Linux bootloader 編寫方法

對(duì)于移植 linux 到其它開發(fā)板的人來說，編寫 boot loader 是一個(gè)不可避免的過程。對(duì)于學(xué)習(xí)linux的人來講，編寫 bootloader 也是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的工作。本文通過對(duì) linux引導(dǎo)協(xié)議進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了如何編寫一個(gè)可以在 i386 機(jī)器上引導(dǎo) 2.4.20內(nèi)核的基本的bootloader。

1.概述

linux運(yùn)行在保護(hù)模式下，但是當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)復(fù)位的時(shí)候卻處于實(shí)模式下。所以寫bootloader做的工作也是在實(shí)模式之下的。

linux的內(nèi)核有多種格式，老式的zImage和新型的bzImage。它們之間最大的差別是對(duì)于內(nèi)核體積大小的限制。由于zImage內(nèi)核需要放在實(shí)模式1MB的內(nèi)存之內(nèi)，所以其體積受到了限制。目前采用的內(nèi)核格式大多為bzImage，這種格式?jīng)]有1MB內(nèi)存限制。本文以下部分主要以bzImage為例進(jìn)行分析。

2.bzImage格式內(nèi)核的結(jié)構(gòu)

bzImage內(nèi)核從前向后分為3個(gè)部分，前512字節(jié)被稱為bootsect，這就是軟盤引導(dǎo)linux時(shí)用到的bootloader，如果不從軟盤引導(dǎo)，這部分就沒有用，其中存儲(chǔ)了一些編譯時(shí)生成的內(nèi)核啟動(dòng)選項(xiàng)的默認(rèn)值。從512個(gè)字節(jié)開始的512*n個(gè)字節(jié)稱為setup部分，這是linux內(nèi)核的實(shí)模式部分，這部分在實(shí)模式下運(yùn)行，主要功能是為保護(hù)模式的linux內(nèi)核啟動(dòng)準(zhǔn)備環(huán)境。這個(gè)部分最后會(huì)切換進(jìn)入保護(hù)模式，跳轉(zhuǎn)到保護(hù)模式的內(nèi)核執(zhí)行。最后的部分就是保護(hù)模式的內(nèi)核，也就是真正意義上的linux內(nèi)核。其中n的大小可以從bootsect后半部得到，詳細(xì)地址可以參閱linux boot protocol。

3.引導(dǎo)過程概述

第一步，打開冰箱門；第二步把大象放到冰箱里……不要笑，過程就是這么簡(jiǎn)單。首先需要把linux內(nèi)核的setup部分拷貝到9020H:0開始的地址，然后把保護(hù)模式內(nèi)核拷貝到1MB開始的地址，然后根據(jù)Linux Boot Protocol 2.03的內(nèi)容設(shè)定參數(shù)區(qū)的內(nèi)容，基地址就是9000H：0，最后使用一條ljmp $0x9020,$0跳轉(zhuǎn)到setup段，剩下的事情就是linux自己的了^_^,果然簡(jiǎn)單吧！

4.THE LINUX/I386 BOOT PROTOCOL

這個(gè)就是我們引導(dǎo)linux所使用的協(xié)議，它的位置在：Documetation/i386/boot.txt中。里面詳細(xì)的寫了引導(dǎo)linux所需要知道的一切知識(shí)，對(duì)于其它體系結(jié)構(gòu)的CPU，也一定存在著類似的東東，仿照本文的方法就可以了。

5.細(xì)節(jié)一：基本引導(dǎo)參數(shù)

當(dāng)然我們不指定任何參數(shù)linux內(nèi)核也可以啟動(dòng)，但是這樣有可能啟動(dòng)進(jìn)入一個(gè)我們不支持的framebuffer模式，導(dǎo)致沒有任何屏幕顯示；也可能mount了錯(cuò)誤的根分區(qū)失敗，導(dǎo)致No Init Found的kernel panic。所以我們必須要指定一些東西。

如果你像我一樣是一個(gè)懶人，那么可以直接把bootsect拷到9000H：0的位置，使用軟盤引導(dǎo)時(shí)它會(huì)把自己復(fù)制到這個(gè)地方的，這里面有些默認(rèn)的設(shè)置，詳情請(qǐng)見boot.txt。

