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|
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
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<body>
<div class="reveal">
<div class="slides">
<section>
<h2>x86 Bootloader</h2>
<small>CT, Marvin Borner, TGI13.1</small>
<aside class="notes">
<ul>
<li>Ich lass einiges aus, weil großes Projekt</li>
<li>Ansonsten nachher fragen</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section>
<h2>Inhalt</h2>
<ul>
<li>Was ist/macht ein Bootloader?</li>
<li>Boot-Ablauf</li>
<li>Umsetzung</li>
<li>Protokolle</li>
<li>x86-Architektur</li>
<li>Code</li>
<li>Demo</li>
<li>Fazit</li>
</ul>
</section>
<section>
<section>
<h2>Was ist ein Bootloader?</h2>
<p class="fragment">Bindeglied in Boot-Prozess</p>
<img
class="fragment"
src="img/process.png"
alt="Boot-Prozess Beispiel (Legacy)"
/>
<aside class="notes">
<ul>
<li>
Nur Legacy Boot behandelt (kein UEFI, GPT,
...)
</li>
<li>
Generell: MBR lädt Bootloader, Bootloader
lädt Kernel
</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section>
<h2>Was macht ein Bootloader?</h2>
<ul>
<li class="fragment">
Initialisiert CPU, GPU, I/O
</li>
<li class="fragment">
Simple Treiber (Festplatte, Grafik)
</li>
<li class="fragment">
Häufig GUI zur Auswahl und Konfiguration
</li>
<li class="fragment">Sucht nach Hardware-Infos</li>
<li class="fragment">
Lädt gewählten Kernel mit Infos
</li>
</ul>
</section>
</section>
<section>
<!-- boot sequence osdev -->
<h2 style="position: relative; top: 100px">Ablauf</h2>
<section>
<p>
<b>B</b>asic <b>I</b>nput <b>O</b>utput
<b>S</b>ystem
</p>
<ul>
<li class="fragment">Hardware Initialisierung</li>
<li class="fragment">
Stellt BIOS interrupts zur Verfügung
</li>
</ul>
<aside class="notes">
<ul>
<li>
LEGACY: Kommt aus 80ern, trotzdem noch
überall vertreten (-> UEFI)
</li>
<li>
Power Button wird gedrückt - hardcoded jump
zu BIOS
</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section>
<p><b>P</b>ower <b>O</b>n <b>S</b>elf <b>T</b>est</p>
<ul>
<li class="fragment">Diagnose</li>
<li class="fragment">Bootbares Gerät?</li>
</ul>
<aside class="notes">
<ul>
<li>Gehört eigtl. noch zu BIOS</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section>
<p><b>M</b>aster <b>B</b>oot <b>R</b>ecord</p>
<ul>
<li class="fragment">512B :O</li>
<li class="fragment">Magic <code>0xAA55</code></li>
<li class="fragment">
Von BIOS zu <code>0x7C00</code>
</li>
<li class="fragment">
Bei Festplatten: Partitionstabelle @445
</li>
<!-- Implementationsabhängig! -->
<b class="fragment">
→ Rest ist implementationsabhängig
</b>
</ul>
<aside class="notes">
<ul>
<li>Also eigentlich nur 446B</li>
<li>
Bei 0x7C00 aus historischen Gründen; 1KiB
entfernt von 32KiB; erster 86-PC hatte 32KiB
RAM; 0x0-0x7C00 für OS)
</li>
</ul>
</aside>
</section>
</section>
<!--<section>
<h2 style="position: relative; top: 100px">Arten</h2>
<section>
<h4>Krasser Code-Golfer</h4>
<p class="fragment">Komplett in MBR (512B bzw. 446B)</p>
<p class="fragment">Nachteil: Nahezu unmöglich</p>
<p class="fragment">Ggf. für embedded Systeme</p>
</section>
<section>
<h4>Single-Stage</h4>
<p class="fragment">
Nur kleiner Kernel-loader in MBR, keine
Initialisierung
</p>
<p class="fragment">Kernel macht den Rest</p>
<p class="fragment">
Nachteil: Nicht mit allen Kernels kompatibel
</p>
</section>
<section>
<h4>Multi-Stage</h4>
<p class="fragment">MBR lädt nur zweite Stage</p>
<p class="fragment">Ggf. noch mehr Stages</p>
<p class="fragment">Meine Wahl: Dual-Stage</p>
</section>
</section>-->
<section>
<h2 style="position: relative; top: 80px">Umsetzung</h2>
<section>
<img
src="img/disk.svg"
width="400"
alt="Festplatte"
style="position: relative; top: 70px"
/>
<aside class="notes">
<ul>
<li>Dual-Stage</li>
<li>64. Sektor = 64 * 512 = 0x8000 = 32768</li>
<li>1. Stage == Bootsektor</li>
<li>2. Stage == Loader</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section>
<h4>1. Stage: MBR; <code>0x7C00-0x7E00</code></h4>
<ul>
<li class="fragment">Generelle Diagnose</li>
<li class="fragment">
<!-- Bits beziehen sich auf Adressierung, Register sind dennoch nutzbar -->
CPU von <b>Real</b> (16 Bit) zu
<b>Protected</b> mode (32 Bit)
<!-- Long mode -->
</li>
<li class="fragment">
Lädt 2. Stage von boot disk
</li>
</ul>
<aside class="notes">
<ul>
<li>
Boot disk wird von BIOS weitergegeben (in dl
Reg)
</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section>
<h4>2. Stage: <code>0x7E00-0xFC00</code> (~32KiB)</h4>
<ul>
<li class="fragment">
Diagnose (memory, disk, ...)
