x86環境においてHello Worldを表示するbootloaderを作成し、VirtualBoxの仮想フロッピードライブから起動してみる。
環境
Ubuntu 14.04.2 LTS 64bit版、VirtualBox 4.3.28
$ uname -a Linux vm-ubuntu64 3.13.0-48-generic #80-Ubuntu SMP Thu Mar 12 11:16:15 UTC 2015 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux $ lsb_release -a No LSB modules are available. Distributor ID: Ubuntu Description: Ubuntu 14.04.2 LTS Release: 14.04 Codename: trusty $ gcc --version gcc (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04) 4.8.4
アセンブリコードを書いてみる
x86環境において、BIOSから起動したbootloaderはリアルモード、すなわち16ビット命令を解釈するモードで動作する。 下記のドキュメントを参考に、BIOS割り込みルーチンを使ってHello Worldを表示するアセンブリコードを書くと次のようになる。
- BIOS interrupt call - Wikipedia, the free encyclopedia
- BIOS color attributes - Wikipedia, the free encyclopedia
- int 10 - Ralf Brown's Interrupt List
/* hello.s */
.code16
.intel_syntax noprefix
.globl _start
_start:
call set_video_mode
call set_bg_color
lea si, msg_hello
call print
lea si, msg_waitkey
call print
call reboot
set_video_mode:
mov ah, 0x00 /* VIDEO - SET VIDEO MODE */
mov al, 0x12 /* 640x480x16 (VGA) */
int 0x10
ret
set_bg_color:
mov ah, 0x0b /* VIDEO - SET BACKGROUND/BORDER COLOR */
mov bh, 0x00
mov bl, 0x01 /* Blue */
int 0x10
ret
print:
mov ah, 0x0e /* VIDEO - TELETYPE OUTPUT */
mov bl, 0x0f /* White */
mov bh, 0x00
print_loop:
lodsb
test al, al
jz print_end
int 0x10
jmp print_loop
print_end:
ret
reboot:
mov ah, 0x00 /* KEYBOARD - GET KEYSTROKE */
int 0x16
int 0x19 /* SYSTEM - BOOTSTRAP LOADER */
msg_hello:
.asciz "Hello, World!\r\n"
msg_waitkey:
.asciz "\r\nPress any key to reboot..."
ここで、.code16は16ビットコードであること、.ascizはNUL文字で終端された文字列を表すGNU asディレクティブである。
上のコードは、ビデオモードを16色VGAに変更し、背景色を青にセットした後、Hello Worldを一文字ずつ出力する。
その後、キー入力を待つ文字列を出力し、キー入力を受け取ったら再起動する。
bootloaderは通常、メモリアドレス0x7c00にロードされ実行される。 そこで、コードの起点に0x7c00を指定してコンパイルし、i8086アーキテクチャ（16ビット）でのディスアセンブル結果を表示すると次のようになる。
$ gcc -nostdlib -Ttext=0x7c00 hello.s
$ objdump -d -m i8086 a.out
a.out: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000007c00 <_start>:
7c00: e8 14 00 call 7c17 <set_video_mode>
7c03: e8 18 00 call 7c1e <set_bg_color>
7c06: 8d 36 3d 7c lea si,ds:0x7c3d
7c0a: e8 1a 00 call 7c27 <print>
7c0d: 8d 36 4d 7c lea si,ds:0x7c4d
7c11: e8 13 00 call 7c27 <print>
7c14: e8 20 00 call 7c37 <reboot>
0000000000007c17 <set_video_mode>:
7c17: b4 00 mov ah,0x0
7c19: b0 12 mov al,0x12
7c1b: cd 10 int 0x10
7c1d: c3 ret
0000000000007c1e <set_bg_color>:
7c1e: b4 0b mov ah,0xb
7c20: b7 00 mov bh,0x0
7c22: b3 01 mov bl,0x1
7c24: cd 10 int 0x10
7c26: c3 ret
0000000000007c27 <print>:
7c27: b4 0e mov ah,0xe
7c29: b3 0f mov bl,0xf
7c2b: b7 00 mov bh,0x0
0000000000007c2d <print_loop>:
7c2d: ac lods al,BYTE PTR ds:[si]
7c2e: 84 c0 test al,al
7c30: 74 04 je 7c36 <print_end>
7c32: cd 10 int 0x10
7c34: eb f7 jmp 7c2d <print_loop>
0000000000007c36 <print_end>:
7c36: c3 ret
0000000000007c37 <reboot>:
7c37: b4 00 mov ah,0x0
7c39: cd 16 int 0x16
7c3b: cd 19 int 0x19
0000000000007c3d <msg_hello>:
7c3d: 48 dec ax
7c3e: 65 gs
7c3f: 6c ins BYTE PTR es:[di],dx
7c40: 6c ins BYTE PTR es:[di],dx
7c41: 6f outs dx,WORD PTR ds:[si]
7c42: 2c 20 sub al,0x20
7c44: 57 push di
7c45: 6f outs dx,WORD PTR ds:[si]
7c46: 72 6c jb 7cb4 <msg_waitkey+0x67>
7c48: 64 21 0d and WORD PTR fs:[di],cx
7c4b: 0a 00 or al,BYTE PTR [bx+si]
0000000000007c4d <msg_waitkey>:
7c4d: 0d 0a 50 or ax,0x500a
7c50: 72 65 jb 7cb7 <msg_waitkey+0x6a>
7c52: 73 73 jae 7cc7 <msg_waitkey+0x7a>
7c54: 20 61 6e and BYTE PTR [bx+di+0x6e],ah
7c57: 79 20 jns 7c79 <msg_waitkey+0x2c>
7c59: 6b 65 79 20 imul sp,WORD PTR [di+0x79],0x20
7c5d: 74 6f je 7cce <msg_waitkey+0x81>
7c5f: 20 72 65 and BYTE PTR [bp+si+0x65],dh
7c62: 62 6f 6f bound bp,DWORD PTR [bx+0x6f]
7c65: 74 2e je 7c95 <msg_waitkey+0x48>
7c67: 2e cs
7c68: 2e cs
...
ディスアセンブル結果から、call命令やjmp命令が指すアドレスが16ビットになっていることが確認できる。
$ objdump -s -j.text a.out
a.out: file format elf64-x86-64
Contents of section .text:
7c00 e81400e8 18008d36 3d7ce81a 008d364d .......6=|....6M
7c10 7ce81300 e82000b4 00b012cd 10c3b40b |.... ..........
7c20 b700b301 cd10c3b4 0eb30fb7 00ac84c0 ................
7c30 7404cd10 ebf7c3b4 00cd16cd 1948656c t............Hel
7c40 6c6f2c20 576f726c 64210d0a 000d0a50 lo, World!.....P
7c50 72657373 20616e79 206b6579 20746f20 ress any key to
7c60 7265626f 6f742e2e 2e00 reboot....
$ objdump -s -j.text a.out | grep "^ " | cut -d" " -f3-6 | perl -pe 's/(\w{2})\s*/\\x\1/g'
\xe8\x14\x00\xe8\x18\x00\x8d\x36\x3d\x7c\xe8\x1a\x00\x8d\x36\x4d\x7c\xe8\x13\x00\xe8\x20\x00\xb4\x00\xb0\x12\xcd\x10\xc3\xb4\x0b\xb7\x00\xb3\x01\xcd\x10\xc3\xb4\x0e\xb3\x0f\xb7\x00\xac\x84\xc0\x74\x04\xcd\x10\xeb\xf7\xc3\xb4\x00\xcd\x16\xcd\x19\x48\x65\x6c\x6c\x6f\x2c\x20\x57\x6f\x72\x6c\x64\x21\x0d\x0a\x00\x0d\x0a\x50\x72\x65\x73\x73\x20\x61\x6e\x79\x20\x6b\x65\x79\x20\x74\x6f\x20\x72\x65\x62\x6f\x6f\x74\x2e\x2e\x2e\x00
ディスクイメージを作ってみる
次に、上のプログラムを含むディスクイメージを作ってみる。
BIOSは各ディスクドライブの最初の1セクタ（512バイト）を読み込み、その末尾が\x55\xaaであれば起動可能ドライブと判断し、そのセクタをアドレス0x7c00にロードする。
この1セクタはMaster Boot Record（MBR）と呼ばれ、末尾のシグネチャ\x55\xaaは2進表記で01010101 10101010となるビットパターンを意味する。
Pythonスクリプトで、末尾にシグネチャを置いた512バイトのディスクイメージを作成してみる。
