关于主引导记录 MBR（Master Boot Record）的基础知识 #28

limingth · 2023-10-02T13:30:04Z

limingth
Oct 2, 2023
Maintainer

MBR(512字节） = Bootloader(Stage 1=446字节) + MBR分区表(16x4=64字节) + MBR签名(55 AA=2字节)

MBR 简介

硬盘的主引导记录（MBR）中的前446字节是位于扇区0的部分，称为MBR代码区域。它主要负责以下功能：

引导加载程序（Bootloader）：MBR代码区域包含一个小型的引导加载程序，通常是GRUB或其他引导加载程序。这个引导加载程序负责后续的引导过程，它会从硬盘上加载更大的引导加载程序（如Stage 2）或操作系统的启动器。
分区表：MBR的剩余部分用于存储分区表，分区表描述了硬盘上的分区结构。MBR支持最多4个主分区或3个主分区和1个扩展分区。分区表的条目包括分区的起始位置、大小和活动状态（是否可引导）等信息。
签名：MBR的最后两个字节（即511和512字节）存储了一个特殊的签名，被称为"MBR签名"或"引导扇区标识"。这个签名用于检测MBR的有效性，并告诉BIOS这是一个可以引导的MBR。

总之，硬盘的MBR的前446字节包含了引导加载程序（Bootloader）、分区表和MBR签名。这些信息与BIOS引导过程密切相关，它们协同工作来启动操作系统并加载相应的分区。

Stage 1 和 Stage 2

在引导过程中，"Stage 1"和"Stage 2"通常与传统BIOS引导（使用MBR分区表）相关联。

Stage 1：在传统BIOS引导中，"Stage 1"是指引导加载程序（如GRUB）的第一阶段。它位于硬盘的主引导记录（Master Boot Record - MBR）中的前446字节，负责从硬盘上的特定位置加载并执行"Stage 2"。
Stage 2： "Stage 2"是指引导加载程序的第二阶段。它位于硬盘上的特定位置，通常是在MBR之后的扩展分区或操作系统的启动分区中。"Stage 2"负责加载操作系统内核、初始化系统环境，并将控制权转交给操作系统。

需要注意的是，UEFI引导方式（使用GPT分区表）不再使用"Stage 1"和"Stage 2"的概念。UEFI采用了不同的机制，其中引导管理器和EFI system partition负责加载和启动操作系统。所以，在UEFI引导中，没有直接对应于"Stage 1"和"Stage 2"的概念。

举例

以 livedisk.iso 的第一个扇区（512字节）为例：

$ hexdump -C -n 512 livedisk.iso 
00000000  31 c0 8e d8 8e c0 8e d0  bc 00 7c 50 68 10 7c cb  |1.........|Ph.|.|
00000010  88 16 a1 7d be 94 7d e8  49 01 b0 31 e8 52 01 e8  |...}..}.I..1.R..|
00000020  38 01 b4 08 8a 16 a1 7d  31 ff cd 13 0f 82 0e 01  |8......}1.......|
00000030  88 eb 88 cf c0 ef 06 89  1e a2 7d c1 ea 08 42 89  |..........}...B.|
00000040  16 a6 7d 80 e1 3f 88 0e  aa 7d 66 b8 22 00 00 00  |..}..?...}f."...|
00000050  bb 00 c0 b9 1d 02 ba 00  00 e8 11 00 be 94 7d e8  |..............}.|
00000060  01 01 b0 32 e8 0a 01 e8  f0 00 e9 93 43 83 f9 7f  |...2........C...|
00000070  76 15 60 b9 7f 00 e8 f4  ff 61 66 83 c0 7f 81 c2  |v.`......af.....|
00000080  e0 0f 83 e9 7f eb e6 66  a3 b6 7d 89 1e b2 7d 89  |.......f..}...}.|
00000090  0e b0 7d 89 16 b4 7d e8  6c 00 80 3e aa 7d 00 75  |..}...}.l..>.}.u|
000000a0  10 8a 16 a1 7d be ae 7d  b4 42 cd 13 0f 82 8e 00  |....}..}.B......|
000000b0  c3 66 31 d2 66 a1 b6 7d  66 f7 36 aa 7d 66 89 d1  |.f1.f..}f.6.}f..|
000000c0  66 31 d2 66 f7 36 a6 7d  66 41 66 83 f9 3f 77 6c  |f1.f.6.}fAf..?wl|
000000d0  66 81 fa ff 00 00 00 77  63 66 3d ff 03 00 00 77  |f......wcf=....w|
000000e0  5b 88 c5 c0 e4 06 80 e1  3f 08 e1 c1 e2 08 a0 b0  |[.......?.......|
000000f0  7d b4 02 8b 1e b2 7d 8a  16 a1 7d 06 8e 06 b4 7d  |}.....}...}....}|
00000100  cd 13 07 72 39 c3 8b 1e  b8 7d e8 6e 00 8b 1e b6  |...r9....}.n....|
00000110  7d e8 67 00 b0 23 e8 58  00 8b 1e b0 7d e8 5b 00  |}.g..#.X....}.[.|
00000120  b0 20 e8 4c 00 8b 1e b4  7d e8 4f 00 b0 3a e8 40  |. .L....}.O..:.@|
00000130  00 8b 1e b2 7d e8 43 00  e8 1f 00 c3 b4 00 e8 19  |....}.C.........|
00000140  00 b7 00 88 e3 e8 33 00  b0 20 e8 24 00 be 9b 7d  |......3.. .$...}|
00000150  e8 10 00 e8 04 00 fa f4  eb fc b0 0d e8 12 00 b0  |................|
00000160  0a eb 0e 9c fc ac 84 c0  74 05 e8 04 00 eb f6 9d  |........t.......|
00000170  c3 60 bb 07 00 b4 0e cd  10 61 c3 b9 04 00 88 f8  |.`.......a......|
00000180  c0 e8 04 3c 0a 72 02 04  07 04 30 e8 e3 ff c1 e3  |...<.r....0.....|
00000190  04 e2 eb c3 53 74 61 67  65 20 00 45 52 52 4f 52  |....Stage .ERROR|
000001a0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 10 00  |................|
000001b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00【00 00  |................|
000001c0  02 00 ee ff ff ff 01 00  00 00 ff ff 0f 00 00 00  |................|
000001d0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001e0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00】55 aa  |..............U.|