</li>
<li class="fragment">
Initialisierung (A20, GDT, IDT, Register, ...)
</li>
<li class="fragment">
Partition und Festplatte suchen
</li>
<li class="fragment">
Dateisystem erkennen und konfigurieren
</li>
<li class="fragment">
GUI für Auswahl mittels config Datei
</li>
<li class="fragment">Kernel laden</li>
</ul>
<aside class="notes">
<ul>
<li>
0xFC00 wegen Partitionstart in 64. Sektor
(0x8000 -> 0x7C00 + 0x8000 = 0xFC00)
</li>
<li>Ggf. config zeigen</li>
</ul>
</aside>
</section>
</section>
<section>
<h2>Protokolle</h2>
<ul>
<li class="fragment">Multiboot 1/2</li>
<li class="fragment">Linux, Windows, Mac OS</li>
</ul>
<aside class="notes">
<ul>
<li>Protokolle für Datenweitergabe an Kernel</li>
<li>MB unterstützt sehr viele Betriebssysteme</li>
<li>MB1 komplett, MB2 nur so bisschen</li>
<li>OS-spezifisch häufig sehr komplex</li>
</ul>
</aside>
</section>
<!-- <section> -->
<!-- <h2>Relokation</h2> -->
<!-- <ul> -->
<!-- <li class="fragment"> -->
<!-- MBR (<code>0x7C00</code>) zu z.B. -->
<!-- <code>0x0600</code> -->
<!-- </li> -->
<!-- <li class="fragment"> -->
<!-- Etwas anderes (Kernel, anderen Bootloader) zu -->
<!-- <code>0x7C00</code> -->
<!-- </li> -->
<!-- <li class="fragment"> -->
<!-- Vorteil: Mehr Platz (~30KiB), eindeutige Adresse, -->
<!-- mehrere Bootloader chainloaden -->
<!-- </li> -->
<!-- <li class="fragment">z.B. Windows Boot</li> -->
<!-- </ul> -->
<!-- </section> -->
<section>
<h2>x86-Architektur</h2>
<section>
<h4>Grundlegende Register</h4>
<table style="font-size: 70%">
<tbody>
<tr>
<th>64bit</th>
<th>32bit</th>
<th>16bit</th>
<th>8bit-h</th>
<th>8bit-l</th>
<th>Verwendung</th>
</tr>
<tr>
<td>rax</td>
<td>eax</td>
<td>ax</td>
<td>ah</td>
<td>al</td>
<td>Accumulator</td>
</tr>
<tr>
<td>rbx</td>
<td>ebx</td>
<td>bx</td>
<td>bh</td>
<td>bl</td>
<td>Base</td>
</tr>
<tr>
<td>rcx</td>
<td>ecx</td>
<td>cx</td>
<td>ch</td>
<td>cl</td>
<td>Counter</td>
</tr>
<tr>
<td>rdx</td>
<td>edx</td>
<td>dx</td>
<td>dh</td>
<td>dl</td>
<!-- Disk id -->
<td>Data</td>
</tr>
<tr>
<td>rbp</td>
<td>ebp</td>
<td>bp</td>
<td>/</td>
<td>/</td>
<td>Base pointer</td>
</tr>
<tr>
<td>rsp</td>
<td>esp</td>
<td>sp</td>
<td>/</td>
<td>/</td>
<td>Stack pointer</td>
</tr>
<tr>
<td>rip</td>
<td>eip</td>
<td>ip</td>
<td>/</td>
<td>/</td>
<td>Instruction pointer</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<aside class="notes">
<b>Eigentlich wie 8051 ASM</b>
<ul>
<li>A: Arith, I/O, ...</li>
<li>B: Base pointer für memory access</li>
<li>C: Loop counter</li>
<li>D: Eigentlich alles</li>
<li>---</li>
<li>SP: dec/inc je push/pop</li>
<li>BP: Frame pointer - Prolog</li>
<li>---</li>
<li>
IP: Wie PC (wird auf SP als return address
gepusht)
</li>
</ul>
</aside>
</section>
</section>
<section>
<h2>Sprachen</h2>
<ul>
<li class="fragment">
ASM in MBR: Kann direkt mit Registern umgehen, kein
Bootstrapping/Overhead
</li>
<li class="fragment">
C in 2. Stage: Lowlevel (<code>__asm__</code>,
<code>*(u8*)0x7E00</code>), kein Interpreter
</li>
</ul>
</section>
<section>
<section data-transition="fade-out">
<h2>1. Stage (MBR)</h2>
<pre><code class="fragment" data-line-numbers data-trim>
org 0x7C00
bits 16
mbr:
; Register leeren (manche BIOS sind komisch)
xor bx, bx
mov ds, bx
mov es, bx
mov ss, bx
; Manche Register sind wichtig (z.B. dl mit boot disk)
mov sp, 0x7C00 ; Stack: 0x7C00 -> wächst nach unten
; Text mode VGA mit BIOS interrupts leeren
mov ax, SCREEN_CLEAR
int SCREEN_INT
call disk_support ; Ist disk unterstützt?
