Multiboot规范

一个启动载入器/OS映像接口主要是三个方面：

1          由启动载入器看到的一个OS映像的格式。

2          当启动载入器启动一个操作系统时，机器的状态。

3          由启动载入器传递给操作系统的信息的格式。

3.1.      OS映像的格式

一个OS映像可能是一个，对于这个特定的操作系统而言，标准格式的普通32位可执行文件，除了它可能被链到一个非缺省的载入地址，以避免载入到PC的I/O区域的顶部或其它的保留区域，同样它不应该使用共享库或其它花哨的特性。

一个OS映像，除了该OS映像所使用文件格式的头部外，必须包含一个称为Multiboot头的额外的头部。Multiboot头部必须被完整包含 在OS映像的前8192字节内，而必须与长字（32位）对齐。一般而言，它应该尽早出现，并可能嵌入在可执行文件头部后，代码段的开头。

3.1.1.        Multiboot头的布局

Multiboot头的布局必须如下：

偏移 类型              域名                     注意

0            u32              magic                  要求

4            u32              lags                     要求

8            u32              checksum            要求

12          u32              header_addr               如果设置了flags[16]

16          u32              load_addr            如果设置了flags[16]

20          u32              load_end_addr           如果设置了flags[16]

24          u32              bss_end_addr             如果设置了flags[16]

28          u32              entry_addr          如果设置了flags[16]

32          u32              mode_type          如果设置了flags[2]

36          u32              width                   如果设置了flags[2]

40          u32              height                  如果设置了flags[2]

44          u32              depth                   如果设置了flags[2]

域‘magic’，‘flags’及‘checksum’定义在3.1.2节【头部魔数域】，4页，域 ‘header_addr’，‘load_addr’，‘load_end_addr’，‘bss_end_addr’及‘entry_addr’定义在 3.1.3节【头部地址域】，5页，而域‘mode_type’，‘width’，‘height’及 ‘depth’定义在3.1.4节【头部图形化域】，5页。

3.1.2.        Multiboot头部的魔数域

‘magic’ 域‘magic’是标识这个头的魔数，它必须是十六进制数0x1BADB002。

‘flags’   域‘flags’指定OS映像所要求的特性，或对启动载入器的要求。0-15位显示要求；如果启动载入器看到这些比特中有比特被设置，但不能理解这个标 志，或出于某些原因不能满足其代表的要求，它必须通知用户，并且这个OS映像载入失败。16-31位显示可选的特性；如果这个区域内有比特被设置，但启动 载入器不能理解，它可能只是忽略它们，并如常处理。理所当然，所有‘flags’中尚未定义的比特，必须在OS映像中设置为0。这样，‘flags’域， 除了选择简单特性外，还可用于版本控制。

如果‘flags’字中的第0位被设置，那么所有与操作系统一起载入的启动模块必须在页（4KB）边界上对齐。某些操作系统在启动期间，能够直接把包含启动模块的页面映射到一个页对齐的地址，因此要求启动模块页对齐。

如果‘flags’字中的第1位被设置，那么可用内存的信息，至少是Multiboot 消息结构（参考3.3节【启动信息格式】，7页）的 ‘mem_*’ 域，被包括。 如果启动载入器能够传递一个内存映射图（‘mmap_*’域），而且这样的域存在，它也可能被包括。

如果‘flags’字中的第2位被设置，关于视频模式表（参考3.3节【启动信息格式】，7页）的信息必须对内核可用。如果‘flags’字中的第 6位被设置，那么在Multiboot头偏移为12-28处的域有效，启动载入器应该使用它们，而不是在实际可执行头中的域，来计算何处载入OS映像。如 果内核映像是elf格式，这个信息不需要提供，但如果内核是a.out格式或其它格式，则必须提供。兼容的启动载入器必须能载入elf格式的映像，或在 Multiboot头中嵌入载入地址信息的映像；它们可能也直接支持其它可执行格式，比如特定的a.out变体，不过这不要求。

‘checksum’