主引导记录（MBR）从 446字节=0x1BE 开始，分区表占64字节（如上在【】内），有4个表项，每个分区表项共占据16个字节。

以下是每个分区表项的具体内容和字节偏移：

活动状态标志（1字节）：位于偏移地址0x00。
起始磁头号（1字节）、起始扇区号（6位，2字节）和起始柱面号（10位，2字节）：位于偏移地址0x01-0x03。
分区类型代码（1字节）：位于偏移地址0x04。
结束磁头号（1字节）、结束扇区号（6位，2字节）和结束柱面号（10位，2字节）：位于偏移地址0x05-0x07。
分区的起始逻辑扇区号（4字节）：位于偏移地址0x08-0x0B。
分区的总扇区数（4字节）：位于偏移地址0x0C-0x0F。

因此，每个分区表项共占据16个字节 = 1 + (1+2) + 1 + (1+2) + 4 + 4。

根据每个分区表项的16字节含义，结合上述提供的分区表内容，解释如下：

00 00 02 00 _ ee ff ff ff _ 01 00 00 00 _ ff ff 0f 00

第一个分区表项（偏移地址0x1BE至0x1CD）：

活动状态标志（1字节）：位于偏移地址0x00。00表示该分区非活动状态。
起始磁头号（1字节）、起始扇区号（6位，2字节）和起始柱面号（10位，2字节）：位于偏移地址0x01-0x03。这里的值为00 02 00，起始磁头号为00，起始扇区号为02，起始柱面号为00。
分区类型代码（1字节）：位于偏移地址0x04。ee表示这是一个保护MBR分区（GPT），用于兼容旧版BIOS。
结束磁头号（1字节）、结束扇区号（6位，2字节）和结束柱面号（10位，2字节）：位于偏移地址0x05-0x07。这里的值为ff ff ff，结束磁头号为ff，结束扇区号为3f（因为只有低6位有效），结束柱面号为3ff（因为只有低10位有效）。
分区的起始逻辑扇区号（4字节）：位于偏移地址0x08-0x0B。这里的值为01 00 00 00，代表起始扇区号为1。
分区的总扇区数（4字节）：位于偏移地址0x0C-0x0F。这里的值为ff ff 0f 00，代表扇区总数为1048575个。
因此，此分区表项表示一个非活动的，类型为保护MBR（GPT）的分区，它从第1个逻辑扇区开始，包含1048575个逻辑扇区。

第二个分区表项（偏移地址0x1CE至0x1DD）到第四个分区表项（偏移地址0x1EE至0x1FD）：

这些分区表项都为全零，表示没有其他有效的主分区或逻辑分区。

$ gdisk livedisk.iso 
Command (? for help): p 
Disk livedisk.iso: 1048576 sectors, 512.0 MiB
Sector size (logical): 512 bytes
Disk identifier (GUID): 8C4079BD-C55B-466F-B8B3-3D3E9CA5B3E7
Partition table holds up to 128 entries

Main partition table begins at sector 2 and ends at sector 33
First usable sector is 34, last usable sector is 1048542
Partitions will be aligned on 2-sector boundaries
Total free space is 2015 sectors (1007.5 KiB)

Number  Start (sector)    End (sector)  Size       Code  Name
   1              34            2047   1007.0 KiB  EF02  BIOS
   2            2048            4095   1024.0 KiB  EF00  EFI
   3            4096         1046527   509.0 MiB   8300  REDOX

上面的分析，和 gdisk 显示出的分区1的信息，起始34，结束2047，似乎对不上，谁能帮忙来分析一下？

limingth · 2023-10-02T14:41:27Z

limingth
Oct 2, 2023
Maintainer Author

尝试 hexdump 更多扇区的内容，发现细节的1-3分区信息存放在 0x420, 0x4a0, 0x520

00000420  22 00 00 00 00 00 00 00  ff 07 00 00 00 00 00 00  |"...............|
000004a0  00 08 00 00 00 00 00 00  ff 0f 00 00 00 00 00 00  |................|
00000520  00 10 00 00 00 00 00 00  ff f7 0f 00 00 00 00 00  |................|

