Пишем свой bootloader

Это статья была написана для людей, которым всегда интересно знать как работают разные вещи. Для тех разработчиков которые обычно пишут свои программы на высоком уровне, C, C++ или Java — не важно, но при этом столкнулись с необходимостью сделать что-то на низком уровне. Мы будем рассматривать низкоуровневое программирование на примере работы bootloader-а.

Мы опишем что происходит после включения компьютера и как система загружается. В качестве практического примера, рассмотрим как вы можете написать свой собственный загрузчик, который фактически является отправной точкой при загрузки системы.

Что такое Boot Loader

Boot loader — это программа, которая записана на первом секторе жесткого диска. BIOS автоматически считывает всё содержимое первого сектора в память, сразу после включения питания. Первый сектор также называется главной загрузочной записью. На самом деле, это не является обязательным для первого сектора жесткого диска для загрузки чего либо. Это название было исторически сложившиеся, так как разработчики использовали такой механизм для загрузки операционной системы.

Будьте готовы погружаться глубже

В этом разделе я расскажу о том, какие знания и инструменты, необходимы для разработки собственного загрузчика, а также напомню некоторую полезную информацию о загрузке системы.

И так, какой язык Вы должны знать, чтобы написать Boot Loader

В первую очереди, при работе компьютера, контроль аппаратного обеспечения осуществляется преимущественно посредством функций BIOS, известный как «прерывания». Вызвать прерывание можно только на ассемблере — будет здорово если вы хоть немного знакомы с этим языком. Но это не обязательное условие. Почему? Мы будем использовать технологию «смешанного кода», где можно совместить высокоуровневые конструкции с командами низкого уровня. Это не много упрощает нашу задачу.

В этой статье в основном будет использоваться язык C++. Но если вы знаете C, то вам будет легко узнать необходимые C++ элементы. В общем, даже знание языка C будет достаточно, но тогда вам придется изменять исходный код примеров.

Если вы знаете Java или C#, то к сожалению это не поможет для нашей задачи. Дело в том, что код Java и C#, который производится после компиляции является промежуточным. Специальная виртуальная машина используется, для последующей обработки(Java машину для Java и .NET для C#), преобразовывая промежуточный код в инструкции для процессора. После преобразования он может быть выполнен. Такая архитектура делает невозможным использование технологию смешанного кода — но мы будем использовать ее, чтобы сделать нашу жизнь проще, так что Java и C# здесь не помогут.

И так, для разработки простого загрузчика вы должны знать, C или C++, а также было бы не плохо если вы знаете немного Ассемблера.

Какой компилятор вам нужен

Чтобы использовать технологию смешанного кода, нужно по крайней мере два компилятора: для ассемблера и для C/C++, а также компоновщик который объединит объектные файлы(.obj) в один исполняемый файл.

Теперь, давайте поговорим о некоторых особых моментов. Есть два режима функционирования процессора: реальный и защищенный режим. Реальный режим является 16-битным и имеет некоторые ограничения. Защищенный режим является 32-битным и полностью используется операционной системой. Когда компьютер только начинает работу, процессор работает в 16-битном режиме. Таким образом, чтобы написать программу и получить исполняемый файл, вам понадобится компилятор и компоновщик для ассемблера для 16-битного режима. Для C/C++ вам потребуется только компилятор, который умеет создавать объектные файлы для 16-битного режима.

Современные компиляторы сделаны для 32-разрядных приложений, поэтому мы не сможем их использовать.

Я пробовал несколько бесплатных и коммерческих компиляторов для 16-битного режима и выбрал продукт от Microsoft. Компилятор вместе с компоновщиком для ассемблера, C и C++ включены в Microsoft Visual Studio 1.52, его можно скадать с официального сайта компании. Некоторые подробности о компиляторов которые нам нужны приведены ниже.

ML 6,15 — компилятор ассемблера от Microsoft для 16-битного режима.
LINK 5,16 — компоновщик, который умеет создавать COM-файлы для 16-битного режима.
CL — С, С++ компилятор для 16-битного режима.

Вы также можете использовать несколько альтернативных вариантов.

DMC — бесплатный компилятор для компиляции ассемблера, C, C++ для 16 и 32-битном режиме Digital Mars.
LINK — бесплатный компоновщик для компилятора DMC.

