FreeBSD 基礎建設

FreeBSD 基礎建設 - BTX

by thinker

關鍵字:

* Loader
* Kernel
* Client

BTX 為 $FreeBSD$ boot loader 使用的執行檔格式，以載入 loader(8) 或直接載入 kernel ，因此 loader(8) 和 kernel 都 compile 成 BTX 格式。

一個 BTX 執行檔包括三個部分， BTX loader 、 BTX kernel 、 BTX client 。 三者被 btxld(8) 包裝成一個 bin 、 aout 或 ELF 格式的執行檔。這個執行檔的 text segment 只存放 BTX loader 的全部內容，而 data segment 則依序包括 BTX kernel 和 BTX client 。

BTX loader 的程式碼，被 relocate 到固定的位址 (0x200000)。當一個 BTX 執行檔被載入記憶體後，固定放在 address space 的 0x200000 的位址，其後接著 data segment。載入 BTX 執行檔的程式，會直接跳到 BTX 執行檔的進入點，也就是 BTX loader 的進入點，直接執行。

== BTX Loader ==
* MEM_TBL = 0x5000
* MEM_ENTRY = 0x9010
* MEM_DATA = start+0x1000
* start is start address of BTX loader.

BTX loader 的功能是將 BTX kernel 和 BTX client ， relocate 到指定的位置。在 BTX kernel 的一開頭有一個 header ，其中有一個欄位 btx_hdr::btx_pgctl ，指定 loader 要包留多少空間給 page table 。page table 的位址固定在 MEM_TBL (0x5000) ，而 BTX kernel 則被 BTX loader 放在隨之在後的位址，目前固定在 0x9000 位址。BTX loader 在完成載入後，會跳到 btx header 後面的位置 MEM_ENTRY (0x9010) 執行，也就是 BTX kernel 程式碼的進入點。

BTX client 位在 BTX kernel 之後，可由 BTX kernel 的 size ， btx_hdr::btx_textsz 算出來。 BTX client 必需是一個 ELF 格式的 object file ，BTX loader 將依 BTX client 的 ELF program  header 中的 ELF32_Phdr::p_vaddr ， relocate 到以 0xa000 (0x9000 + PAGE_SIZE) 為始的相對位址 。而 BTX client 的 entry point 會記錄在 btx_hdr::btx_entry 。由於 BTX client 以 user privilege 執行，其 virtual address space 是以 physical address space 的 0xa000 開始，因此 btx_hdr::btx_entry 是 BTX client 在 virtual address space 中進入點位址。

[attach:btx_exec.png]

== Kernel ==
BTX kernel 分成兩個部分，第一部分的 code 是 x86 16 bits 模式的 code ，第二部分是 32 bits 模式的 code 。16 bits 的 code 為進入 32 bits 模式做準備， initial GDT 、 LDT 、 IDT 甚至 page table 。但因為目前 default 並沒有啟用 paging ，而且 page table 的初始程式碼似乎也有 bug ，所以並沒有真的設定 page table 。設定完這些環境後，一個 long jump (ljmp) ， 直接進入 32 bits mode 的 code 執行。

BTX loader 的 code 基本上是 32 bits mode ，但是為了執行 BTX kernel ，必需先回到 16 bits mode 。所以， BTX loader 其實有一小段 code 是 16 bits mode ，當作 BTX loader 回到 16 bits mode 的進入點。回到 16 bits mode 也是透過一個 long jump (ljmp) ，原因是基於 CPU 的設計，這裡不多述。

BTX kernel 初始了硬體環境，保括一些 register 和 project mode 的設定。並提供 BTX client 一些基本功能，包括 BIOS 的呼叫和執行其它的 BTX client 能力。 BTX client 可以透過呼叫 BIOS ，完成一些基本的 IO 動作。例如: 螢幕輸出。

== BTX Client ==
BTX 提供 csu 和 syscall 介面，讓 $C$ 程式可以直接執行，並可呼叫 BTX kernel 的 service ，包括 v86 mode 執行 BIOS 和執行其它 BTX client 。

以下是一個 hello world:
{{{
/* helloworld.c */
#include "btxv86.h"

void putc(unsigned char c) {
    __v86.ctl = 0;
    __v86.addr = 0x10;
    __v86.eax = 0x0e00 | c;
    __v86.ebx = 0x0000;
    v86int();
}

int main(int argc, char **argv) {
    int i;
    unsigned char *s = "hello world!!\r\n";
    
    for(i = 0; s[i] != 0; i++) {
        putc(s[i]);
    }
    for(i = 0;; i++);
    return 0;
}

int exit(int status) {
}
}}}

下面是 makefile，可在 $FreeBSD$ 環境下 make 出一個名為 helloworld 的 BTX client。
{{{
# Makefile
PROG=   helloworld.sym
SRCS=   helloworld.c

CFLAGS= -I/usr/src/sys/boot/i386/btx/lib
LDFLAGS= -static -Ttext 0x0 -nostdlib
OBJS=   /usr/obj/usr/src/sys/boot/i386/btx/lib/crt0.o
MAN=
BTXLDR= /usr/obj/usr/src/sys/boot/i386/btx/btxldr/btxldr
BTXKERN=        /usr/obj/usr/src/sys/boot/i386/btx/btx/btx

CLEANFILES= helloworld helloworld.bin

all:    helloworld

helloworld:     helloworld.bin
        btxld -v -f aout -e 0x200000 -o $${.TARGET} -l $${BTXLDR} \
                -b $${BTXKERN} helloworld.bin

helloworld.bin: helloworld.sym
        cp $${.ALLSRC} $${.TARGET}
        strip -R .comment -R .note $${.TARGET}

.include <bsd.prog.mk>
}}}
/usr/obj/usr/src/sys/ 底下的檔案，都是屬於 $FreeBSD$ make kernel 後所產生的 object file 。因此，若你的 $FreeBSD$ 無法找到這些檔案時，請安裝 $FreeBSD$ 的 kernel source ，並且到 /usr/src 下面 make kernel 。這個 makefile 在 link crt0.o 和 helloworld.o 時，下了 -nostdlib 的參數，目的是讓 ld 不去 link libc 。 crt0.o 則是 BTX 的 csu ，用來初始 $C$ 所需要的執行環，然後執行 main() 。因此，你需將這個檔案當作第一個 object file ，使之位於 executable 的開頭位置，作為程式的進入點。ld 產生的 executable 為 helloworld.sym ， strip 之後改名為 helloworld.bin 。使用 btxld 將之和 BTX loader 、 BTX client 包裝成 BTX executable ，取名為 helloworld。

將 helloworld copy 到 root filesystem ，開機時以 boot loader 載入執行，不需透過作業系統。以下是 Bochs PC 模擬器的執行畫面:

[attach:btx_helloworld.png]

== 結語 ==
hello world 看起來並不是這麼難，沒 OS 的環境也不是那麼複雜。但，對於硬體的運作必需有更進一步的了解，才能從 hello world 進入有實際功能的$應用$。

最後更新時間: 2006-12-14 12:09:21 CST | 引用

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