doc/tech.tex

   1 %
   2 % Copyright 1992-1998 by Werner Almesberger.
   3 % All rights reserved.
   4 %
   5 % See file COPYING for details.
   6 %
   7
   8 \documentclass[fullpage]{article}
   9 \usepackage{ae}
  10 \usepackage[bookmarks,%
  11         pdftitle={Linux Loader (LILO) technical overview},%
  12         pdfsubject={Booting on iA32 architecture},%
  13         pdfkeywords={lilo, boot},%
  14         pdfauthor={Werner Almesberger <Werner.Almesberger@epfl.ch>}]%
  15         {hyperref}
  16 \usepackage{ifpdf}
  17
  18 \parindent=0pt
  19 \parskip=4pt
  20
  21 \hyphenation{hexa-decimal}
  22
  23 \def\key#1{$[$#1$]$}
  24 \def\LILO{LILO}
  25
  26 \def\SetFigFont#1#2#3{\tt}
  27
  28
  29 \begin{document}
  30
  31 \title{\LILO \\
  32   \Large
  33   Generic boot loader for Linux \\
  34   Version 21 \\ ~\\
  35   \bf Technical overview}
  36 \author{Werner Almesberger \\
  37   {\tt Werner.Almesberger@epfl.ch}}
  38 \date{December 4, 1998}
  39
  40 \maketitle
  41 {
  42   \parskip=-4pt
  43   \setcounter{tocdepth}{1}
  44   \tableofcontents
  45 }
  46
  47 ~\\
  48 This document describes internals of \LILO\ and related parts of its
  49 environment (kernel, etc.). It is not necessary to read or understand
  50 this document in order to install or use \LILO. A general introduction
  51 and installation instructions can be found in the user's guide.
  52
  53 {\bf This document has only been partially updated and does not entirely
  54 reflect the current ('98) status of Linux or of \LILO\ (version 21).}
  55
  56
  57 \section{Load sequence}
  58 \label{load}
  59
  60 The boot sector is loaded by the ROM-BIOS at address 0x07C00. It moves
  61 itself to address 0x96A00, sets up the stack (growing downwards from
  62 0x96A00 to 0x96800), loads the secondary boot loader at address
  63 0x96C00 and transfers control to it. It displays an ``L'' after moving
  64 itself and an ``I'' before starting the secondary boot loader. If a read
  65 error occurs when loading the secondary boot loader, a two-digit hex code
  66 is displayed after the ``L''. This results in an endless stream of error
  67 codes if the problem is permanent. Displaying these error codes is disabled
  68 if the build-time option {\tt NO1STDIAG} is set.
  69
  70 The secondary boot loader loads the descriptor table at 0x98800 and the
  71 sector containing the default command line at 0x98C00. If the default command
  72 line is enabled, its magic number is invalidated and the sector is written
  73 back to disk. This potentially dangerous operation can be disabled by defining
  74 {\tt LCF\_READONLY} when passing {\tt second.S} through {\sf cpp}. Next, the
  75 secondary boot loader checks
  76 for user input. If either the default is used or if the user has specified
  77 an alternate image, the options sector is loaded at 0x98C00 and the parameter
  78 line is constructed at 0x99000. If the resulting line contains the option
  79 \verb"lock", the command line as entered by the user (it is saved before
  80 the final line is constructed) is written to the disk as the new default
  81 command line. Also, if a fallback command line is set, it is copied to the
  82 default command line sector.
  83
  84 If the user has supplied an initial RAM disk image, this file is loaded
  85 below the end of physical memory or 16 MB, whichever is lower. The start
  86 address is lowered to the next page boundary so that the memory area
  87 occupied by the initial RAM disk can later be easily returned to the
  88 system's free memory pool. The 16 MB limit exists because the BIOS
  89 functions used to transfer data in memory are only specified for an 24 bit
  90 address space.
  91
  92 Next, the floppy boot sector of that image is
  93 loaded at 0x90000\footnote{The floppy boot sector is only used as a source of
  94 setup information.},
  95 the setup part is loaded at 0x90200 and
  96 the kernel part is loaded at 0x10000, or, if the kernel has been compiled
  97 for being loaded ``high'' (i.e. with {\tt make bzImage}), it is loaded
  98 at 0x100000 instead. During the load operations, the sectors
  99 of the map file are loaded at 0x98600.
 100
 101 If the loaded image is a kernel image, control is transferred to
 102 its setup code.
 103 If a different operating system is booted, things are a bit more difficult:
 104 the chain loader is loaded at 0x90200 and the boot sector of the other OS
 105 is loaded at 0x90400. The chain loader moves the partition table (loaded at
 106 0x903BE as part of the chain loader) to 0x00600 and the boot sector to
 107 0x07C00. After that, it passes control to the boot sector.
 108
 109 Chain loaders that allow booting from a second drive (either floppy or hard
 110 disk) also install a small function to intercept BIOS calls and to swap
 111 the drive numbers at the top of available memory.
 112
 113 The secondary boot loader displays an ``L'' after being started and an ``O''
 114 after loading the descriptor table and the default command line. Before
 115 loading the descriptor table, it checks, whether it has been loaded at the
 116 correct location and displays a question mark if it hasn't. If the
 117 descriptor table has an incorrect checksum, a minus sign is displayed.