Есть также некоторые продукты от Borland.

BCC 3,5 — С, С++ компилятор, который умеет создавать файлы для 16-битного режима.
TASM — компилятор асемблера для 16-битного режима.
TLINK — компоновщик, который может создавать файлы COM для 16-битного режима.

Все примеры кода в этой статьи, были разработаны с инструментами от Microsoft.

Как система загружается

Для того, чтобы решить нашу задачу мы должны вспомнить, как система загружает.
Рассмотрим кратко, как компоненты системы взаимодействуют при загрузке системы.



После того, как управление было передано по адресу 0000:7C00, Master Boot Record (MBR) начинает свою работу и запускает загрузку операционной системы.

Давайте перейдем к кодированию

В следующих разделах мы будем непосредственно заняты низкоуровневым программированием — мы будем писать наш собственный загрузчик.

Архитектура программы

Мы разрабатываем загрузчик для себя. Его задачами являются только следующие:

1. Правильная загрузка в память по адресу 0000:7 C00.
2. Вызов BootMain функции, которую мы написали в языке высокого уровня.
3. Вывести на дисплей фразу — ”Hello, world…", from low-level.

Архитектура программы.



Первый объект это StartPoint, который написан исключительно в ассемблере, поскольку в языках высокого уровня нет необходимых нам инструкции. Это говорит компилятору, какой тип памяти должен использоваться, и адрес команды в RAM, которая должна выполняться после его чтения. Он также исправляет регистры процессора и передает управление функции BootMain, которая написано на языке высокого уровня.

Следующий объект- BootMain — является аналогом main, что, в свою очередь является основной функцией в которой сконцентрированы все функции программы.

Классы CDisplay и CString заботиться о функциональной части программы и выводит сообщение на экран. Как вы можете видеть на предыдущей картинки, класс CDisplay использует класс CString в своей работе.

Среда разработки

Здесь я использую стандартные среды разработки Microsoft Visual Studio 2005 или 2008. Вы можете использовать любые другие инструменты, но я уверен, что эти два, с некоторыми настройками, компилируют и работают легко и удобно.

Сначала мы должны создать проект Makefile Project, где будет выполнена основная работа.

File->New\Project->Общие\Makefile Project

BIOS прерывания и очистка экрана

Чтобы вывести сообщение на экране, мы должны очистить его для начала. Мы будем использовать специальные BIOS прерывания для этой цели.

BIOS предлагает ряд прерываний для работы с железом, таким как видеокарта, клавиатура, системный диск. Каждое прерывание имеет следующую структуру:

int [number_of_interrupt];

Где «number_of_interrupt» является числом прерывания.

Каждое прерывание имеет некоторое количество параметров, которые должны быть установлены до его вызова. Регистр процессора — ah, всегда несет ответственность за количество функций для текущего прерывания, и другие регистры обычно используются для других параметров текущей операции. Давайте посмотрим, как работа прерывания номер 10h выполняется на ассемблере. Мы будем использовать 00-функцию, она меняет видео режим и очищает экран:

mov al, 02h; настройка графического режима 80x25 (текст) 
mov ah, 00h; код функции изменения видео режима
int 10h; вызов прерывания

Мы будем рассматривать только те прерывания и функции, которые будут использоваться в нашем приложении. Нам понадобится:

int 10h, function 00h – выполняет меняет видео режим и очищает экран; 
int 10h, function 01h – устанавливает тип курсора; 
int 10h, function 13h – показывает строку на экране;

«Смешанный код»

Компилятор C++ поддерживает встроенный Ассемблер, то есть при написании кода на языке высокого уровня вы можете также использовать язык низкого уровня. Инструкции ассемблера, которые используются на высоком уровне, также называют asm вставками. Они состоят из ключевого слова "__asm" и блока ассемблерных инструкций:

__asm ;  ключевое слово, которое показывает начало ASM вставки
{ ;  начало блока
    … ; какой нибудь ассемблеровский код
} ;  конец блока

Чтобы продемонстрировать пример смешанного кода мы будем использовать ранее упомянутый код на ассемблере, который выполняет очистку экрана и объединим его с кодом написанный на C++.

void ClearScreen()
{
    __asm

    {
        mov al, 02h; настройка графического режима 80x25 (текст)
        mov ah, 00h; код функции изменения видео режима
        int 10h; вызов прерывания
    }
}

CString реализация

CString класс предназначен для работы со строками. Он включает в себя метод Strlen(), который получает в качестве параметра указатель на строку и возвращает количество символов в этой строке.