Number  Start (sector)    End (sector)  Size       Code  Name
   1              34            2047   1007.0 KiB  EF02  BIOS
   2            2048            4095   1024.0 KiB  EF00  EFI
   3            4096         1046527   509.0 MiB   8300  REDOX

0x200 存放的 EFI PART 包含了 Disk identifier (GUID): 8C4079BD-C55B-466F-B8B3-3D3E9CA5B3E7

# hexdump -C -n 2048 harddrive.img 
000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000200  45 46 49 20 50 41 52 54  00 00 01 00 5c 00 00 00  |EFI PART....\...|
00000210  e9 48 f7 d5 00 00 00 00  01 00 00 00 00 00 00 00  |.H..............|
00000220  ff ff 0f 00 00 00 00 00  22 00 00 00 00 00 00 00  |........".......|
00000230  de ff 0f 00 00 00 00 00  89 fb d5 f2 6a f4 92 4c  |............j..L|
00000240  96 9a 4b cb 74 de a7 36  02 00 00 00 00 00 00 00  |..K.t..6........|
00000250  80 00 00 00 80 00 00 00  38 fa 45 cb 00 00 00 00  |........8.E.....|
00000260  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000400  48 61 68 21 49 64 6f 6e  74 4e 65 65 64 45 46 49  |Hah!IdontNeedEFI|
00000410  ae 86 f0 72 6e eb ec 44  a5 c0 67 47 7b 3a 22 d9  |...rn..D..gG{:".|
00000420  22 00 00 00 00 00 00 00  ff 07 00 00 00 00 00 00  |"...............|
00000430  00 00 00 00 00 00 00 00  42 00 49 00 4f 00 53 00  |........B.I.O.S.|
00000440  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000480  28 73 2a c1 1f f8 d2 11  ba 4b 00 a0 c9 3e c9 3b  |(s*......K...>.;|
00000490  19 f9 e5 ee b2 c4 77 4a  9d 8f 44 16 f3 47 5f 9e  |......wJ..D..G_.|
000004a0  00 08 00 00 00 00 00 00  ff 0f 00 00 00 00 00 00  |................|
000004b0  00 00 00 00 00 00 00 00  45 00 46 00 49 00 00 00  |........E.F.I...|
000004c0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000500  af 3d c6 0f 83 84 72 47  8e 79 3d 69 d8 47 7d e4  |.=....rG.y=i.G}.|
00000510  0f e3 c4 18 d7 a8 d3 46  95 42 3c af ef 32 33 8f  |.......F.B<..23.|
00000520  00 10 00 00 00 00 00 00  ff f7 0f 00 00 00 00 00  |................|
00000530  00 00 00 00 00 00 00 00  52 00 45 00 44 00 4f 00  |........R.E.D.O.|
00000540  58 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |X...............|
00000550  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000800

