Unitat 2 · Arrencada

Administració i Manteniment de Sistemes i Aplicacions (AMSA)

Jordi Mateo Fornés

Objectius d’aprenentatge

Resultat d'Aprenentatge — En acabar aquesta sessió seràs capaç...

• Quin codi s’executa primer després del reset i com arriba la CPU fins al primer codi del sistema d’arrencada.
• Qui carrega el codi següent, on el carrega i com li transfereix el control fins arribar al bootloader.
• En què difereix el contracte entre el firmware i el primer codi que carrega en BIOS i en UEFI.
• Situar un símptoma d’arrencada (p. ex. No bootable device) en l’etapa on probablement ha fallat.

De CPU reset a bootloader

Què passa quan premem el botó d’engegada?

Concepte — Bootstrap

El sistema operatiu no pot carregar-se a si mateix. Algú l’ha de carregar primer.

CPU reset \[\Downarrow\] firmware \[\Downarrow\] bootloader \[\Downarrow\] kernel

La CPU després del reset: on comença?

Definició — Reset vector

Adreça on la CPU busca la primera instrucció després d’un reset. La fixa l’arquitectura (o la implementació), no el sistema operatiu.

x86, estat després del reset:

CS.selector = 0xF000
CS.base     = 0xFFFF0000
EIP         = 0x0000FFF0
──────────────────────────────────────
1a instrucció a base + EIP = 0xFFFFFFF0

Aquesta adreça la serveix el xip flash SPI que conté el firmware: el chipset el mapeja a l’espai d’adreces de la CPU. La primera instrucció sol ser un jmp al codi d’entrada del firmware.

La CPU no comença executant el kernel. Comença executant codi de firmware en una ubicació definida per l’arquitectura.

Firmware: el primer programari que controla la màquina

Dos contractes

El firmware no és el sistema operatiu: prepara la màquina i cedeix el control al primer codi que carrega.

Concepte — Dos contractes

BIOS i UEFI són dos models de firmware i d’interfície d’arrencada. Difereixen en:

• què carrega,
• on ho carrega,
• en quin estat deixa la CPU,
• quins serveis ofereix després.

Respondrem aquestes quatre preguntes primer per al BIOS (bloc B) i després per a UEFI (bloc C).

BIOS: carregar un sector

Definició — Boot sector

Primer sector (512 B, LBA 0) del dispositiu d’arrencada, acabat en la signatura 0x55 0xAA (bytes 510 i 511).

1. Llegeix el sector 0 (LBA 0) del dispositiu triat segons l’ordre d’arrencada.
2. Comprova la signatura 55 AA.
3. Carrega els 512 B a 0x7C00–0x7DFF.
4. Salta a 0x7C00: transfereix el control al codi carregat.

Load address = 0x7C00

0x7C00 és una convenció del BIOS de l’IBM PC, no una propietat de la CPU.

El problema dels 512 bytes

    ; ... codi del boot sector ...

    times 510 - ($-$$) db 0   ; omple fins al byte 510
    dw 0xaa55                 ; signatura: bytes 55 AA

• $ = posició actual,
• $$ = inici de la secció.
• dw 0xaa55 es guarda en little-endian: primer 55, després AA.

Error Comú — MBR ≠ els primers 512 bytes

En el model BIOS, el primer sector és el boot sector. Només quan el disc té taula de particions MBR, aquest sector és també l’MBR.

Mapa de memòria en mode real

Només tres adreces ens importen ara mateix:

• 0x7C00 → Stage 1 (on el carrega el BIOS)
• 0x8000 → Stage 2 (on el carregarem nosaltres)
• 0xA0000 → vídeo (no hi escriurem per error)

Concepte — Zona disponible

La regió entre el boot sector i l’EBDA és convencionalment disponible per al bootloader, subjecta a les regions reservades del sistema.

Mode real: segment:offset

Concepte — Adreça física

físic = segment × 16 + offset

0000:7C00  →  0x00000 + 0x7C00 = 0x07C00
07C0:0000  →  0x07C00 + 0x00000 = 0x07C00

Error Comú — El BIOS pot arribar-hi de dues maneres

Les dues formes apunten a la mateixa adreça física, però el BIOS no garanteix quina d’elles fa servir. Amb org 0x7c00, els salts absoluts pressuposen CS = 0.

Solució: un far jump que fixa CS:

    jmp 0x0000:start   ; CS = 0x0000
start:
    ; ... a partir d'aquí, CS = 0

Load address vs. link address

Reflexió — Pregunta a l'aula

Què passa si el programa assumeix 0x8000 però el firmware el carrega a 0x7C00?

Error Comú — Link address ≠ load address

Les referències absolutes (dades, salts far) apunten a un altre lloc. Els salts relatius segueixen funcionant, per això l’error pot ser subtil.

