Update Intel architecture guide references to latest.
[pintos-anon] / src / threads / loader.S
index f2563bb149af8b64c46a07473b3ec1d80906cd1c..2d76763cffc3dcdc2aa339404bfb674360e22ae1 100644 (file)
-#include "mmu.h"
+/* This file is derived from source code used in MIT's 6.828
+   course.  The original copyright notice is reproduced in full
+   below. */
+
+/*
+ * Copyright (C) 1997 Massachusetts Institute of Technology 
+ *
+ * This software is being provided by the copyright holders under the
+ * following license. By obtaining, using and/or copying this software,
+ * you agree that you have read, understood, and will comply with the
+ * following terms and conditions:
+ *
+ * Permission to use, copy, modify, distribute, and sell this software
+ * and its documentation for any purpose and without fee or royalty is
+ * hereby granted, provided that the full text of this NOTICE appears on
+ * ALL copies of the software and documentation or portions thereof,
+ * including modifications, that you make.
+ *
+ * THIS SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS," AND COPYRIGHT HOLDERS MAKE NO
+ * REPRESENTATIONS OR WARRANTIES, EXPRESS OR IMPLIED. BY WAY OF EXAMPLE,
+ * BUT NOT LIMITATION, COPYRIGHT HOLDERS MAKE NO REPRESENTATIONS OR
+ * WARRANTIES OF MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR ANY PARTICULAR PURPOSE OR
+ * THAT THE USE OF THE SOFTWARE OR DOCUMENTATION WILL NOT INFRINGE ANY
+ * THIRD PARTY PATENTS, COPYRIGHTS, TRADEMARKS OR OTHER RIGHTS. COPYRIGHT
+ * HOLDERS WILL BEAR NO LIABILITY FOR ANY USE OF THIS SOFTWARE OR
+ * DOCUMENTATION.
+ *
+ * The name and trademarks of copyright holders may NOT be used in
+ * advertising or publicity pertaining to the software without specific,
+ * written prior permission. Title to copyright in this software and any
+ * associated documentation will at all times remain with copyright
+ * holders. See the file AUTHORS which should have accompanied this software
+ * for a list of all copyright holders.
+ *
+ * This file may be derived from previously copyrighted software. This
+ * copyright applies only to those changes made by the copyright
+ * holders listed in the AUTHORS file. The rest of this file is covered by
+ * the copyright notices, if any, listed below.
+ */
+
+#include "threads/loader.h"
        
-###################################################################################
-# ENTRY POINT  
-#   This code should be stored in the first sector of the hard disk.  When the  
-#   BIOS runs, it loads this code at physical address 0x7c00 - 0x7e00 (512 bytes).
-#   Then jumps to the beginning of it, in real-mode (BIOS runs in real mode).  
-#      
-# This code switches into protected mode (32-bit mode) so that all of
-# memory can accessed, then calls into C.
-###################################################################################
+#### Kernel loader.
+
+#### This code should be stored in the first sector of the hard disk.
+#### When the BIOS runs, it loads this code at physical address
+#### 0x7c00-0x7e00 (512 bytes).  Then it jumps to the beginning of it,
+#### in real mode.  This code switches into protected mode (32-bit
+#### mode) so that all of memory can accessed, loads the kernel into
+#### memory, and jumps to the first byte of the kernel, where start.S
+#### is linked.
        
-.globl start                           # Entry point   
-start: .code16                         # This runs in real mode
-       cli                             # Disable interrupts
-       cld                             # String ops inc
-       xorw %ax,%ax                    # Zero
-       movw %ax,%es                    # Address
-       movw %ax,%ds                    #  data
-       movw %ax,%ss                    # Set up
-       movw $start,%sp                 #  stack (grows down)
+/* Flags in control register 0. */
+#define CR0_PE 0x00000001      /* Protection Enable. */
+#define CR0_EM 0x00000004      /* (Floating-point) Emulation. */
+#define CR0_PG 0x80000000      /* Paging. */
+#define CR0_WP 0x00010000      /* Write-Protect enable in kernel mode. */
+
+# Code runs in real mode, which is a 16-bit segment.
+
+.globl start
+start:
+       .code16
+
+# Disable interrupts.
+# String instructions go upward.
+
+       cli
+       cld
+
+# Set up data segments.
+
+       subw %ax, %ax
+       movw %ax, %es
+       movw %ax, %ds
+
+# Set up stack segment.
+# Stack grows downward starting from us.
+# We don't ever use the stack, but we call into the BIOS,
+# which might.
+
+       movw %ax, %ss
+       movw $0x7c00, %sp
        