0 replies

limingth · 2023-10-02T14:49:55Z

limingth
Oct 2, 2023
Maintainer Author

# hexdump -C ./cookbook/recipes/bootloader/target/x86_64-unknown-redox/stage/boot/bootloader.bios | more
00000000  31 c0 8e d8 8e c0 8e d0  bc 00 7c 50 68 10 7c cb  |1.........|Ph.|.|
00000010  88 16 a1 7d be 94 7d e8  49 01 b0 31 e8 52 01 e8  |...}..}.I..1.R..|
00000020  38 01 b4 08 8a 16 a1 7d  31 ff cd 13 0f 82 0e 01  |8......}1.......|
00000030  88 eb 88 cf c0 ef 06 89  1e a2 7d c1 ea 08 42 89  |..........}...B.|
00000040  16 a6 7d 80 e1 3f 88 0e  aa 7d 66 b8 22 00 00 00  |..}..?...}f."...|
00000050  bb 00 c0 b9 15 02 ba 00  00 e8 11 00 be 94 7d e8  |..............}.|
00000060  01 01 b0 32 e8 0a 01 e8  f0 00 e9 93 43 83 f9 7f  |...2........C...|
00000070  76 15 60 b9 7f 00 e8 f4  ff 61 66 83 c0 7f 81 c2  |v.`......af.....|
00000080  e0 0f 83 e9 7f eb e6 66  a3 b6 7d 89 1e b2 7d 89  |.......f..}...}.|
00000090  0e b0 7d 89 16 b4 7d e8  6c 00 80 3e aa 7d 00 75  |..}...}.l..>.}.u|
000000a0  10 8a 16 a1 7d be ae 7d  b4 42 cd 13 0f 82 8e 00  |....}..}.B......|
000000b0  c3 66 31 d2 66 a1 b6 7d  66 f7 36 aa 7d 66 89 d1  |.f1.f..}f.6.}f..|
000000c0  66 31 d2 66 f7 36 a6 7d  66 41 66 83 f9 3f 77 6c  |f1.f.6.}fAf..?wl|
000000d0  66 81 fa ff 00 00 00 77  63 66 3d ff 03 00 00 77  |f......wcf=....w|
000000e0  5b 88 c5 c0 e4 06 80 e1  3f 08 e1 c1 e2 08 a0 b0  |[.......?.......|
000000f0  7d b4 02 8b 1e b2 7d 8a  16 a1 7d 06 8e 06 b4 7d  |}.....}...}....}|
00000100  cd 13 07 72 39 c3 8b 1e  b8 7d e8 6e 00 8b 1e b6  |...r9....}.n....|
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00000190  04 e2 eb c3 53 74 61 67  65 20 00 45 52 52 4f 52  |....Stage .ERROR|
000001a0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 10 00  |................|
000001b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000200  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00004400  e8 12 00 e4 92 0c 02 e6  92 66 c7 06 f0 c1 05 c3  |.........f......|
00004410  00 00 e9 df 01 66 9c 66  9c 66 67 81 34 24 00 00  |.....f.f.fg.4$..|
00004420  20 00 66 9d 66 9c 66 58  66 67 33 04 24 66 9d 66  | .f.f.fXfg3.$f.f|
00004430  a9 00 00 20 00 74 23 66  b8 01 00 00 00 0f a2 66  |... .t#f.......f|
00004440  81 e2 09 20 00 01 66 81  fa 09 20 00 01 75 1a 66  |... ..f... ..u.f|
00004450  83 e1 00 66 83 f9 00 75  10 c3 be ed c0 e8 03 bd  |...f...u........|
00004460  be 27 c1 e8 fd bc e9 80  00 66 51 66 52 be 01 c1  |.'.......fQfR...|
00004470  e8 f0 bc be 27 c1 e8 ea  bc be 2a c1 e8 e4 bc 66  |....'.....*....f|
00004480  5b 66 53 66 c1 eb 10 e8  f1 bc 66 5b e8 ec bc be  |[fSf......f[....|
00004490  34 c1 e8 ce bc 66 bb 09  20 00 01 66 c1 eb 10 e8  |4....f.. ..f....|
000044a0  d9 bc 66 bb 09 20 00 01  e8 d0 bc be 27 c1 e8 b2  |..f.. ......'...|
000044b0  bc be 2f c1 e8 ac bc 66  5b 66 53 66 c1 eb 10 e8  |../....f[fSf....|
000044c0  b9 bc 66 5b e8 b4 bc be  34 c1 e8 96 bc 66 bb 00  |..f[....4....f..|
000044d0  00 00 00 66 c1 eb 10 e8  a1 bc 66 bb 00 00 00 00  |...f......f.....|
000044e0  e8 98 bc be 27 c1 e8 7a  bc fa f4 eb fc 43 50 55  |....'..z.....CPU|
000044f0  49 44 20 6e 6f 74 20 73  75 70 70 6f 72 74 65 64  |ID not supported|

这个信息和我们最终生成的 harddrive.img 在偏移 0x4400 处的二进制代码是一致的
说明了 harddrive.img 的起始位置和刚开始加载的代码，都来自这个文件 bootloader.bios

./cookbook/recipes/bootloader/target/x86_64-unknown-redox/stage/boot/bootloader.bios