域‘checksum’是一个32位无符号值，当加上其它魔数域（即，‘magic’及‘flags’）时，其和必须是无符号32位数0。

3.1.3.        Multiboot头的地址域

所有被flag第16位激活的地址域都是物理地址。每个的含义如下：

header_addr

包含对应于Multiboot头开始的地址——magic值被期望载入的物理内存位置。这个域用于同步OS映像偏移与物理内存地址间的映射。

load_addr

包含代码段开头的物理地址。在OS映像中，开始载入的偏移，由Multiboot头部所在偏移减去（header_addr – load_addr）来定义。Load_addr必须小于等于header_addr。

load_end_addr

包含数据段末尾的物理地址。（load_end_addr – load_addr）指出了要载入多少数据。这暗示在OS映像中代码段及数据段必须连续；对于现存的a.out可执行格式，这是成立的。如果这个域是0， 启动载入器就假定代码段与数据段占据了整个OS映像文件。

bss_end_addr

包含bss段末尾的物理地址。启动载入器初始化这个区域为0，并保留它所占据的内存，以避免在这个区域放入启动模块及与操作系统相关的其它数据。如果这个域是0，启动载入器就假定bss段没有出现。

entry_addr

为了开始运行操作系统，启动载入器应该跳转到的物理地址。

3.1.4.        Multiboot头的图形化域

所有的图形化域被flag的第2位所激活。它们指定了首选的图形化模式。注意到这仅是OS映像的一个建议的模式。如果该模式存在，当用户没有显式指定一个模式时，启动载入器应该设置它。否则，如果可能，启动载入器应该进入一个类似的模式。

每个域的含义如下：

mode_type

对于线性图形模式，包含‘0’，或‘1’对于EGA-标准文本模式。余下为未来扩展保留。注意到启动载入器可能设置一个文本模式，即便这个域包含‘0’。

width         包含列的个数。在一个图形化模式中，这以像素为单位，在一个文本模式中，以字符为单位。值0表示OS映像没有偏好。

height         包含行的个数。在一个图形化模式中，这以像素为单位，在一个文本模式中，以字符为单位。值0表示OS映像没有偏好。

depth         包含，在一个图形化模式下，每个像素的比特数；而在一个文本模式中，这为0。值0表示OS映像没有偏好。

3.2.      机器状态

当启动载入器调用32位操作系统时，机器必须具有如下状态：

‘EAX’   必须包含魔数‘0x2BADB002’；这个值的出现，向操作系统表示，它由一个Multiboot兼容的启动载入器载入（即，相对于可以载入该操作系统的，其它类型启动载入器）。

‘EBX’   必须包含由启动载入器提供的，Multiboot信息结构的32位物理地址（参考3.3节【启动信息格式】，7页）。

‘CS          必须是一个偏移为‘0’，限长为‘0xFFFFFFFF’的32位读/执行代码段。具体值没有定义。

‘DS’

‘ES’

‘FS’

‘GS’

‘SS’       必须是一个偏移为‘0’，限长为‘0xFFFFFFFF’的32位读/写数据段。具体值没有定义。

‘A20 gate’必须激活。

‘CR0’    第31位（PG）必须被清除。第0位（PE）必须被设置。其它位未定义。

‘EFLAGS’

第17位（VM）必须被清除。第9位（IF）必须被清除。其它位未定义。

所有其它处理器寄存器及标记位都未定义。这包括，特别是：

‘ESP’    一旦需要，OS映像必须构建自己的栈。

‘GDTR’    即便段寄存器如上所示那样设置，‘GDTR’可能是无效的，因此OS映像必须不加载任何段寄存器（就算只是重载相同的值！），直到它设立自己的‘GDT’。

‘IDTR’  OS映像必须保持禁止中断，直到它设立自己的IDT。

然而，在正常的工作次序中，启动载入器不应该改动其它机器状态，即，如BIOS初始化的那样（或DOS，如果那是启动载入器运行的地方）。换而言 之，操作系统在载入后，应该能够进行诸如BIOS调用的操作，只要在这样做之前，它不改写BIOS数据结构。同样，启动载入器必须不改动以正常 BIOS/DOS值编写的PIC，即便在切换到32位模式过程中，它改变了它们。

