JOS在啟動的過程(bootload過程)中一共經歷了三個階段，分別是BIOS加載以及硬件檢測、實模式向保護模式的轉變以及加載kernel。故本文組織過程也按照啟動過程依次敘述。

一、BIOS加載

計算機系統在電源鍵開啟后，首先接管整個系統的是BIOS。BIOS主要完成以下幾個內容：

• 對計算機的硬件進行檢測
• 加載啟動文件

在更進一步的敘述BIOS之前，我們需要簡單的了解x86的物理地址空間。下圖是一個典型的x86地址空間，這里需要注意的是，BIOS的內存空間是從0x000F 0000 ~ 0x0010 0000共64KB。在啟動電源后，BIOS將會加載到上述的內存空間內。

繪圖1.jpg

二、保護模式

在JOS中，bootloader將完成兩部分工作：

• 實模式轉變為保護模式
• 加載內核文件

在這部分中，我們將簡要的敘述實模式向保護模式的轉變過程(/boot/boot.S)。保護模式下，系統將具有更大的尋址空間，并提供虛擬內存、分段、分頁等機制。保護模式下的JOS介紹將會在后續的文章中介紹。
在這里需要注意的是，開啟保護模式涉及到了cr0寄存器下的PE位(即第0位)，當PE置1后，CPU將開啟保護模式，此時保護模式下的分段保護機制將會被一同開啟(分頁機制沒有開啟)，故在開啟保護模式前，需要設置好全局描述符表。
JOS中對于保護模式的開啟有以下代碼：

lgdt   gdtdesc                      # 加載全局描述符表
movl   %cr0,         %eax
orl    $CR0_PE_ON,   %eax           # CR0_PE_ON = 0x1
movl   %eax,         %cr0           # 開啟保護模式

gdt為預先設定好的全局描述符表。對于全局描述符表的介紹將會在下一篇文章中涉及，在這里需要知道的是，全局描述符表的第0項存儲的內容必須為空(即為0)

gdt:
    SEG_NULL                                 # 空項
    SEG(STA_X | STA_R, 0x0, 0xffffffff)      # 代碼段
    SEG(STA_W, 0x0, 0xffffffff)              # 數據段
gdtdesc:
    .word 0x17        # 在全局描述符表中共設置了三項，每項8字節，共24字節，故在此處設為(24-1)，即0x17
    .long gtd

對于SEG_NULL、SEG()定義如下：

#define SEG_NULL     \
        .word 0, 0;  \
        .byte 0, 0, 0, 0
#define SEG(type, base, lim)                                   \
        .word  (((lim) >> 12) & 0xffff), ((base) & 0xffff); \
        .byte  (((base) >> 16) & 0xff), (0x90 | (type)),       \
               (0xC0 | (((lim) >> 28) & 0xf)), (((base) >> 24) & 0xff)

可以看出，在gdt中，將代碼段和數據段全部映射到了4GB內存空間中，這對于啟動過程來說，是完全夠用的。

三、加載內核

這一部分中，主要完成的工作就是將內核文件加載到內存中(/boot/main.c)，并將控制權限交給內核。在更進一步的介紹之前，首先闡述ELF文件格式。對于ELF文件格式的定義在<inc/elf.h>中。我們無需深入的了解ELF文件格式(如希望深入了解的話，在MIT6.828的指定文獻中列出了ELF文件的詳細格式內容)，實際上來說，ELF類似于一個超大的“結構體”，每一個部分都存放了一定的內容，而對于該內容的描述在“頭部”中存放。這里給出了JOS下<inc/elf.h>中的定義以及解釋。

struct Elf {
    uint32_t e_magic;   // must equal ELF_MAGIC
    uint8_t e_elf[12];
    uint16_t e_type;     // 表示該文件類型
    uint16_t e_machine;  // 運行該程序需要的體系結構
    uint32_t e_version;  // 文件版本
    uint32_t e_entry;    // 程序入口地址
    uint32_t e_phoff;    // Program header table在文件中的偏移量(以字節計數)
    uint32_t e_shoff;    // Section header table在文件中的偏移量
    uint32_t e_flags;    // 對于IA32來說，計為0
    uint16_t e_ehsize;   // 表示ELF header大小
    uint16_t e_phentsize; // Program header table中每一項目的大小
    uint16_t e_phnum;     // Program header table有多少個項目
    uint16_t e_shentsize; // Section header table中每一項目的大小
    uint16_t e_shnum;     // Section header table有多少個項目
    uint16_t e_shstrndx;  // 包含節名稱的字符串是第幾個節(0開始計數)
};

struct Proghdr {
    uint32_t p_type;     // 當前Program header所描述的段的類型
    uint32_t p_offset;   // 段的第一個字節在文件中的偏移
    uint32_t p_va;       // 段的一個字節在內存中的虛擬地址
    uint32_t p_pa;       // 在物理內存定位的相關系統中，此項是為物理地址保留的
    uint32_t p_filesz;   // 段在文件中的長度
    uint32_t p_memsz;    // 段在內存中的長度
    uint32_t p_flags;    // 與段相關的標志
    uint32_t p_align;    // 根據此值來確定段在文件以及內存中如何對齊
};

有了上述的認識，就可以很容易的讀懂下述代碼。下述代碼主要是將內核讀取到磁盤中，并最后將控制權移交給內核。

#define SECTSIZE    512
#define ELFHDR    ((struct Elf *) 0x10000) // scratch space

void readsect(void*, uint32_t);
// Read 'count' bytes at 'offset' from kernel into physical address 'pa'.
void readseg(uint32_t, uint32_t, uint32_t);

void
bootmain(void)
{
    struct Proghdr *ph, *eph;

    // read 1st page off disk
    // 可以看出，內核加載于0x10000處之上，一共加載了512字節 * 8 = 4K，即分頁模式下一個完整的頁的大小
    readseg((uint32_t) ELFHDR, SECTSIZE*8, 0);

    // is this a valid ELF? JOS中要求ELF文件的第一項必須為ELF_MAGIC
    if (ELFHDR->e_magic != ELF_MAGIC)
        goto bad;

    // load each program segment (ignores ph flags) 
    // 加載代碼段， 可以看出每個代碼段都規定了加載的位置以及大小
    ph = (struct Proghdr *) ((uint8_t *) ELFHDR + ELFHDR->e_phoff);
    eph = ph + ELFHDR->e_phnum;
    for (; ph < eph; ph++)
        // p_pa is the load address of this segment (as well
        // as the physical address)
        readseg(ph->p_pa, ph->p_memsz, ph->p_offset);

    // call the entry point from the ELF header
    // note: does not return!
    // 移交控制權，e_entry即為入口函數， 此函數不會返回，如果返回則意味著執行出現了某種問題，此后系統進入死循環，需要手動重啟
    ((void (*)(void)) (ELFHDR->e_entry))();

bad:
    outw(0x8A00, 0x8A00);
    outw(0x8A00, 0x8E00);
    while (1)
        /* do nothing */;
}

對于內核加載部分還是很容易理解的，不過由于從磁盤加載內核過程中涉及到了大量的磁盤操作，而這些操作過于底層化，同時使用了c語言嵌套匯編(inb, insb等)，這些函數的定義全部在<inc/x86.h>中，感興趣的話可以去閱讀。
以上內容就是JOS啟動的過程，其中主要涉及了實模式向保護模式的轉變以及內核加載的過程。內容還是相對容易理解的。在下一篇文章中，將會涉及JOS內存機制的建立。我也會按照MIT6.828實驗的順序依次寫完。加油：{
PS：如果有想一同學習內核/JOS的童鞋，歡迎聯系：zfzhang1992@126.com