-#### Enable A20:
-####   Address line 20 is tied to low when the machine boots, 
-####   obviously this a bit of a drag, such as when trying to
-####   address memory above 1MB.  This code undoes this.
+#### Enable A20.  Address line 20 is tied to low when the machine
+#### boots, which prevents addressing memory about 1 MB.  This code
+#### fixes it.
        
-1:     inb $0x64,%al           # Get status
-       testb $0x2,%al          # Busy?
-       jnz 1b                  # Yes
-       movb $0xd1,%al          # Command: Write
-       outb %al,$0x64          #  output port
-2:     inb $0x64,%al           # Get status
-       testb $0x2,%al          # Busy?
-       jnz 2b                  # Yes
-       movb $0xdf,%al          # Enable
-       outb %al,$0x60          #  A20
-
-#### Get memory size, via interrupt 15h function 88h.
-#### Returns CF clear if successful, with AX = (kB of physical memory) - 1024.
-#### This only works for memory sizes <= 65 MB, which should be fine for our purposes.
+# Poll status register while busy.
+
+1:     inb $0x64, %al
+       testb $0x2, %al
+       jnz 1b
+
+# Send command for writing output port.
+
+       movb $0xd1, %al
+       outb %al, $0x64
+
+# Poll status register while busy.
+
+1:     inb $0x64, %al
+       testb $0x2, %al
+       jnz 1b
+
+# Enable A20 line.
+
+       movb $0xdf, %al
+       outb %al, $0x60
+
+#### Get memory size, via interrupt 15h function 88h.  Returns CF
+#### clear if successful, with AX = (kB of physical memory) - 1024.
+#### This only works for memory sizes <= 65 MB, which should be fine
+#### for our purposes.  We cap memory at 64 MB because that's all we
+#### prepare page tables for, below.
+       
+       movb $0x88, %ah
+       int $0x15
+       jc panic
+       cli                     # BIOS might have enabled interrupts
+       addl $1024, %eax        # Total kB memory
+       cmp $0x10000, %eax      # Cap at 64 MB
+       jbe 1f
+       mov $0x10000, %eax
+1:     shrl $2, %eax           # Total 4 kB pages
+       movl %eax, ram_pgs
+       
+#### Create temporary page directory and page table and set page
+#### directory base register.
+
+# Create page directory at 64 kB and fill with zeroes.
+       mov $0x1000, %ax
+       mov %ax, %es
+       subl %eax, %eax
+       subl %edi, %edi
+       movl $0x400, %ecx
+       rep stosl
+
+# Add PDEs to point to PTEs for the first 64 MB of RAM.
+# Also add identical PDEs starting at LOADER_PHYS_BASE.
+# See [IA32-v3a] section 3.7.6 "Page-Directory and Page-Table Entries"
+# for a description of the bits in %eax.
+       
+
+       movl $0x11007, %eax
+       movl $0x11, %ecx
+       subl %edi, %edi
+1:     movl %eax, %es:(%di)
+       movl %eax, %es:LOADER_PHYS_BASE >> 20(%di)
+       addw $4, %di
+       addl $0x1000, %eax
+       loop 1b
+
+# Set up one-to-map linear to physical map for the first 64 MB of RAM.
+# See [IA32-v3a] section 3.7.6 "Page-Directory and Page-Table Entries"
+# for a description of the bits in %eax.
+
+       movw $0x1100, %ax
+       movw %ax, %es
+       movl $0x7, %eax
+       movl $0x4000, %ecx
+       subl %edi, %edi
+1:     movl %eax, %es:(%di)
+       addw $4, %di
+       addl $0x1000, %eax
+       loop 1b
+
+# Set page directory base register.
+
+       movl $0x10000, %eax
+       movl %eax, %cr3
        