首先是root的位置，這里bootsect_pos指向的是9000H:0的地址。

bootsect_pos[0x1fc] = root_minor;
bootsect_pos[0x1fd] = root_major;

其中root_minor和root_major分別是root的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。

當(dāng)前顯示模式：

bootsect_pos[0x1fa] = 0xff;
bootsect_pos[0x1fb] = 0xff;

這兩個(gè)數(shù)值相當(dāng)于引導(dǎo)參數(shù)vga=0xHHH的值，兩個(gè)0xff代表文本模式。

bootsect_pos[0x210] = 0xff;

這是在設(shè)定你的bootloader的類型，其實(shí)只要不是0就行，因?yàn)?代表的loader太舊無法引導(dǎo)新的內(nèi)核，setup發(fā)現(xiàn)這個(gè)后就會(huì)停下來。按照規(guī)范你應(yīng)該寫成0xff，這表示未知的boot loader，如果你的bootloader已經(jīng)得到了一個(gè)官方分配的type id，那就寫上自己的數(shù)值。

6.細(xì)節(jié)二：如何加載內(nèi)核

如果你現(xiàn)在的環(huán)境是一無所有，那么必須使用bios中斷或者ATA指令去讀硬盤了，不過如果你手中如果有基本的DOS系統(tǒng)，那么就可以使用DOS的程序了。為了能夠操作整個(gè)4GB的地址空間，我使用了WATCOM C寫了個(gè)小程序讀內(nèi)核，不過你可以仿照bootsect里面的做法，在實(shí)模式中讀一部分，然后進(jìn)入到保護(hù)模式拷貝到1MB以上，然后再從實(shí)模式讀一部分……需要注意1:9000H:0也是DOS占用的地址空間，所以讀完內(nèi)核后就不要返回DOS了，否則會(huì)有問題；

注意2:一定保證是純DOS，不要加載HIMEM或者EMM386這樣的東西，它們會(huì)使上面的引導(dǎo)過程失敗。loadlin倒是可以來者通吃幾乎所有的DOS，不過它的作者也是這方面的大牛，對(duì)DOS下的內(nèi)存管理非常的熟悉。我們現(xiàn)在研究這些古老的東西很難找資料了，況且我們是在寫bootloader，不是DOS killer^_^。

7.引導(dǎo)時(shí)的高級(jí)功能

1)initrd

initrd是啟動(dòng)時(shí)的一個(gè)小虛擬盤，一般用它來實(shí)現(xiàn)模塊化的內(nèi)核。引導(dǎo)initrd的方法主要有兩個(gè)要點(diǎn)：
第一，把initrd讀入內(nèi)存，我們可以仿照大多數(shù)boot loader的方法把它放在內(nèi)存的最高端；
第二，設(shè)定initrd的起始位置和長(zhǎng)度

bootsect_pos[0x218]開始的4個(gè)字節(jié)放的是起始物理地址，bootsect_pos[0x21c]開始的4個(gè)字節(jié)放的是initrd的長(zhǎng)度。

2)command_line支持

用command_line你可以給內(nèi)核傳一些參數(shù)，自己定制內(nèi)核的行為。我是這樣做的，首先把command_line放在9900H:0的地址里，然后把9900H:0的物理地址存放在bootsect_pos[0x228]開始的4個(gè)字節(jié)里面。注意一定是物理地址，所以你應(yīng)該放99000H這個(gè)數(shù)，然后內(nèi)核就會(huì)識(shí)別你的command_line了。

8.結(jié)束語

寫本文的目的主要是為了用最少的語言和最短的時(shí)間說明bootloader的原理，真正的權(quán)威資料還是要看linux內(nèi)核源碼和boot.txt文件。我曾經(jīng)寫過一個(gè)例子loaderx，使用WATCOM C和TASM，WATCOM C是一個(gè)可以在DOS下生成能訪問4GB物理地址程序的C編譯器，里面也有詳細(xì)的注釋和文檔說明。可以從下面的地址下載：loaderx.tar.gz