = 0;
    //获取下一段空闲内存空间的首地址 
    u32_t dfadr = (u32_t)mbsp->mb_nextwtpadr;
//在映像中查找相应的文件，并复制到对应的地址，并返回文件的大小，这里是查找font.fnt文件
    sz = r_file_to_padr(mbsp, dfadr, "font.fnt");
    if (0 == sz)
    {
        kerror("r_file_to_padr err");
    }
    //放置完成后更新机器信息结构中的数据
    mbsp->mb_bfontpadr = (u64_t)(dfadr);
    mbsp->mb_bfontsz = sz;
    //更新机器信息结构中下一段空闲内存的首地址  
    mbsp->mb_nextwtpadr = P4K_ALIGN((u32_t)(dfadr) + sz);
    mbsp->mb_kalldendpadr = mbsp->mb_bfontpadr + mbsp->mb_bfontsz;
    return;
}

都是调用 r_file_to_padr 函数在映像中查找 kernel.bin 和 font.fnt 文件，并复制到对应的空闲内存空间中。
注：
由于内核是代码数据，所以必须要复制到指定的内存空间中

建立MMU页表数据

在二级引导器中建立 MMU 页表数据，目的就是要在内核加载运行之初开启长模式时，MMU 需要的页表数据已经准备好了。
由于我们的内核虚拟地址空间从 0xffff800000000000 开始，所以我们这个虚拟地址映射到从物理地址 0 开始，大小都是 0x400000000 即 16GB，也就是说我们要虚拟地址空间：0xffff800000000000～0xffff800400000000 映射到物理地址空间 0～0x400000000。
为了简化编程，使用长模式下的 2MB 分页方式，代码实现如下：

#define KINITPAGE_PHYADR 0x1000000
void init_bstartpages(machbstart_t *mbsp)
{
    //顶级页目录
    u64_t *p = (u64_t *)(KINITPAGE_PHYADR);//16MB地址处
    //页目录指针
    u64_t *pdpte = (u64_t *)(KINITPAGE_PHYADR + 0x1000);
    //页目录
    u64_t *pde = (u64_t *)(KINITPAGE_PHYADR + 0x2000);
    //物理地址从0开始
    u64_t adr = 0;
    if (1 > move_krlimg(mbsp, (u64_t)(KINITPAGE_PHYADR), (0x1000 * 16 + 0x2000)))
    {
        kerror("move_krlimg err");
    }
    //将顶级页目录、页目录指针的空间清0
    for (uint_t mi = 0; mi < PGENTY_SIZE; mi++)
    {
        p[mi] = 0;
        pdpte[mi] = 0;
    }
    //映射
    for (uint_t pdei = 0; pdei < 16; pdei++)
    {
        pdpte[pdei] = (u64_t)((u32_t)pde | KPDPTE_RW | KPDPTE_P);
        for (uint_t pdeii = 0; pdeii < PGENTY_SIZE; pdeii++)
        {//大页KPDE_PS 2MB，可读写KPDE_RW，存在KPDE_P
            pde[pdeii] = 0 | adr | KPDE_PS | KPDE_RW | KPDE_P;
            adr += 0x200000;
        }
        pde = (u64_t *)((u32_t)pde + 0x1000);
    }
    //让顶级页目录中第0项和第((KRNL_VIRTUAL_ADDRESS_START) >> KPML4_SHIFT) & 0x1ff项，指向同一个页目录指针页  
    p[((KRNL_VIRTUAL_ADDRESS_START) >> KPML4_SHIFT) & 0x1ff] = (u64_t)((u32_t)pdpte | KPML4_RW | KPML4_P);
    p[0] = (u64_t)((u32_t)pdpte | KPML4_RW | KPML4_P);
    //把页表首地址保存在机器信息结构中
    mbsp->mb_pml4padr = (u64_t)(KINITPAGE_PHYADR);
    mbsp->mb_subpageslen = (u64_t)(0x1000 * 16 + 0x2000);
    mbsp->mb_kpmapphymemsz = (u64_t)(0x400000000);
    return;
}

映射的核心逻辑由两重循环控制，外层循环控制页目录指针顶，只有 16 项，其中每一项都指向一个页目录，每个页目录中有 512 个物理页地址。

物理地址每次增加 2MB，这是由 26～30 行的内层循环控制，每执行一次外层循环就要执行 512 次内层循环。最后，顶级页目录中第 0 项和第 ((KRNL_VIRTUAL_ADDRESS_START) >> KPML4_SHIFT) & 0x1ff 项，指向同一个页目录指针页，这样的话就能让虚拟地址：0xffff800000000000～0xffff800400000000 和虚拟地址：0～0x400000000，访问到同一个物理地址空间 0～0x400000000，这样做是有目的，内核在启动初期，虚拟地址和物理地址要保持相同。