-       movb    $0x88,%ah
-       int     $0x15
-       jc      panic                   # Carry flag set on error
-       addl    $1024,%eax              # Total kB
-       shrl    $2,%eax                 # Total 4 kB pages
-       movl    %eax, ram_pages
+#### Switch to protected mode.
+
+# Note that interrupts are still off.
+
+# Point the GDTR to our GDT.  Protected mode requires a GDT.
+# We need a data32 prefix to ensure that all 32 bits of the GDT
+# descriptor are loaded (default is to load only 24 bits).
+
+       data32 lgdt gdtdesc
+
+# Then we turn on the following bits in CR0:
+#    PE (Protect Enable): this turns on protected mode.
+#    PG (Paging): turns on paging.
+#    WP (Write Protect): if unset, ring 0 code ignores
+#       write-protect bits in page tables (!).
+#    EM (Emulation): forces floating-point instructions to trap.
+#       We don't support floating point. 
        
-#### switch from real to protected mode        
-####     The segments in GDT allow all of physical memory to be accessed.
-####     Furthermore, the segments have base addresses of 0, so that the
-####     segment translation is a NOP, ie. virtual addresses are identical to
-####     their physical addresses.  With this setup, it appears to this code
-####     that it is running directly on physical memory.
+       movl %cr0, %eax
+       orl $CR0_PE | CR0_PG | CR0_WP | CR0_EM, %eax
+       movl %eax, %cr0
        
-       cli                     # Mandatory since we dont set up an IDT
-       lgdt gdtdesc            # load GDT -- mandatory in protected mode
-       movl %cr0, %eax         # turn on protected mode
-       orl $CR0_PE, %eax       # 
-       movl %eax, %cr0         # 
-       ### CPU magic: jump to relocation, flush prefetch queue, and reload %cs
-       ### Has the effect of just jmp to the next instruction, but simultaneous
-       ### loads CS with $PROT_MODE_CSEG.
-       ljmp $SEL_KCSEG, $protcseg
+# We're now in protected mode in a 16-bit segment.  The CPU still has
+# the real-mode code segment cached in %cs's segment descriptor.  We
+# need to reload %cs, and the easiest way is to use a far jump.
+# Because we're not in a 32-bit segment the data32 prefix is needed to
+# jump to a 32-bit offset.
+
+       data32 ljmp $SEL_KCSEG, $1f + LOADER_PHYS_BASE
        
-#### We are in protected mode in a 32-bit segment (hence the .code32)
-protcseg:
+# We're now in protected mode in a 32-bit segment.
+
        .code32
-       movw $SEL_KDSEG, %ax    # set up data segment registers
+
+# Reload all the other segment registers and the stack pointer to
+# point into our new GDT.
+
+1:     movw $SEL_KDSEG, %ax
        movw %ax, %ds           
        movw %ax, %es           
        movw %ax, %fs           
        movw %ax, %gs           
        movw %ax, %ss
+       movl $LOADER_PHYS_BASE + 0x30000, %esp
 
-#### Load kernel at 1 MB by frobbing the IDE controller directly.
+#### Load kernel starting at physical address LOADER_KERN_BASE by
+#### frobbing the IDE controller directly.
 
        movl $1, %ebx
-       movl $0x100000, %edi
-read_sector:           
+       movl $LOADER_KERN_BASE + LOADER_PHYS_BASE, %edi
+read_sector:
+
+# Poll status register while controller busy.
+
        movl $0x1f7, %edx
 1:     inb %dx, %al
        testb $0x80, %al
        jnz 1b
-       
+
+# Read a single sector.
+
        movl $0x1f2, %edx
        movb $1, %al
        outb %al, %dx
 
