Lab 1:  Bootloader

Lernziele. 

• Einführung in die Assembler-Programmierung

• Einbetten von Assembler Befehlen in C-Programme

• Kennenlernen des Boot-Prozesses für PC

• Verwenden von BIOS-Funktionen (ähnlich zu Systems-Calls)

Aufgabe.

Einleitung:

In Zeiten ständig laufender bzw. sich im Standby befindlicher Geräte wie Smartphones, Laptops oder Server ist es fast schon selbstverständlich, dass diese permanent zur Verfügung stehen.

Aber alle Systeme haben gemeinsam, dass sie einmal hochgefahren werden müssen um überhaupt verfügbar zu sein. Das bedeutet der sog. "Bootprozess" ist ein essentieller Bestandteil eines Systems und Grundbaustein für dessen weitere Funktionalität.

Beim Bootprozess wird als erstes das Basic Input Output System (BIOS) von der Hauptplatine geladen und ausgeführt. Dieses testet mit einem Power-on Self-Test (POST), welche Hardware überhaupt verfügbar bzw. ansprechbar ist und initialisiert und konfiguriert diese. Danach soll das Betriebssystem geladen werden. Um dies zu ermöglichen stellen alle bootbaren Speichermedien einen speziellen Speicherbereich zur Verfügung, den sog. Master Boot Record (MBR). Dieser befindet sich im 1. Sektor des zu bootenden Speichermediums, umfasst 512 Byte und enthält u.a. ein Programm, welches als nächstes die volle Kontrolle über das System bekommt, den Bootloader.

Solch einen Bootloader sollen Sie in dieser Aufgabe implementieren.

Dies bietet Ihnen die Möglichkeit ein kleines Minibetriebssystem in 512 Byte zu implementieren. Mögliche Probleme die Sie dabei eventuell überwinden müssen sind der stark limitierte Speichervorrat und fehlende Programmbibliotheken, da diese in dieser frühen Phase des Bootvorgangs noch nicht geladen wurden.

Damit eventuell auftretende Programmierfehler nicht zu einer Beschädigung Ihres Systems führen, stellen wir Ihnen QEMU als virtuelle Maschine bereit. Mit dieser können Sie schnell und unkompliziert Ihren erstellten Bootloader laden und nach belieben testen.

Aufgabenstellung:

Schreiben Sie einen Bootloader für einen x86-PC mit folgender Funktionalität:

• Ausgabe der Zeichenkette "Hello!"

• Verdeckte Eingabe eines Strings (maximal 8 Zeichen), Ausgabe von Punkten statt Buchstaben

• Ausgabe der verdeckten Eingabe nach drücken der Enter-Taste

• Neustart des Systems (Reboot), wenn der Eingabe-String die Länge 0 hat

• Nach Ein-/Ausgabe einer nicht leeren Zeichenkette soll anschließend die nächste Zeichenkette eingelesen werden

Ausgabe des Bootloaders:

Erweitern Sie dazu die Vorlage lab-1.tar, welche einen lauffähigen Bootloader enthält. Die Vorlage enthält folgende Dateien:

• Makefile: Makefile zum bauen und starten

• linker.ld: Linkerfile zum Erstellen des Bootloaders

• os.c: Bootloader, welcher nach dem Starten in einer Endlosschleife läuft

Das Makefile enthält folgende Ziele:

• all: baut den Bootloader

• start: baut den Bootloader und startet ihn

• clean: löscht die Binärdateien

• pack: erstellt ein tar-file für die Abgabe über Goya

Die Datei os.c enthält einen einfachen Bootloader, welcher in einer Endlosschleife läuft. Sie müssen diesen um weitere Funktionen erweitern:

• Lesen von Zeichen von der Tastatur

• Lesen von Zeichenketten

• Ausgabe von einzelnen Zeichen auf dem Terminal

• Ausgabe von Zeichenketten

• Neustarten des Systems

Verwenden Sie zur Ein- und Ausgabe von Zeichen die BIOS-Funktionen, welche Sie mit Assember (Inline-Assembler) rufen können. Versuchen Sie den in Assembler geschriebenen Teil zu minimieren (Systemunabhängigkeit).

Abgabe der Lösung.

Die Abgabe erfolgt als Tar-Datei über Goya. Laden Sie dort die Datei lab-1.tar hoch, welche Sie mit "make pack" erstellt haben. Den Abgabetermin können Sie ebenfalls der Goya-Seite entnehmen.

Hinweise.

Verwenden Sie den PC-Emulator Qemu zum Starten Ihres Bootloaders. Hinweise zur Installation und Nutzung von Qemu finden Sie hier. Das Kommando zum starten des Bootloader lauten:

   qemu-system-x86_64 os.bin

Besser ist es jedoch, das Makefile zum Starten zu nutzen:

    make start

Zusatzaufgaben.

• Gesamten Bootloader in Assembler umsetzen

• Nachladen von Code um Limit von 512 Bytes zu überwinden

• Einfaches interaktives Grafikspiel (z.B. Snake, Tontaubenschießen)

Ressourcen.

• Vorlage lab-1.tar

• Folien zur Einführung in die Assembler- und C-Programmierung

• Übersicht über BIOS-Funktionen

• Linux-Assembler-Tutorial

• Folien aus der Übung.

• Beispiele aus der Übung.

• Hinweise zu QEmu

Startscreen von Qemu (Abweichung aufgrund anderer BIOS-Version möglich):

Musterlösung.

Eine Musterlösung finden Sie hier. Die Folien der Nachbesprechung enthalten neben Anmerkungen zur Musterlösung auch noch weitere Hinweise zur Aufgabe und weiterführende Themen.