设置图形模式

在计算机加电启动时，计算机上显卡会自动进入文本模式，文本模式只能显示 ASCII 字符，不能显示汉字和图形，所以我们要让显卡切换到图形模式。

切换显卡模式依然要用 BIOS 中断，在实模式切换显卡模式的汇编代码，使用C函数调用它们，代码如下：

void init_graph(machbstart_t* mbsp)
{
    //初始化图形数据结构
    graph_t_init(&mbsp->mb_ghparm);
    //获取VBE模式，通过BIOS中断
    get_vbemode(mbsp);
    //获取一个具体VBE模式的信息，通过BIOS中断
    get_vbemodeinfo(mbsp);
    //设置VBE模式，通过BIOS中断
    set_vbemodeinfo();
    return;
}

VBE 是显卡的一个图形规范标准，它定义了显卡的几种图形模式，每个模式包括屏幕分辨率，像素格式与大小，显存大小。调用 BIOS 10h 中断可以返回这些数据结构
这里我们选择使用了 VBE 的 118h 模式，该模式下屏幕分辨率为 1024x768，显存大小是 16.8MB。显存开始地址一般为 0xe0000000。屏幕分辨率为 1024x768，即把屏幕分成 768 行，每行 1024 个像素点，但每个像素点占用显存的 32 位数据（4 字节，红、绿、蓝、透明各占 8 位）。我们只要往对应的显存地址写入相应的像素数据，屏幕对应的位置就能显示了。
每个像素点，我们可以用如下数据结构表示：

typedef struct s_PIXCL
{
    u8_t cl_b; //蓝
    u8_t cl_g; //绿
    u8_t cl_r; //红
    u8_t cl_a; //透明
}__attribute__((packed)) pixcl_t;

#define BGRA(r,g,b) ((0|(r<<16)|(g<<8)|b))
//通常情况下用pixl_t 和 BGRA宏
typedef u32_t pixl_t;

屏幕像素点和显存位置对应的计算方式：

u32_t* dispmem = (u32_t*)mbsp->mb_ghparm.gh_framphyadr;
dispmem[x + (y * 1024)] = pix;
//x，y是像素的位置

串联

所有的实施工作的函数已经完成了，需要在init_bstartparm()函数中把他们串联起来，即按照事情的先后顺序，一次调用它们完成相应的工作，实现检查、收集机器信息，设置工作环境。

void init_bstartparm()
{
    machbstart_t *mbsp = MBSPADR;
    machbstart_t_init(mbsp);
    //检查CPU
    init_chkcpu(mbsp);
    //获取内存布局
    init_mem(mbsp);
    //初始化内核栈
    init_krlinitstack(mbsp);
    //放置内核文件
    init_krlfile(mbsp);
    //放置字库文件
    init_defutfont(mbsp);
    init_meme820(mbsp);
    //建立MMU页表
    init_bstartpages(mbsp);
    //设置图形模式
    init_graph(mbsp);
    return;
}

至此，init_bstartparm() 函数就成功完成了它的使命。

显示Logo

logo 文件是个 24 位的位图文件，目前为了简单起见，我们只支持这种格式的图片文件。下面我们去调用这个函数。

void logo(machbstart_t* mbsp)
{
    u32_t retadr=0,sz=0;
    //在映像文件中获取logo.bmp文件
    get_file_rpadrandsz("logo.bmp",mbsp,&retadr,&sz);
    if(0==retadr)
    {
        kerror("logo getfilerpadrsz err");
    }
    //显示logo文件中的图像数据
    bmp_print((void*)retadr,mbsp);
    return;
}
void init_graph(machbstart_t* mbsp)
{    
    //……前面代码省略
    //显示
    logo(mbsp);
    return;
}

在图格式的文件中，除了文件头的数据就是图形像素点的数据，只不过 24 位的位图每个像素占用 3 字节，并且位置是倒排的，即第一个像素的数据是在文件的最后，依次类推。我们只要依次将位图文件的数据，按照倒排次序写入显存中，这样就可以显示了

二级引导器的文件和 logo 文件打包成映像文件，然后放在虚拟硬盘中。

标签：mbsp,探查,操作系统,mb,--,u64,e820map,init,machbstart
来源： https://www.cnblogs.com/whiteBear/p/16323385.html

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