LinuX-Lab 2018-05-11

Procedura startu systemu

Sprzętowo

Procesory IA-32 i x86_64

Pierwszą czynnością po "zdjęciu" sygnału reset jest skok po adres 0xFFFF0 (16 bajtów poniżej 1MB). Procesor jest w trybie rzeczywistym, 16-bitowym.

W PC w tym miejscu znajduje się albo BIOS albo punkt wejściowy do UEFI.

Procesory ARM32 w trybie surowym (Cortex-M/Cortex-R)

Wskaźnik stosu ustawiany jest na zawartość słowa z adresu 0, po czym procesor skacze pod adres wskazany pod adresem 4.

Procesory ARM32/ARM64 w trybie pełnym (Cortex-A)

Wykonanie zaczyna się od bootloadera zaszytego w wewnętrznym ROM-ie/FLASH-u procesora (procesor skacze albo pod 0x0 albo pod 0xffff0000, gdzie zmapowana jest pamięć bootloadera). Popularnym otwartoźródłowym bootloaderem jest u-Boot - można o tym pomyśleć jako o swoistym LILO/GRUB dla ARM.

Programowo

BIOS

Nie omawiamy tu CD/DVD w standardzie El Torito.

• BIOS inicjalizuje podstawowe komponenty płyty głównej (kontrolery pamięci, zegara procesora, DMA, przerwania, itp),

• Wykrywa karty rozszerzeń i jeżeli dana karta go posiada, wywołuje jej BIOS (karta grafiki przejmuje wtedy przerwanie 10h, kontrolery RAID przejmują przerwanie 13h, itd)

• BIOS przegląda urządzenia w kolejności bootowania i dla każdego z nich za pomocą przerwania 13h:

  • Wczytuje pierwszy sektor do pamięci, pod adres 0000:7C00
  • Sprawdza, czy ostatnie dwa bajty sektora zawierają sygnaturę 0xAA55
    • Jeżeli tak, wykonuje skok do pierwszego bajtu załadowanego sektora (od tego momentu kod użytkownika przejmuje całkowitą kontrolę)
    • Jeżeli nie, przechodzi do następnego urządzenia z listy

• Jeżeli nie udało się znaleźć sygnatury na żadnym urządzeniu, wyświetla błąd i zawiesza komputer.

Z poziomu programu użytkownika dostępne jest trochę usług, na przykład:

• int 10h - interfejs do karty graficznej
• int 13h - operacje dostępu do dysków po sektorach
• int 14h - operacje na porcie szeregowym
• int 16h - operacje na klawiaturze
• int 17h - operacje na drukarce
• int 1Ah - operacje na zegarze (RTC)
• int 1Ah - usługi PCI

UEFI

• UEFI inicjalizuje podstawowe komponenty płyty głównej (kontrolery pamięci, zegara procesora, DMA, przerwania, itp),

• Wykrywa karty rozszerzeń i jeżeli dana karta go posiada, wywołuje jej firmware i podpina go pod dostępną funkcjonalność.

• UEFI przegląda urządzenia w kolejności bootowania w NVRAM i dla każdego z nich za pomocą usług UEFI:

  • Sprawdza, czy dysk jest w formacie GPT
  • Szuka partycji ESP (FAT32, bootowalna, systemowa plus parę innych flag, nie musi być pierwsza)
    • Jeżeli nie skonfigurowano pamięci NVRAM inaczej, próbuje załadować następujący manager:
      • \EFI\BOOT\BOOTx64.EFI - PCty ze zwykłym procesorem 64-bitowym
      • \EFI\BOOT\BOOTIA32.EFI - niestandardowe, 32-bitowe UEFI w niektórych tabletach i 2-in-1. Ciekawostka - procesor tam jest 64 bitowy, niestandardowe UEFI ma tylko utrudnić instalację systemu innego, niż producenta (Windows, khm, khm).
      • \EFI\BOOT\BOOTIA64.EFI - komputery z procesorami Itanium
      • \EFI\BOOT\BOOTARM.EFI - komputery z 32-bitowymi procesorami ARM
      • \EFI\BOOT\BOOTAA64.EFI - komputery z 64-bitowymi procesorami ARM
    • Jeżeli skonfigurowano w pamięci NVRAM konkretny manager (ID urządzenia, partycja, ścieżka, plik), to jest on ładowany i uruchamiany. U mnie ten wpis wygląda tak: HD(2,GPT,ea03e786-18b0-4277-80dd-a4f6e7f50935,0x1000,0x64000)/File(\EFI\DEBIAN\GRUBX64.EFI)
  • Jeżeli jest aktywny SecureBoot, UEFI weryfikuje podpis cyfrowy managera kluczem publicznym zaszytym w sobie. Jeżeli podpis się nie zgadza, albo go brakuje, to odmawia dalszej pracy.

• Jeżeli znaleziono manager i (opcjonalnie) przeszedł weryfikację, to jest uruchamiany.

Manager UEFI to aplikacja w formacie PE (Windowsa, khm, khm), która ma dostęp do szeregu usług dostarczanych przez firmware: grafika, system plików, stos sieciowy (!!!), kryptografia.

Do pisania własnych managerów w C można wykorzystać otwartoźródłowe SDK o nazwie EDK II, dostępne ze strony TianoCore.