jmp load_stage ; 2. Stage laden und ausführen
</code></pre>
<aside class="notes">
<ul>
<li>Nicht alles, nur Ausschnitte</li>
<li>VGA = Video Graphics Array</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section data-transition="fade">
<pre
style="font-size: 13pt"
><code data-line-numbers data-trim>
bits 16
load_stage:
mov bx, loader
mov [dap.dest], bx
call disk_read ; Nutzt dap, dl und BIOS INTs
lgdt [gdt] ; Lade GDT
; Protected mode (32-Bit)
mov eax, cr0
or ax, 1 ; PE (Protection Enable) Bit
mov cr0, eax
; 0x08 GDT offset -> 1. Eintrag -> Code segment (cs)
jmp 0x08:protected
bits 32
protected:
; Segment register auf 2. GDT Eintrag (non-executable)
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax
push dx ; Disk (in dl) zu kernel pushen
call loader ; Zweite Stage!
[...]
dw 0xAA55 ; MBR magic
loader: incbin "build/loader.bin" ; 2. Stage (C)
</code></pre>
<aside class="notes">
<ul>
<li>GDT entry ist 8 Byte</li>
</ul>
</aside>
</section>
<!--<section>
<pre><code class="c" data-line-numbers data-trim>
static u8 boot_disk = 0;
int start(u8 disk)
{
boot_disk = disk;
memory_map();
a20_enable();
vga_clear();
serial_install();
pic_install();
idt_install();
pci_probe();
config_read();
gui_draw();
return 0;
}
</code></pre>
</section>-->
<section data-background="img/uml4.png">
<!-- <img -->
<!-- style=" -->
<!-- height: auto; -->
<!-- width: 105%; -->
<!-- left: -20px; -->
<!-- position: relative; -->
<!-- max-width: unset; -->
<!-- max-height: unset; -->
<!-- " -->
<!-- src="img/uml3.png" -->
<!-- alt="UML-Diagramm" -->
<!-- /> -->
<aside class="notes">
<ul>
<li>PIC = Programmable Interrupt Controller</li>
<li>
PCI = Peripheral Component Interconnect
(bus)
</li>
<li>VGA = Video Graphics Array</li>
<li>IDE = Integrated Drive Electronics</li>
<li>ELF = Executable and Linkable Format</li>
<li>
A20 = Damit alle 32 Adressierungsleitungen
verwendet werden können (Sonst nur 2^20 =
1MiB adressierbar)
</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section data-background="img/uml3.png"></section>
</section>
<section><h2>Demo</h2></section>
<section>
<h2>Fazit</h2>
<ul>
<li class="fragment">
Schwierig jede Hardware zu unterstützen
</li>
<li class="fragment">Lieber GRUB/...</li>
</ul>
<aside class="notes">
<ul>
<li>Interessant</li>
<li>UEFI, PCIE, SATA, USB, XHCI, ...</li>
<li>Lieber GRUB für Kompatibilität</li>
</ul>
</aside>
</section>
<section>
<h2>Fragen?</h2>
<ul class="fragment">
<li>Segmentation, GDT</li>
<li>Interrupts, IDT, PIC</li>
<li>Multiboot 1/2</li>
<li>Mehr Code-Beispiele</li>
</ul>
</section>
<section>
<h2>Quellen</h2>
<section>
<p>Bilder</p>
<br />
<ul>
<li>
https://en.wikipedia.org/wiki/BIOS#/media/File:Legacy_BIOS_boot_process.png
</li>
</ul>
</section>
<section>
<p>Informationen (aufgerufen 13.07.2021)</p>
<br />
<ul>
<li>https://en.wikipedia.org/wiki/Bootloader</li>
<li>https://en.wikipedia.org/wiki/BIOS</li>
<li>https://wiki.osdev.org/</li>
<li>https://github.com/marvinborner/Melvix</li>
<li>
Intel 64 and IA-32 Architectures Software
Developer's Manual
</li>
</ul>
</section>
</section>
</div>
</div>
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