# dd if=./build/x86_64/desktop/harddrive.img bs=1 skip=$((0x4400)) count=1024 | hexdump -C
00000000  e8 12 00 e4 92 0c 02 e6  92 66 c7 06 f0 c1 05 c3  |.........f......|
00000010  00 00 e9 df 01 66 9c 66  9c 66 67 81 34 24 00 00  |.....f.f.fg.4$..|
00000020  20 00 66 9d 66 9c 66 58  66 67 33 04 24 66 9d 66  | .f.f.fXfg3.$f.f|
00000030  a9 00 00 20 00 74 23 66  b8 01 00 00 00 0f a2 66  |... .t#f.......f|
00000040  81 e2 09 20 00 01 66 81  fa 09 20 00 01 75 1a 66  |... ..f... ..u.f|
00000050  83 e1 00 66 83 f9 00 75  10 c3 be ed c0 e8 03 bd  |...f...u........|
00000060  be 27 c1 e8 fd bc e9 80  00 66 51 66 52 be 01 c1  |.'.......fQfR...|
00000070  e8 f0 bc be 27 c1 e8 ea  bc be 2a c1 e8 e4 bc 66  |....'.....*....f|
00000080  5b 66 53 66 c1 eb 10 e8  f1 bc 66 5b e8 ec bc be  |[fSf......f[....|
00000090  34 c1 e8 ce bc 66 bb 09  20 00 01 66 c1 eb 10 e8  |4....f.. ..f....|
000000a0  d9 bc 66 bb 09 20 00 01  e8 d0 bc be 27 c1 e8 b2  |..f.. ......'...|
000000b0  bc be 2f c1 e8 ac bc 66  5b 66 53 66 c1 eb 10 e8  |../....f[fSf....|
000000c0  b9 bc 66 5b e8 b4 bc be  34 c1 e8 96 bc 66 bb 00  |..f[....4....f..|
000000d0  00 00 00 66 c1 eb 10 e8  a1 bc 66 bb 00 00 00 00  |...f......f.....|
000000e0  e8 98 bc be 27 c1 e8 7a  bc fa f4 eb fc 43 50 55  |....'..z.....CPU|
000000f0  49 44 20 6e 6f 74 20 73  75 70 70 6f 72 74 65 64  |ID not supported|
00000100  00 52 65 71 75 69 72 65  64 20 43 50 55 20 66 65  |.Required CPU fe|
00000110  61 74 75 72 65 73 20 61  72 65 20 6e 6f 74 20 70  |atures are not p|
00000120  72 65 73 65 6e 74 00 0d  0a 00 45 44 58 20 00 45  |resent....EDX .E|
00000130  43 58 20 00 20 6d 75 73  74 20 63 6f 6e 74 61 69  |CX . must contai|
00000140  6e 20 00 39 00 4d c1 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |n .9.M..........|
00000150  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 98 20 00 00 00 00  |........... ....|
00000160  00 00 92 00 00 ff ff 00  00 00 9a cf 00 ff ff 00  |................|
00000170  00 00 92 cf 00 ff ff 00  00 00 9a 0f 00 ff ff 00  |................|
00000180  00 00 92 0f 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000190  00 fa 0f 20 c0 25 ff ff  ff 7f 0f 22 c0 0f 20 e0  |... .%.....".. .|
000001a0  0d b0 02 00 00 0f 22 e0  0f 01 15 43 c1 00 00 b9  |......"....C....|
000001b0  80 00 00 c0 0f 32 0d 00  09 00 00 0f 30 a1 8d c1  |.....2......0...|
000001c0  00 00 0f 22 d8 0f 20 c0  0d 01 00 01 80 0f 22 c0  |...".. .......".|
000001d0  ea d7 c1 00 00 08 00 b8  10 00 00 00 8e d8 8e c0  |................|
000001e0  8e e0 8e e8 8e d0 48 8b  04 25 85 c1 00 00 ff e0  |......H..%......|
000001f0  00 00 00 00 fa 0f 01 16  43 c1 0f 20 c0 66 83 c8  |........C.. .f..|
00000200  01 0f 22 c0 ea 09 c2 18  00 b8 20 00 00 00 8e d8  |.."....... .....|
00000210  8e c0 8e e0 8e e8 8e d0  a1 f0 c1 00 00 ff e0 c7  |................|
00000220  05 4f c2 00 00 89 c2 00  00 eb 30 c7 05 4f c2 00  |.O........0..O..|
00000230  00 8c c2 00 00 eb 24 c7  05 4f c2 00 00 8f c2 00  |......$..O......|
00000240  00 eb 18 c7 05 4f c2 00  00 92 c2 00 00 eb 0c 00  |.....O..........|
00000250  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 9c 60 89 25 53  |............`.%S|
00000260  c2 00 00 0f 01 15 43 c1  00 00 ea 95 c2 00 00 28  |......C........(|
00000270  00 b8 20 00 00 00 8e d8  8e c0 8e e0 8e e8 8e d0  |.. .............|
00000280  8b 25 53 c2 00 00 61 9d  c3 cd 10 c3 cd 13 c3 cd  |.%S...a.........|
00000290  15 c3 cd 16 c3 66 b8 30  00 00 00 8e d8 8e c0 8e  |.....f.0........|
000002a0  e0 8e e8 8e d0 0f 20 c0  66 a3 57 c2 66 25 fe ff  |...... .f.W.f%..|
000002b0  ff 7f 0f 22 c0 ea ba c2  00 00 66 b8 00 00 00 00  |..."......f.....|
000002c0  8e d8 8e c0 8e e0 8e e8  8e d0 66 bc c0 7b 00 00  |..........f..{..|
000002d0  07 66 5f 66 5e 66 5d 66  5b 66 5a 66 59 66 58 fb  |.f_f^f]f[fZfYfX.|
000002e0  ff 16 4f c2 fa 66 50 66  51 66 52 66 53 66 55 66  |..O..fPfQfRfSfUf|
000002f0  56 66 57 06 0f 01 16 43  c1 66 a1 57 c2 0f 22 c0  |VfW....C.f.W..".|
00000300  ea 71 c2 18 00 bc 00 00  07 00 b8 43 c2 00 00 50  |.q.........C...P|
00000310  b8 37 c2 00 00 50 b8 2b  c2 00 00 50 b8 1f c2 00  |.7...P.+...P....|
00000320  00 50 31 c0 a0 a1 7d 00  00 50 b8 53 c3 00 00 50  |.P1...}..P.S...P|
00000330  a1 18 30 01 00 ff d0 fa  f4 eb fc 00 00 00 00 00  |..0.............|
00000340  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000350  00 00 00 8b 44 24 04 a3  8d c1 00 00 8b 44 24 08  |....D$.......D$.|
00000360  a3 3b c3 00 00 8b 44 24  0c a3 3f c3 00 00 8b 44  |.;....D$..?....D|
00000370  24 10 a3 43 c3 00 00 8b  44 24 14 a3 47 c3 00 00  |$..C....D$..G...|
00000380  8b 44 24 18 a3 4b c3 00  00 8b 44 24 1c 85 c0 74  |.D$..K....D$...t|
00000390  0f b8 ec c3 00 00 a3 85  c1 00 00 e9 f1 fd ff ff  |................|
000003a0  0f 20 c0 25 ff ff ff 7f  0f 22 c0 0f 20 e0 0d 90  |. .%.....".. ...|
000003b0  02 00 00 0f 22 e0 a1 8d  c1 00 00 0f 22 d8 0f 20  |....".......".. |
000003c0  c0 0d 01 00 01 80 0f 22  c0 0f 20 c0 24 f3 0c 22  |.......".. .$.."|
000003d0  0f 22 c0 db e3 8b 25 3b  c3 00 00 a1 4b c3 00 00  |."....%;....K...|
000003e0  50 a1 43 c3 00 00 ff d0  fa f4 eb fc 48 8b 24 25  |P.C.........H.$%|
000003f0  3b c3 00 00 48 8b 04 25  43 c3 00 00 48 8b 3c 25  |;...H..%C...H.<%|
00000400
1024+0 records in
1024+0 records out
1024 bytes (1.0 kB, 1.0 KiB) copied, 0.0021697 s, 472 kB/s