3.3.      启动信息格式

进入到操作系统，EBX寄存器包含Multiboot信息数据结构的物理地址，通过它，启动载入器向操作系统传递重要信息。操作系统可以使用或忽略，所选择的该结构体的任意部分；由启动载入器传入的所有信息仅供参考。

Multiboot信息结构体及其相关的子结构体，可能被启动载入器放在内存的任一处（当然，为内核及启动模块所保留的内存是例外）。避免改写这个内存，直到它没有使用价值，这是操作系统的责任。

Multiboot信息结构（就目前的定义）的格式如下：

            +----------------------+

0           | flags                      | （要求）

            +----------------------+

4           | mem_lower           | （如果设置了flags[0]，出现）

8           | mem_upper           | （如果设置了flags[0]，出现）

            +----------------------+

12         | boot_device          |（如果设置了flags[1]，出现）

            +----------------------+

16         | cmdline                 | （如果设置了flags[2]，出现）

            +----------------------+

20         | mods_count          |（如果设置了flags[3]，出现）

24         | mods_addr            | （如果设置了flags[3]，出现）

            +----------------------+

28 - 40 | syms                      | （如果设置了flags[4]或flags[5]，出现）

            +----------------------+

44         | mmap_length       |（如果设置了flags[6]，出现）

48         | mmap_addr          |（如果设置了flags[6]，出现）

            +----------------------+

52         | drives_length        |（如果设置了flags[7]，出现）

56         | drives_addr           |（如果设置了flags[7]，出现）

            +----------------------+

60         | config_table          |（如果设置了flags[8]，出现）

            +----------------------+

64         | boot_loader_name|（如果设置了flags[9]，出现）

            +----------------------+

68         | apm_table             |（如果设置了flags[10]，出现）

            +----------------------+

72         | vbe_control_info  |（如果设置了flags[11]，出现）

76         | vbe_mode_info     |

80         | vbe_mode             |

82         | vbe_interface_seg |

84         | vbe_interface_off |

86         | vbe_interface_len |

      +----------------------+

第一个长字显示在Multiboot信息结构体中其它域存在及有效性。所有尚未定义的比特位必须由启动载入器设为0。操作系统不能理解的任意比特组应该被忽略。这样，域‘flags’还起到版本指示器的作用，允许Multiboot信息结构体在将来进行无损害的扩展。

如果在‘flags’中设置了第0位，那么域‘mem_*’是有效的。‘mem_lower’及‘mem_upper’分别表示低位内存和高位内存 的数量，以KB（kilobyte）为单位。低位内存从地址0开始，而高位内存从地址1M开始。低位内存最大的可能值是640KB。为高位内存所返回的值 最大是第一个高位内存空洞的地址减去1M。但不保证就是这个值。

如果在‘flags’中设置了第1位，那么域‘boot_device’是有效的，并显示从哪个BIOS硬盘设备上启动载入器载入OS映像。如果 OS映像不从一个BIOS硬盘上载入，那么这个域必须不出现（第3位必须被清除）。操作系统可能使用这个域作为确定其自己根设备的一个暗示，但它不要求这 样做。域‘boot_device’在4个1字节子域中布置如下：

+-------+-------+-------+-------+

 | part3  | part2 | part1  | drive |

+-------+-------+-------+-------+

第一个字节包含BIOS设备号，它可被BIOS的INT 0x13底层接口所理解：即，0x00对应软盘，0x80对应第一个硬盘。

余下3个字节指定了启动分区。‘part1’指定最上层的分区号，‘part2’指出在最上层分区的一个子分区等。分区号总是从0开始。没有设置的 分区字节必须被设置为0xFF。例如，如果硬盘使用单层DOS分区规划，那么‘part1’包含DOS分区号，而‘part2’及 ‘part3’都是0xFF。另一个例子，如果一个硬盘首先划分为DOS分区，然后其中一个DOS分区被进一步使用BSD硬盘标签（disklabel） 策略划分为几个BSD分区，那么‘part1’包含这个DOS分区号，‘part2’包含在这个DOS分区中的BSD子分区，而‘part3’是 0xFF。