El programa s’ha de construir assumint l’adreça on serà carregat.

Què podem assumir quan el BIOS ens dona el control?

Concepte — Sabem

• ✓ el boot sector s’ha carregat a 0x7C00
• ✓ la CPU està en mode real (model BIOS)
• ✓ DL = número de la unitat d’arrencada (convenció)

Error Comú — No assumim

• ✗ un CS:IP concret (0000:7C00 o 07C0:0000)
• ✗ DS i ES correctes per al nostre programa
• ✗ SS/SP útils
• ✗ valors concrets als registres generals

La primera feina de Stage 1 és construir un entorn mínim conegut.

Inicialitzar l’entorn mínim

Stage 1: una feina molt concreta

Stage 1:

• inicialitza l’entorn mínim,
• pot utilitzar serveis del BIOS,
• localitza més codi,
• transfereix el control.

Concepte — Bootloader en dues etapes

512 B no són suficients per a controladors de sistemes de fitxers, menús, etc. Stage 1 només carrega la següent etapa, no el sistema operatiu.

LBA i adreça de memòria són coses diferents

LBA 2048 no és l’adreça 0x2048: és el sector número 2048 del disc (2048 × 512 B = 1 MiB).

Reflexió

0x7C00 és la convenció del BIOS i 0x8000 i LBA 2048 són una elecció nostra. El BIOS només carrega el sector 0.

El firmware encara ens ofereix serveis

INT 13h, AH = 0x42 — lectura de disc estesa (LBA):

dap:                   ; Disk Address Packet
    db 0x10, 0         ; mida (16 B), reservat
    dw 1               ; nombre de sectors
    dw 0x8000, 0x0000  ; destí: offset, segment
    dq 2048            ; LBA inicial (64 bits)

    mov  si, dap       ; DS:SI → DAP
    mov  dl, [boot_drive]
    mov  ah, 0x42
    int  0x13
    jc   disk_error    ; CF = 1 → error

INT 10h, AH = 0x0E — escriure un caràcter:

    mov  ah, 0x0e     ; teletype
    mov  al, 'A'      ; caràcter
    int  0x10

Stage 1 → Stage 2

Stage 1 carrega Stage 2 i li transfereix el control. Cada etapa s’assembla amb l’org de la seva adreça de càrrega: Stage 1 → 0x7C00, Stage 2 → 0x8000.

Diagnòstic: on s’ha trencat l’arrencada?

Error Comú — Són indicacions, no diagnòstics exactes

Un missatge apunta al punt on probablement ha fallat l’arrencada, però no determina una única etapa. Per exemple, No bootable device pot ser: (a) sense signatura 55 AA vàlida al sector 0, (b) ordre d’arrencada apuntant a un altre dispositiu, o (c) mode BIOS/UEFI incompatible amb el disc.

UEFI: un altre contracte

En el model BIOS que estudiem, el firmware carrega directament un sector. En UEFI, el firmware disposa d’una interfície de sistema de fitxers i pot carregar una aplicació EFI, que en x86-64 s’executa en long mode (64 bits).

UEFI: on és el bootloader?

• ESP: EFI System Partition, identificada per un GUID de tipus de partició.
• FAT: el sistema de fitxers que el firmware sap llegir.
• .EFI: executable en format PE/COFF.
• BOOTX64.EFI: ruta de fallback per a x86-64.

En Linux, l’ESP sol muntar-se a /boot/efi. Les entrades de NVRAM (Part 2) tenen prioritat sobre la ruta de fallback.

Una aplicació EFI és un executable

Concepte — Aplicació EFI = PE/COFF

Una aplicació EFI és un executable PE/COFF. El format conté la informació perquè el loader pugui carregar-la en memòria i aplicar relocacions quan calgui.

El firmware ofereix serveis: la SystemTable

El firmware ofereix serveis mitjançant una taula de punters, no interrupcions.

Dos contractes de boot

Mateix problema. Diferent contracte.

Resum

Resum — Les tres preguntes

• Quin codi s’executa primer i com hi arriba la CPU? El de firmware: la CPU comença a l’adreça de reset definida per l’arquitectura (x86: 0xFFFFFFF0), on el chipset mapeja el xip flash que el conté, no la RAM.
• Què, on i com?
  • BIOS: un boot sector de 512 B (signatura 55 AA) carregat a 0x7C00, en mode real, amb DL = unitat.
  • UEFI: una aplicació EFI (PE/COFF) llegida de l’ESP, carregada en una adreça triada pel firmware i cridada amb SystemTable.
• Què hem de recordar?
  • Load address ≠ link address.
  • LBA ≠ adreça de memòria.
  • Boot sector ≠ MBR.
  • Un missatge d’error és una indicació, no un diagnòstic exacte.