2 replies

limingth Oct 2, 2023
Maintainer Author

bootloader.bios 文件大小是 393216 = 0x60000 ，也就是 384KB

和 Write bootloader with size 0x60000 一致

查看 make 的 log 文件，https://gitee.com/chenlongos/redox-release/raw/master/make.log
Installing package from local repo: bootloader
Opening disk build/x86_64/desktop/harddrive.img.partial
Write bootloader with size 0x60000

# ls -l ./cookbook/recipes/bootloader/target/x86_64-unknown-redox/stage/boot/bootloader.bios
-rw-r--r-- 1 root root 393216 Sep 19 18:09 ./cookbook/recipes/bootloader/target/x86_64-unknown-redox/stage/boot/bootloader.bios

# cat ./cookbook/recipes/bootloader/source/linkers/x86-unknown-none.ld 
ENTRY(start)
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)

SECTIONS {
    /* The start address must match bootloader.asm */
    . = 0x13000;

    . += SIZEOF_HEADERS;
    . = ALIGN(4096);

    .text : {
        __text_start = .;
        *(.text*)
        . = ALIGN(4096);
        __text_end = .;
    }

    .rodata : {
        __rodata_start = .;
        *(.rodata*)
        . = ALIGN(4096);
        __rodata_end = .;
    }

    .data : {
        __data_start = .;
        *(.data*)
        . = ALIGN(4096);
        __data_end = .;
        __bss_start = .;
        *(.bss*)
        . = ALIGN(4096);
        __bss_end = .;
    }

    .tdata : {
        __tdata_start = .;
        *(.tdata*)
        . = ALIGN(4096);
        __tdata_end = .;
        __tbss_start = .;
        *(.tbss*)
        . += 8;
        . = ALIGN(4096);
        __tbss_end = .;
    }

    __end = .;

    /DISCARD/ : {
        *(.comment*)
        *(.eh_frame*)
        *(.gcc_except_table*)
        *(.note*)
        *(.rel.eh_frame*)
    }
}

由此可以看到 bootloader.bios 的执行地址，被链接到了 0x13000 = 76KB 处

# cat  ./target/x86_64-unknown-redox/build/asm/x86-unknown-none/bootloader.asm

sectalign off

; stage 1 is sector 0, loaded at 0x7C00
%include "stage1.asm"

; GPT area from sector 1 to 33, loaded at 0x7E00
times (33*512) db 0

; stage 2, loaded at 0xC000
stage2:
    %include "stage2.asm"
    align 512, db 0
stage2.end:

; the maximum size of stage2 is 4 KiB
times (4*1024)-($-stage2) db 0

; ISO compatibility, uses up space until 0x12400
%include "iso.asm"

times 3072 db 0 ; Pad to 0x13000

; stage3, loaded at 0x13000
stage3:
    %defstr STAGE3_STR %[STAGE3]
    incbin STAGE3_STR
    align 512, db 0
.end:

; the maximum size of the boot loader portion is 384 KiB
times (384*1024)-($-$$) db 0

从这个文件 bootloader.asm 里，可以看到 bootloader 共分了三个 stage

stage 1 is sector 0, loaded at 0x7C00
stage 2, loaded at 0xC000
stage 3, loaded at 0x13000

limingth Oct 2, 2023
Maintainer Author

Redox操作系统的引导程序（bootloader）是在系统启动时加载和运行的关键组件，它按照不同阶段（stages）依次加载并初始化系统。下面将根据所给的stage 1, stage 2, 和 stage 3来解释这个过程：