DOS扩展分区由从4开始的分区号表示，而不是作为嵌套子分区，即便扩展分区所立足的硬盘布局本质上是分层的。例如，如果启动载入器从，一个以传统DOS形式分区的硬盘的第二个扩展分区启动，那么‘part1’将是5，而‘part2’及‘part3’都将是0xFF。

如果在‘flags’中设置了第2位，域‘cmdline’是有效的，它包含了要传递给内核的命令行的物理地址。这个命令行是一个普通C样式的，以0结尾的字符串。

如果在‘flags’中设置了第3位，那么域‘mods’向内核显示，什么启动模块会伴随内核映像载入，以及可以在何处找到它们。 ‘mods_count’包含了载入模块的个数；‘mods_addr’包含了第一个模块结构的物理地址。‘mods_count’可能是0，表示不载入 启动模块，就是设置了‘flags’的第一位比特。每个模块结构体的格式如下：

    +-------------------+

0   | mod_start          |

4   | mod_end           |

    +-------------------+

8   | string                 |

    +-------------------+

12 | reserved (0)       |

    +-------------------+

头两个域包含了启动模块本身开头与结尾的地址。域‘string’提供了一个任意的字符串来关联这个特定的启动模块；它是一个0结尾的ASCII字 符串，就像内核命令行。域‘string’可能是0，如果没有字符串可关联这个模块。通常，这个字符串可能是一个命令行（比如，如果操作系统把启动模块处 理作可执行程序），或一个路径名（比如，如果操作系统把启动模块处理作在一个文件系统中的文件），不过它确切的使用，取决于操作系统。域 ‘reserved’必须被启动载入器设置为0，并且为操作系统所忽略。

警告：第4与第5比特位是互斥的。

如果在‘flags’中设置了第4位，那么在Multiboot信息结构体中，从第28个字节开始的以下域是有效的：

    +-------------------+

28 | tabsize              |

32 | strsize               |

36 | addr                  |

40 | reserved (0)      |

    +-------------------+

这些域表示何处可以找到，来自一个a.out内核映像的符号表。‘addr’是一个a.out格式的nlist结构体数组大小（4字节无符号长整 形）的物理地址，其后紧跟着这个数组本身，然后是一组以0结尾的ASCII字符串的大小（4字节无符号长整形，并加上sizeof(unsigned long)），最后是这组字符串本身。‘tabsize’是符号表大小的参数（在符号段开头找到），而‘strsize’是随后的符号表所引用的字符串表 大小的参数（在字符串段开头找到）。注意到‘tabsize’可能是0，表示没有符号，即便设置了‘flags’中的第4位。

如果在‘flags’中设置了第5位，那么在Multiboot信息结构体中，从第28个字节开始的以下域是有效的：

   +-------------------+

28 | num                  |

32 | size                   |

36 | addr                  |

40 | shndx                |

    +-------------------+

这些域表示何处是来自一个ELF内核的段头表（section header table），每个项的大小，项的个数，及用作名字索引的字符串表。它们对应于在可执行及可链接格式（ELF）规范的程序头（program header）中的‘shdr_*’项（‘shdr_num’，等）。所有的段被载入，然后ELF段头的物理地址域指向内存中的段（如何读出段头的细节， 参考i386 ELF 文档）。注意到‘shdr_num’可能是0，表示没有符号，即便设置了‘flags’中的第5位。

如果在‘flags’中设置了第5位，那么域‘mmap_*’是有效的，表示包含由BIOS提供的一个机器内存映射的缓存的地址及长度。其 中，‘mmap_addr’是这个地址，而‘mmap_length’是这个缓存的总体大小。这个缓存由以下一个或多个size/structure对组 成（‘size’实际上用于跳到下一对）：

   +-------------------+

-4 | size                   |

    +------------------+

0   | base_addr         |

8   | length               |

16 | type                  |

    +-------------------+

其中‘size’是关联结构体的字节大小，它至少是20。‘base_addr’是起始地址。‘length’是该内存区域的字节大小。‘type’是所代表的地址区域的种类，其中值1表示为可用的ram，而当前其它值表示一个保留区域。