CDisplay класс предназначен для работы с экраном. Он включает в себя несколько методов:

1. TextOut() — выводит строку на экране.
2. ShowCursor() — управляет курсором представления на экране: показать, скрыть.
3. ClearScreen() — изменяет видео режим и таким образом очищает экран.

// CString.h 

#ifndef __CSTRING__
#define __CSTRING__

#include "Types.h"

class CString 
{
    public:
    static byte Strlen(const char far* inStrSource);
};

#endif // __CSTRING__

// CString.cpp

#include "CString.h"

byte CString::Strlen(const char far* inStrSource)
{
    byte lenghtOfString = 0;
        
    while(*inStrSource++ != '\0')
    {
        ++lenghtOfString;
    }

    return lenghtOfString;
}

CDisplay — реализация

  // CDisplay.h

#ifndef __CDISPLAY__
#define __CDISPLAY__

//
// colors for TextOut func
//

#define BLACK			0x0
#define BLUE			0x1
#define GREEN			0x2
#define CYAN			0x3
#define RED			0x4
#define MAGENTA		0x5
#define BROWN			0x6
#define GREY			0x7
#define DARK_GREY		0x8
#define LIGHT_BLUE		0x9
#define LIGHT_GREEN		0xA
#define LIGHT_CYAN		0xB
#define LIGHT_RED	                0xC
#define LIGHT_MAGENTA   	0xD
#define LIGHT_BROWN		0xE
#define WHITE			0xF

#include "Types.h"
#include "CString.h"

class CDisplay
{
    public:
    static void ClearScreen();

    static void TextOut(
        const char far* inStrSource,
        byte            inX = 0,
        byte            inY = 0,
        byte            inBackgroundColor   = BLACK,
        byte            inTextColor         = WHITE,
        bool            inUpdateCursor      = false
    );

    static void ShowCursor(
        bool inMode
    );
};

#endif // __CDISPLAY__

// CDisplay.cpp

#include "CDisplay.h"

void CDisplay::TextOut( 
        const char far* inStrSource, 
        byte            inX, 
        byte            inY,  
        byte            inBackgroundColor, 
        byte            inTextColor,
        bool            inUpdateCursor
        )
{
    byte textAttribute = ((inTextColor) | (inBackgroundColor << 4));
    byte lengthOfString = CString::Strlen(inStrSource);

    __asm

    {		
        push    bp
        mov     al, inUpdateCursor
        xor	     bh, bh	
        mov     bl, textAttribute
        xor	     cx, cx
        mov     cl, lengthOfString
        mov     dh, inY
        mov     dl, inX  
        mov     es, word ptr[inStrSource + 2]
        mov     bp, word ptr[inStrSource]
        mov     ah, 13h
        int	     10h
        pop	     bp
    }
}
void CDisplay::ClearScreen()
{
    __asm

    {
        mov  al, 02h
        mov  ah, 00h
        int     10h
    } 
}

void CDisplay::ShowCursor(
        bool inMode
        )
                                 
{
    byte flag = inMode ? 0 : 0x32;

    __asm
    {
        mov     ch, flag
        mov     cl, 0Ah
        mov     ah, 01h
        int     10h
    }
}

Types.h — реализация

Types.h является заголовочным файлом, который включает определения типов данных и макросов.

// Types.h

#ifndef __TYPES__
#define __TYPES__     

typedef unsigned char   byte;
typedef unsigned short  word;
typedef unsigned long   dword;
typedef char            bool;

#define true            0x1
#define false           0x0

#endif // __TYPES__

BootMain.cpp — реализация

BootMain() является основной функцией программы, которая является первой точкой входа (аналог main()). Основная работа проводится здесь.