Stage 1：在这个阶段，当计算机启动时，BIOS会从活动磁盘的第一个扇区（sector 0，也叫做MBR或主引导记录）读取引导程序的第一阶段，并加载到内存地址0x7C00处。引导程序的这一部分通常非常小，以适应512字节的大小限制。一旦加载完成，控制权就被传递给位于0x7C00的引导程序代码。这段代码的主要任务是找到并加载第二阶段的引导程序。
Stage 2: 第一阶段的引导程序找到并加载第二阶段的引导程序到内存地址0xC000处。第二阶段的引导程序通常更复杂，可能包含文件系统的处理，以便能够从硬盘上的文件系统中加载文件。在Redox操作系统中，这一阶段的代码也可能设置和启动保护模式或者长模式，为加载内核和执行更高级别的代码做好准备。
Stage 3: 一旦第二阶段引导程序完成其任务，它会加载第三阶段的引导程序到内存地址0x13000处。在Redox操作系统中，这通常意味着加载和启动内核。第三阶段引导程序也可能设置更高级别的硬件特性，例如分页等。

简要总结一下：

Stage 1：代码存储在 0 - 511 字节，加载到 0x7C00
Stage 2：代码存储在 0x4400 = 17408 字节处（也就是第一个分区BIOS），加载到 0xC000
Stage 3：代码存储在 Linux FS 根文件系统的可执行内核（无确定位置，需要根据文件系统来读取），加载到 0x13000

通过以上的过程，Redox操作系统的引导程序按照不同阶段逐步将系统从一个初始的、简单的状态引导到一个能够运行复杂代码如操作系统内核的状态。

limingth · 2023-10-02T17:35:03Z

limingth
Oct 2, 2023
Maintainer Author

查看 ./cookbook/recipes/bootloader/target/x86_64-unknown-redox/build/build/x86-unknown-none/bootloader-live.bin.lst 文件，可知

# vi ./cookbook/recipes/bootloader/target/x86_64-unknown-redox/build/build/x86-unknown-none/bootloader-live.bin.lst
   177 0000A065 424F4F542E4341543B- <1> db "BOOT.CAT;1",0 ; File identifier
   177 0000A06E 3100                <1>
   178                              <1>
   179                              <1> ; Fill until CD sector 0x15
   180 0000A070 00<rep 790h>        <1> times (0x15*2048)-($-$$) db 0
    20
    21 0000A800 00<rep C00h>            times 3072 db 0 ; Pad to 0x13000
    22
    23                                  ; stage3, loaded at 0x13000
    24                                  stage3:
    25                                      %defstr STAGE3_STR %[STAGE3]
    26 0000B400 <bin 3C994h>                incbin STAGE3_STR
    27 00047D94 00<rep 6Ch>                 align 512, db 0
    28                                  .end:
    29
    30                                  ; the maximum size of the boot loader portion is 384 KiB
    31 00047E00 00<rep 18200h>          times (384*1024)-($-$$) db 0

0xB400 偏移处，是处理 ELF 格式的可执行文件，也就是说 Stage 2 代码已经具有了加载并执行 ELF 的能力。

# dd if=./build/x86_64/desktop/harddrive.img bs=1 skip=$((0xb400)) count=1800 | hexdump -C
00000000  7f 45 4c 46 01 01 01 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |.ELF............|
00000010  02 00 03 00 01 00 00 00  d0 48 01 00 34 00 00 00  |.........H..4...|
00000020  00 b8 03 00 00 00 00 00  34 00 20 00 03 00 28 00  |........4. ...(.|
00000030  0a 00 09 00 01 00 00 00  00 00 00 00 00 30 01 00  |.............0..|
00000040  00 30 01 00 00 80 02 00  00 80 02 00 05 00 00 00  |.0..............|
00000050  00 10 00 00 01 00 00 00  00 80 02 00 00 b0 03 00  |................|
00000060  00 b0 03 00 34 92 00 00  34 92 00 00 06 00 00 00  |....4...4.......|
00000070  00 10 00 00 51 e5 74 64  00 00 00 00 00 00 00 00  |....Q.td........|
00000080  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 06 00 00 00  |................|
00000090  10 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000000a0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000700  00 00 00 00 00 00 00 00                           |........|
00000708

# dd if=./cookbook/recipes/bootloader/target/x86_64-unknown-redox/stage/boot/bootloader.bios bs=1 skip=$((0xb400)) count=1800 | hexdump -C
00000000  7f 45 4c 46 01 01 01 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |.ELF............|
00000010  02 00 03 00 01 00 00 00  d0 48 01 00 34 00 00 00  |.........H..4...|
00000020  00 b8 03 00 00 00 00 00  34 00 20 00 03 00 28 00  |........4. ...(.|
00000030  0a 00 09 00 01 00 00 00  00 00 00 00 00 30 01 00  |.............0..|
00000040  00 30 01 00 00 80 02 00  00 80 02 00 05 00 00 00  |.0..............|
00000050  00 10 00 00 01 00 00 00  00 80 02 00 00 b0 03 00  |................|
00000060  00 b0 03 00 34 92 00 00  34 92 00 00 06 00 00 00  |....4...4.......|
00000070  00 10 00 00 51 e5 74 64  00 00 00 00 00 00 00 00  |....Q.td........|
00000080  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 06 00 00 00  |................|
00000090  10 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
000000a0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000700  00 00 00 00 00 00 00 00                           |........|
00000708
1800+0 records in
1800+0 records out
1800 bytes (1.8 kB, 1.8 KiB) copied, 0.00374402 s, 481 kB/s