该映射保证列出所有可以正常使用的标准ram。

如果在‘flags’中设置了第7位，那么域‘drives_*’是有效的，表示第一个drive结构体的物理地址，及drive结构体的大小。 ‘drives_addr’是这个地址，而‘drives_length’是drive结构体的总大小。注意到‘drives_length’可以是0。 每个drive结构体的格式如下：

           +-------------------+

0          | size                    |

           +-------------------+

4          | drive_number    |

           +-------------------+

5          | drive_mode       |

           +-------------------+

6          | drive_cylinders |

8          | drive_heads       |

9          |drive_sectors     |

           +--------------------+

10 - xx | drive_ports        |

           +--------------------+

域‘size’指定这个结构体的大小。这个大小，依赖于端口的数目，是可变的。注意到因为对齐的原因，这个大小可能不等于（10 + 2 * 端口的数目）。

域‘drive_number’包含了BIOS设备号。域‘drive_mode’代表由启动载入器使用的访问模式。当前，以下模式被定义：

‘0’ CHS 模式（传统的柱面/头/扇区（cylinder/head/sector）取址模式）。

‘1’ LBA 模式（逻辑块取址模式（Logical Block Addressing mode））。

‘drive_cylinders’，‘drive_heads’及‘drive_sectors’这三个域表示由BIOS检测出来的驱动的几何数 据。‘drive_cylinders’包含柱面数目。‘drive_heads’包含柱头个数。‘drive_sectors’包含每个磁道的扇区数。

域‘drive_ports’包含在BIOS代码中使用的I/O端口数组。这个数组由0个或以上的无符号2字节整数构成，以0结尾。注意到这个数组可能包含任意数目的，不与该驱动真正相关的I/O端口 （比如DMA控制器端口）。

如果在‘flags’中设置了第8位，那么域‘config_table’是有效的，它表示由GET CONFIGURATION BIOS调用返回的rom配置表的地址。如果这个BIOS调用失败，这个表的大小必须为0。

如果在‘flags’中设置了第9位，域‘boot_loader_name’是有效的，它包含了一个启动该内核的启动载入器名字的地址。这个名字是一个普通C-样式以0结尾的字符串。

如果在‘flags’中设置了第10位，域‘apm_table’是有效的，它包含了一个定义如下的APM表的物理地址：

    +----------------------+

0   | version                 |

2   | cseg                      |

4   | offset                    |

8   | cseg_16                |

10 | dseg                      |

12 | flags                     |

14 | cseg_len               |

16 | cseg_16_len         |

18 | dseg_len               |

    +----------------------+

域 ‘version’，‘cseg’，‘offset’，‘cseg_16’，‘dseg’，‘flags’，‘cseg_len’，‘cseg_16_len’，‘dseg_len’ 分别表示版本号，32位保护模式代码段，入口点的偏移，16位保护模式代码段，16位保护模式数据段，flags，32位保护模式代码段的长度，16位保 护模式代码段的长度，16位保护模式数据段的长度。只有域‘offset’是4个字节，其它的都是2个字节。更多信息，参考先进电源管理 （APM）BIOS接口规范。 

如果在‘flags’中设置了第11位，表示图形化表可用。如果内核已经在‘Multiboot Header’中表示，它接受一个图形模式，它才能被设置。

域‘vbe_control_info’及‘vbe_mode_info’分别包含了由VBE Function 00h返回的VNE控制信息的物理地址，及由VBE Function 01h返回的VBE模式信息。

域‘vbe_mode’表示在VBE 3.0中所规定格式中的当前视频模式。

余下的域‘vbe_interface_seg’，‘vbe_interface_off’，及‘vbe_interface_len’包含了定义 在VBE 2.0+中的一个保护模式接口表。如果这个信息不可用，这些域包含0。注意VBE 3.0定义了另一个保护模式接口，它与旧的不兼容。如果你希望使用新的保护模式接口，你将不得不自己查找这个表。

用于图形化表的域是为VBE设计的，但Multiboot启动载入器可能在非-VBE模式上模拟 VBE，仿佛它们就是VBE 模式。