# create_img.py
fname = 'hello.img'
buf = '\xe8\x14\x00\xe8\x18\x00\x8d\x36\x3d\x7c\xe8\x1a\x00\x8d\x36\x4d\x7c\xe8\x13\x00\xe8\x20\x00\xb4\x00\xb0\x12\xcd\x10\xc3\xb4\x0b\xb7\x00\xb3\x01\xcd\x10\xc3\xb4\x0e\xb3\x0f\xb7\x00\xac\x84\xc0\x74\x04\xcd\x10\xeb\xf7\xc3\xb4\x00\xcd\x16\xcd\x19\x48\x65\x6c\x6c\x6f\x2c\x20\x57\x6f\x72\x6c\x64\x21\x0d\x0a\x00\x0d\x0a\x50\x72\x65\x73\x73\x20\x61\x6e\x79\x20\x6b\x65\x79\x20\x74\x6f\x20\x72\x65\x62\x6f\x6f\x74\x2e\x2e\x2e\x00'
buf += '\x00' * (510-len(buf))
buf += '\x55\xaa'
with open(fname, 'wb') as f:
f.write(buf)
スクリプトを実行し、作成されたディスクイメージを16進ダンプしてみる。
$ python create_img.py $ file hello.img hello.img: x86 boot sector $ hexdump -C hello.img 00000000 e8 14 00 e8 18 00 8d 36 3d 7c e8 1a 00 8d 36 4d |.......6=|....6M| 00000010 7c e8 13 00 e8 20 00 b4 00 b0 12 cd 10 c3 b4 0b ||.... ..........| 00000020 b7 00 b3 01 cd 10 c3 b4 0e b3 0f b7 00 ac 84 c0 |................| 00000030 74 04 cd 10 eb f7 c3 b4 00 cd 16 cd 19 48 65 6c |t............Hel| 00000040 6c 6f 2c 20 57 6f 72 6c 64 21 0d 0a 00 0d 0a 50 |lo, World!.....P| 00000050 72 65 73 73 20 61 6e 79 20 6b 65 79 20 74 6f 20 |ress any key to | 00000060 72 65 62 6f 6f 74 2e 2e 2e 00 00 00 00 00 00 00 |reboot..........| 00000070 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................| * 000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa |..............U.| 00000200
ダンプ結果から、指定した通りのディスクイメージが作成できていることがわかる。
VirtualBoxで起動してみる
VirtualBoxの仮想フロッピードライブを使い、作成したディスクイメージを読み込ませてみる。
まず、仮想マシンの新規作成を選択し、タイプ「Other」、バージョン「Other/Unknown」、「仮想ハードドライブを追加しない」を指定する。 次に、作成した仮想マシンの「設定」→「ストレージ」から「フロッピーコントローラーを追加」を選択し、作成したディスクイメージを指定する。
この仮想マシンを起動すると、次のスクリーンショットのような画面が表示される。
最初のアセンブリコードで書いた通り、ブルースクリーンにHello Worldが表示されている。 また、適当なキーを押すと再起動し、再びHello Worldが表示されることが確認できる。
OSが起動する仕組み
ここではHello Worldの表示を行ったが、一般的な32ビットOSが起動する際はHello Worldの代わりに次のような処理が行われる。
- Global Descriptor Table（GDT）、Interrupt Descriptor Table（IDT）を設定する
- A20以上のアドレスバスを有効にして、32ビットのメモリ空間を利用できるようにする
- CPUの動作モードをリアルモード（16ビット）からプロテクトモード（32ビット）に変更する
- セグメントセレクタ、スタックポインタを初期化する
- ファイルシステムからカーネルイメージを検索し、メモリにロードしてジャンプする
また、bootloader全体がMBRに収まらない際、2段階に分けて実行するといったこともよく行われている。
GNU GRUB
Linux OSでは、一般にGNU GRUBと呼ばれる高機能なbootloaderが利用されている。 GNU GRUBのMBRに置かれるコードは次のようになっている。
実際に、UbuntuがインストールされたディスクのMBRを書き出してみる。