// BootMain.cpp

#include "CDisplay.h"

#define HELLO_STR               "\"Hello, world…\", from low-level..."

extern "C" void BootMain()
{
    CDisplay::ClearScreen();
    CDisplay::ShowCursor(false);

    CDisplay::TextOut(
        HELLO_STR,
        0,
        0,
        BLACK,
        WHITE,
        false
        );

    return;
}

StartPoint.asm — реализация

;------------------------------------------------------------
.286							   ; CPU type
;------------------------------------------------------------
.model TINY						   ; memory of model
;---------------------- EXTERNS -----------------------------
extrn				_BootMain:near	   ; prototype of C func
;------------------------------------------------------------
;------------------------------------------------------------   
.code   
org				07c00h		   ; for BootSector
main:
				jmp short start	   ; go to main
				nop
						
;----------------------- CODE SEGMENT -----------------------
start:	
        cli
        mov ax,cs               ; Setup segment registers
        mov ds,ax               ; Make DS correct
        mov es,ax               ; Make ES correct
        mov ss,ax               ; Make SS correct        
        mov bp,7c00h
        mov sp,7c00h            ; Setup a stack
        sti
                                ; start the program 
        call           _BootMain
        ret
        
        END main                ; End of program

Давайте соберем все

Создание COM файла

Теперь, когда код разработан мы должны преобразовать его в файл для 16-битных ОС. Такими файлами являются .COM-файлы. Мы можем запустить компилятор из командной строки, передавая необходимые параметры, в качестве результата мы получим несколько объектных файлов. Далее мы запускаем компоновщик для преобразования всех .COM файлов в один исполняемый файл с расширением. COM. Это работа способный вариант но не очень легок.

Давайте лучше автоматизируем этот процесс. Для этого нам нужно созать .bat файл и записать в нем нужные команды с необходимыми параметрами.



Поместите компиляторы и компоновщик в каталог проекта. В том же каталоге, мы создаем командный файл и заполняем в соответствии с примером (можно использовать любой каталог вместо VC152, главное чтобы компиляторы и компоновщик находились в нем).:

.\VC152\CL.EXE /AT /G2 /Gs /Gx /c /Zl *.cpp

.\VC152\ML.EXE /AT /c *.asm 

.\VC152\LINK.EXE /T /NOD StartPoint.obj bootmain.obj cdisplay.obj cstring.obj

del *.obj

Ассамблирование — автоматизация

В качестве заключительного этапа в этом разделе мы опишем как превратить Microsoft Visual Studio 2005, 2008, в среду разработки с поддержкой любого компилятора. Для этого нужно перейти в свойствах проекта: Project->Properties->Configuration Properties\General->Configuration Type.

Вкладка Configuration Properties включает в себя три пункта: General, Debugging и NMake. Выберите NMake и укажите путь к «build.bat» в Build Command Line и Rebuild Command Lin.



Если все сделано правильно, то вы можете скомпилировать нажав клавиши F7 или Ctrl + F7. При этом вся сопутствующие информация будет отображаться в окне вывода. Основным преимуществом здесь является не только автоматизация сборки, но и мониторинг ошибок в коде если они будут.

Тестирование и демонстрация

Этот раздел расскажет, как увидеть сделанный загрузчик в действии, как выполнить тестирование и отладку.

Как проверить загрузчик

Вы можете проверить загрузчик на реальном оборудовании или с использованием разработанных для этих целей виртуальных машинам — VMware. Тестирование на реальном оборудовании дает вам больше уверенности, что он работает также как и на виртуальной машине. Конечно, мы можем сказать, что VmWare отличный способ для тестирования и отладки. Мы рассмотрим оба метода.

Прежде всего, нужен инструмент, чтобы записать наш загрузчик на виртуальный или физический диск. Насколько я знаю, есть несколько бесплатных и коммерческих консолей и GUI приложений. Я использовал Disk Explorer для NTFS 3.66 (версия для FAT, называется Disk Explorer для FAT) для работы в ОС Windows и Norton Disk Editor 2002 для работы в MS-DOS.

Я опишу только Disk Explorer для NTFS 3,66 потому что это самый простой способ и подходит для наших целей больше всего.