+# Sector number to write in low 28 bits.
+# LBA mode, device 0 in top 4 bits.
+
        movl %ebx, %eax
        andl $0x0fffffff, %eax
        orl $0xe0000000, %eax
 
+# Dump %eax to ports 0x1f3...0x1f6.
+
        movl $4, %ecx
-2:     incl %edx
+1:     incw %dx
        outb %al, %dx
        shrl $8, %eax
-       loop 2b
+       loop 1b
+
+# READ command to command register.
 
        incw %dx
        movb $0x20, %al
        outb %al, %dx
-       
+
+# Poll status register while controller busy.
+
 1:     inb %dx, %al
        testb $0x80, %al
        jnz 1b
 
-       movl $512 / 4, %ecx
+# Poll status register until data ready.
+
+1:     inb %dx, %al
+       testb $0x08, %al
+       jz 1b
+
+# Transfer sector.
+
+       movl $256, %ecx
        movl $0x1f0, %edx
-       rep insl
+       rep insw
+
+# Next sector.
 
        incl %ebx
        cmpl $KERNEL_LOAD_PAGES*8 + 1, %ebx
        jnz read_sector
 
-##### Create temporary PDE and PTE and set page directory pointer
-##### FIXME? We could use a single 4 MB page instead of 1024 4 kB pages.
-
-       movl $0x10000, %edi
-       movl %edi, %cr3
-       subl %eax, %eax
-       movl $0x400, %ecx
-       rep stosl
-       movl $0x11000 | PG_U | PG_W | PG_P, %eax
-       movl %eax, 0x10000
-       movl %eax, 0x10c00
-       movl $PG_U | PG_W | PG_P, %eax
-       movl $0x400, %ecx
-1:     stosl
-       addl $0x1000, %eax
-       loop 1b
-
-##### Enable paging.
-
-       movl %cr0, %eax
-       orl $CR0_PG, %eax
-       movl %eax, %cr0
-       jmp 1f
-1:
-       
-##### Jump to kernel entry point.
+#### Jump to kernel entry point.
 
-       movl $0xc0007c00, %esp
-       movl $0xc0100000, %eax
-       jmp *%eax
+       movl $LOADER_PHYS_BASE + LOADER_KERN_BASE, %eax
+       call *%eax
+       jmp panic
 
-##### GDT
+#### GDT
 
 gdt:
        .quad 0x0000000000000000        # null seg
@@ -154,16 +295,42 @@ gdt:
        
 gdtdesc:
        .word   0x17                    # sizeof (gdt) - 1
-       .long   gdt                     # address gdt
+       .long   gdt + LOADER_PHYS_BASE  # address gdt
+
+#### Fatal error.
+#### Print panic_message (with help from the BIOS) and spin.
+
+panic:  .code16                        # We only panic in real mode.
+       movw $panic_message, %si
+       movb $0xe, %ah
+       subb %bh, %bh
+1:     lodsb
+       test %al, %al
+2:     jz 2b                   # Spin.
+       int $0x10
+       jmp 1b
 
-##### Arrive here on error
-panic: jmp panic
+panic_message:
+       .ascii "Panic!"
+       .byte 0
+
+#### Physical memory size in 4 kB pages.
+#### This is initialized by the loader and read by the kernel.
+       .org LOADER_RAM_PGS - LOADER_BASE
+ram_pgs:
+       .long 0
 
-##### Memory size in 4 kB pages.
-       .org 0x200 - 8
-ram_pages:
+#### Command-line arguments and their count.
+#### This is written by the `pintos' utility and read by the kernel.
+#### The loader itself does not do anything with the command line.
+       .org LOADER_ARG_CNT - LOADER_BASE
+arg_cnt:
        .long 0
+       .org LOADER_ARGS - LOADER_BASE
+args:
+       .fill 0x80, 1, 0
 
-##### Boot-sector signature for BIOS inspection.
-       .org 0x200 - 2
+#### Boot-sector signature.
+#### The BIOS checks that this is set properly.
+       .org LOADER_SIG - LOADER_BASE
        .word 0xaa55