$ sudo dd if=/dev/sda bs=1 count=512 > mbr.bin 512+0 records in 512+0 records out 512 bytes (512 B) copied, 0.00136663 s, 375 kB/s $ file mbr.bin mbr.bin: x86 boot sector $ hexdump -C mbr.bin 00000000 eb 63 90 10 8e d0 bc 00 b0 b8 00 00 8e d8 8e c0 |.c..............| 00000010 fb be 00 7c bf 00 06 b9 00 02 f3 a4 ea 21 06 00 |...|.........!..| 00000020 00 be be 07 38 04 75 0b 83 c6 10 81 fe fe 07 75 |....8.u........u| 00000030 f3 eb 16 b4 02 b0 01 bb 00 7c b2 80 8a 74 01 8b |.........|...t..| 00000040 4c 02 cd 13 ea 00 7c 00 00 eb fe 00 00 00 00 00 |L.....|.........| 00000050 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 80 01 00 00 00 |................| 00000060 00 00 00 00 ff fa 90 90 f6 c2 80 74 05 f6 c2 70 |...........t...p| 00000070 74 02 b2 80 ea 79 7c 00 00 31 c0 8e d8 8e d0 bc |t....y|..1......| 00000080 00 20 fb a0 64 7c 3c ff 74 02 88 c2 52 bb 17 04 |. ..d|<.t...R...| 00000090 f6 07 03 74 06 be 88 7d e8 17 01 be 05 7c b4 41 |...t...}.....|.A| 000000a0 bb aa 55 cd 13 5a 52 72 3d 81 fb 55 aa 75 37 83 |..U..ZRr=..U.u7.| 000000b0 e1 01 74 32 31 c0 89 44 04 40 88 44 ff 89 44 02 |..t21..D.@.D..D.| 000000c0 c7 04 10 00 66 8b 1e 5c 7c 66 89 5c 08 66 8b 1e |....f..\|f.\.f..| 000000d0 60 7c 66 89 5c 0c c7 44 06 00 70 b4 42 cd 13 72 |`|f.\..D..p.B..r| 000000e0 05 bb 00 70 eb 76 b4 08 cd 13 73 0d 5a 84 d2 0f |...p.v....s.Z...| 000000f0 83 d0 00 be 93 7d e9 82 00 66 0f b6 c6 88 64 ff |.....}...f....d.| 00000100 40 66 89 44 04 0f b6 d1 c1 e2 02 88 e8 88 f4 40 |@f.D...........@| 00000110 89 44 08 0f b6 c2 c0 e8 02 66 89 04 66 a1 60 7c |.D.......f..f.`|| 00000120 66 09 c0 75 4e 66 a1 5c 7c 66 31 d2 66 f7 34 88 |f..uNf.\|f1.f.4.| 00000130 d1 31 d2 66 f7 74 04 3b 44 08 7d 37 fe c1 88 c5 |.1.f.t.;D.}7....| 00000140 30 c0 c1 e8 02 08 c1 88 d0 5a 88 c6 bb 00 70 8e |0........Z....p.| 00000150 c3 31 db b8 01 02 cd 13 72 1e 8c c3 60 1e b9 00 |.1......r...`...| 00000160 01 8e db 31 f6 bf 00 80 8e c6 fc f3 a5 1f 61 ff |...1..........a.| 00000170 26 5a 7c be 8e 7d eb 03 be 9d 7d e8 34 00 be a2 |&Z|..}....}.4...| 00000180 7d e8 2e 00 cd 18 eb fe 47 52 55 42 20 00 47 65 |}.......GRUB .Ge| 00000190 6f 6d 00 48 61 72 64 20 44 69 73 6b 00 52 65 61 |om.Hard Disk.Rea| 000001a0 64 00 20 45 72 72 6f 72 0d 0a 00 bb 01 00 b4 0e |d. Error........| 000001b0 cd 10 ac 3c 00 75 f4 c3 c2 70 0e 00 00 00 80 20 |...<.u...p..... | 000001c0 21 00 83 1a 3b 1f 00 08 00 00 00 98 07 00 00 3b |!...;..........;| 000001d0 1b 1f 05 fe ff ff fe a7 07 00 02 50 f8 04 00 00 |...........P....| 000001e0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |................| 000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa |..............U.| 00000200
ダンプ結果から、作成したbootloader同様、末尾にシグネチャ\x55\xaaが置かれていることが確認できる。