Тестирование с помощью виртуальной машины VmWare

Создание виртуальной машины

Нам понадобится VmWare версия программы 5.0, 6.0 или выше. Чтобы проверить загрузчик мы создадим новую виртуальную машину с минимальным размером диска, например, 1 Gb. Отформатируйте его в файловую систему NTFS. Теперь нам нужно отобразить отформатированный жесткий диск на VmWare в качестве виртуального диска. Для этого выберите:

File->Map or Disconnect Virtual Disks...

После этого появится окно. Там вы должны нажать кнопку «Map». В следующем появившемся окне вы должны указать путь к диску. Теперь Вы также можете выбрать букву диска.



Не забудьте снять флажок «Open file in read-only mode (recommended)». После того как выполнили все выше описанные индикации диск должен быть доступен в режиме только для чтения чтобы избежать повреждения данных.

После этого мы можем работать с диском виртуальной машины, как с обычными логическим диском в ОС Windows. Теперь мы должны использовать Disk Explorer для NTFS 3,66 чтобы записать загрузочную запись с позиции 0.

Работа с Disk Explorer для NTFS

После запуска программы мы идем в наш диск (File-> Drive). В появившемся окне идем в раздел логические диски и выбираем наш созданный диск(в моем случае это Z).



Теперь мы выбираем меню пункт View как Hex команды. В это появившемся окне мы можем видеть информацию диска в 16-разрядном представлении, разделенная на сектора. Сейчас у нас только 0-ли, так как диск пуст, пока что.



Сейчас мы должны записать наш загрузчик в первый сектор. Мы устанавливаем маркер в положение 00, как это показано на предыдущей картинке. Чтобы скопировать загрузчик мы используем пункт меню Edit->Paste from file command. В открывшемся окне укажите путь к файлу и кликните Open. После этого содержимое первого сектора должен измениться и выглядеть, как это показано на картинке — если вы, конечно, ничего не меняли в коде.

Вы также должны записать подпись 55AAh по позиции 1FE от начала сектора. Если вы не сделаете это, BIOS проверит последние два байта, и не найдя указанную подписи, будет считать что этот сектор не является загрузочным и не загрузит его в память.

Для переключения в режим редактирования нажмите клавишу F2 и напишите необходимые номера — 55AAh подписи. Чтобы выйти из режима редактирования нажмите ESC.

Теперь нам нужно подтвердить записанные данные.



Чтобы применить записанное мы идем в Tools-> Options, теперь мы идем в пункт Mode и выбираем метод записывания — Virtual Write и нажмите кнопку Write.



Большую часть рутинных действий закончили, наконец, и теперь вы можете видеть, что мы разработали с самого начала этой статьи. Давайте вернемся к VwWare чтобы отключить виртуальный диск (File->Map or Disconnect Virtual Disks … and click Disconnect).

Давайте запустим виртуальную машину. Мы видим теперь, как из глубины царства машинных кодов появляются знакомые строки — «Hello World… », from low-level...".

Тестирование на реальном оборудовании

Тестирование на реальном оборудовании почти такая же, как и на виртуальной машине, за исключением того, что если что-то не работает, вам потребуется намного больше времени, чтобы восстановить ее, чем создать новую виртуальную машину. Чтобы проверить загрузчик не имея возможность потерять данные (все может случиться), я предлагаю использовать флэш-накопитель, но сначала вы должны перезагрузить компьютер, зайдите в BIOS и убедитесь, что он поддерживает загрузку с флэш-накопителя. Если он поддерживает его, то все в порядке. Если нет, то вы должны ограничить тестированием на виртуальной тестовой машине.

Процесс написание загрузчика на флэш-диск в Disk Explorer для NTFS 3,66 такой же как и для виртуальной машины. Вы просто должны выбрать сам жесткий диск вместо своего логического раздела.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели, что такое загрузчик, как работает BIOS, и как компоненты системы взаимодействуют при загрузке системы. Практическая часть дала нам понимание о том, как можно разработать свой собственный, простой загрузчик. Мы продемонстрировали технологию смешанного кода и процесс автоматизации сборки с использованием Microsoft Visual Studio 2005, 2008.

Конечно, это лишь малая часть по сравнению с огромной темой низкоуровневого программирования, но если вам было интересна это статья — то это круто.

UPD: ссылка на источник