考虑到 Stage 1 已经可以支持 vga 的输出，我们可以把 arceos bin 文件放到 Stage 2 中去执行，编译时的基地址改为 0xC000

Stage 2：代码存储在 0x4400 = 17408 字节处（也就是第一个分区BIOS），加载到 0xC000

# cat cookbook/recipes/bootloader/source/asm/x86-unknown-none/stage1.asm
ORG 0x7C00
SECTION .text
USE16

stage1: ; dl comes with disk
    ; initialize segment registers
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax

    ; initialize stack
    mov sp, 0x7C00

    ; initialize CS
    push ax
    push word .set_cs
    retf

.set_cs:

    ; save disk number
    mov [disk], dl

    mov si, stage_msg
    call print
    mov al, '1'
    call print_char
    call print_line

这段代码是一系列x86汇编语言的二进制表示，它们对应的指令（就在 livedisk.iso 的第0个扇区 MBR 起始处）如下：

$ hexdump -C -n 512 livedisk.iso 
00000000  31 c0 8e d8 8e c0 8e d0  bc 00 7c 50 68 10 7c cb  |1.........|Ph.|.|
00000010  88 16 a1 7d be 94 7d e8  49 01 b0 31 e8 52 01 e8  |...}..}.I..1.R..|
00000020  38 01 b4 08 8a 16 a1 7d  31 ff cd 13 0f 82 0e 01  |8......}1.......|

31 c0：对应于指令xor ax, ax，将ax寄存器清零。
8e d8：对应于指令mov ds, ax，将ax寄存器的值赋给数据段寄存器ds。
8e c0：对应于指令mov es, ax，将ax寄存器的值赋给附加段寄存器es。
8e d0：对应于指令mov ss, ax，将ax寄存器的值赋给堆栈段寄存器ss。
bc 00 7c：对应于指令mov sp, 0x7c00，将立即数0x7c00赋给堆栈指针寄存器sp。
50：对应于指令push ax，将ax寄存器的值压入栈中。
68 10 7c：对应于指令push 0x7c10，将立即数0x7c10压入栈中。
cb：对应于指令retf，代表远返回。从堆栈上弹出两个值，分别设置为IP和CS，实现段间跳转。

这段代码的主要功能是初始化各数据段寄存器和堆栈寄存器，并进行一次远返回操作。这在启动引导加载程序时是常见的操作，用于切换CPU到保护模式并跳转到实模式下无法直接访问的高地址空间。

print_char调用了 int 0x10 的中断。此中断提供了各种视频服务，要求BIOS在tty模式下用白色显示一个字符。要显示的字符应在AL寄存器中。

# cat cookbook/recipes/bootloader/source/asm/x86-unknown-none/print.asm 
SECTION .text
USE16

; provide function for printing in x86 real mode

; print a string and a newline
; CLOBBER
;   ax
print_line:
    mov al, 13
    call print_char
    mov al, 10
    jmp print_char

; print a string
; IN
;   si: points at zero-terminated String
; CLOBBER
;   si, ax
print:
    pushf
    cld
.loop:
    lodsb
    test al, al
    jz .done
    call print_char
    jmp .loop
.done:
    popf
    ret

; print a character
; IN
;   al: character to print
print_char:
    pusha
    mov bx, 7
    mov ah, 0x0e
    int 0x10
    popa
    ret

如果需要在 stage 2 阶段输出，可以使用 int 0x10，而可以不需要去驱动 vga_buffer 0xB8000

1 reply

limingth Oct 2, 2023
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int 0x10和直接写VGA缓冲区地址0xB8000都能在屏幕上显示字符，但是二者的操作方式和使用场景有所不同。

int 0x10：这是一个BIOS中断，用于访问基本输入/输出系统（BIOS）提供的各种底层服务，如视频服务、磁盘服务等。当调用int 0x10时，根据寄存器AH的值，BIOS会执行不同的视频操作，如设置视频模式、读取光标位置、写入字符等。int 0x10是在实模式下运行的，通常在引导加载程序或者操作系统启动初期使用。

写VGA缓冲区0xB8000：在x86架构的计算机上，文本模式的视频缓冲区通常映射在物理地址0xB8000。我们可以直接向这个地址写入数据，以在屏幕上显示字符和颜色。每个字符占用2字节，一字节表示字符的ASCII码，另一字节表示颜色和其他属性。和int 0x10比较，直接写VGA缓冲区更灵活，可以同时控制字符和其属性，而且既可以在实模式下使用，也可以在保护模式或长模式下使用。然而，直接操作硬件需要更多的知识，而且如果硬件设备不支持文本模式，或者地址映射不同，这种方法可能无法使用。

总的来说，int 0x10和直接写VGA缓冲区0xB8000都能在屏幕上显示字符，但是int 0x10主要用于实模式下通过BIOS提供的服务操作硬件，而直接写VGA缓冲区则更低级和灵活，可以在各种模式下直接操作硬件。

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关于主引导记录 MBR（Master Boot Record）的基础知识 #28

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关于主引导记录 MBR（Master Boot Record） 的基础知识 #28

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MBR 简介

Stage 1 和 Stage 2

举例

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bootloader.bios 文件大小是 393216 = 0x60000 ，也就是 384KB

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