 118
 119 $$
 120 \begin{tabular}{l|c|l}
 121   \cline{2-2}
 122   \tt 0x00000 & & 1982 bytes \\
 123   \cline{2-2}
 124   \tt 0x007BE & Partition table & 64 bytes \\
 125   \cline{2-2}
 126   \tt 0x007FE & & 29 kB \\
 127   \cline{2-2}
 128   \tt 0x07C00 & Boot load area & 512 bytes \\
 129   \cline{2-2}
 130   \tt 0x07E00 & & 32.5 kB \\
 131   \cline{2-2}
 132   \tt 0x10000 & & 448 kB \\
 133   & & \\
 134   & Kernel & \\
 135   & & \\
 136   & & \\
 137   \cline{2-2}
 138   \tt 0x90000 & Floppy boot sector & 512 bytes \\
 139   \cline{2-2}
 140   \tt 0x90200 & Setup (kernel) & 39.5 kB (2 kB used) \\
 141   \cline{2-2}
 142   \tt 0x9A000 & Primary boot loader & 512 bytes \\
 143   \cline{2-2}
 144   \tt 0x9A200 & Stack & 3.5 kB \\
 145   \cline{2-2}
 146   \tt 0x9B000 & Secondary boot loader & 8 kB (3.5 kB used) \\
 147   \cline{2-2}
 148   \tt 0x9D000 & Map load area & 512 bytes \\
 149   \cline{2-2}
 150   \tt 0x9D200 & Descriptor table & 1 kB \\
 151   \cline{2-2}
 152   \tt 0x9D600 & Default command line, etc. & 512 bytes \\
 153   \cline{2-2}
 154   \tt 0x9D800 & Keyboard translation table & 512 bytes \\
 155   \cline{2-2}
 156   \tt 0x9DA00 & Parameter line construction area & 1 kB \\
 157   \cline{2-2}
 158   \tt 0x9DC00 & & 7.5 kB \\
 159   & & \\
 160   \cline{2-2}
 161   & Drive swapper & 1 kB \\
 162   \cline{2-2}
 163   \multicolumn{3}{l}{\tt 0xA0000} \\
 164 \end{tabular}
 165 $$
 166
 167 The area 0x90020-0x90023 is overlaid by a command-line descriptor while
 168 the secondary boot loader is running.
 169
 170
 171
 172 \section{File references}
 173
 174 This section describes the references among files involved in the boot
 175 procedures.
 176
 177 $$
 178   \input bootloader
 179 $$
 180
 181 The boot sector contains the primary boot loader, the address of the default
 182 command line sector, the address of both
 183 descriptor table sectors and the addresses of the sectors of the secondary
 184 boot loader. The generic boot sector is copied from {\tt boot.b}.
 185
 186 The primary boot loader can store up to eight sector addresses of the
 187 secondary boot loader.
 188
 189 $$
 190   \input map
 191 $$
 192
 193 The map file consists of so-called sections and of special data sectors.
 194 Each section
 195 spans an integral number of disk sectors and contains addresses of sectors
 196 of other files.
 197
 198 There are three exceptions: 1. If a ``hole'' is being
 199 covered or if the floppy boot sector of an unstripped kernel has been omitted,
 200 the address of the zero sector is used. This sector is part of the
 201 map file. 2. When booting a different operating system, the first sector is
 202 the merged chain loader that has been written to the map file before that
 203 section. 3. Each map section describing an image is followed by a sector
 204 containing the options line of that image.
 205
 206 The last address slot of each map sector is either unused (if the map section
 207 ends in this sector) or contains the address of the next map sector in the
 208 section.
 209
 210 The ifive sectors at the beginning of the map file are special: the first
 211 sector contains the default command line, the next
 212 two sectors contain the boot image descriptor table and the fourth sector
 213 is filled with zero bytes. This sector is mapped whenever a file contains
 214 a ``hole''. The fifth sector contains the keyboard translation table.
 215
 216 $$
 217   \input image
 218 $$
 219
 220 A kernel image consists simply of a sequence of sectors being
 221 loaded. The map section also contains a sector with a fallback command line
 222 and a sector with parameter line options. Optionally, a RAM disk image,
 223 specified by a second map section, can be loaded.
 224
 225 $$
 226   \input other
 227 $$
 228
 229 When booting another operating system, the chain loader ({\tt chain.b}) is
 230 merged with the patched partition table\footnote{If the partition table is
 231 omitted, that area is filled with zero bytes.} and written into the map file.
 232 The map section of this boot image starts after that sector and contains only
 233 the address of a dummy floppy boot sector (the zero sector, but its
 234 contents are irrelevant), the loader
 235 sector and the boot sector of the other operating system. Not that the
 236 map section also contains the fallback sector and a (useless) sector for
 237 options.
 238
 239
 240 \section{Configuration parameters}
 241
 242 The boot sector of each kernel contains a set of configuration parameters
 243 that have to be available at boot time before the kernel can access
 244 file systems. These parameters can be set when the kernel is compiled and
 245 later be changed with programs like {\sf rdev}. \LILO\ can supersede
 246 the parameters (in memory) at boot time by placing the corresponding
 247 items on the parameter line passed to the kernel.
 248
 249 The parameters are stored at the following (decimal) offsets:
 250
 251 \begin{description}
 252   \item[497] the size of the setup code in sectors (512 bytes). Older kernels
 253     may put a zero at this place.
 254   \item[498-499] is a flag specifying whether the root file system should be
 255     mounted read-only (if non-zero) or read-write (if zero).
 256   \item[500-501] the size of the kernel, counted in paragraphs (16 bytes).
 257   \item[502-503] this parameter is currently unused.
 258   \item[504-505] the size of the RAM disk in kilobytes. No RAM disk is
 259     created if this parameter is set to zero.
 260   \item[506-507] the text mode the VGA is set to.
 261     \begin{description}
 262       \item[0xFFFD] the user is asked to specify the VGA mode at boot time.
 263       \item[0xFFFE] uses 80x50 (``extended'') mode.
 264       \item[0xFFFF] uses 80x25 (``normal'') mode.
 265     \end{description}
 266     Any other value selects the corresponding mode as displayed in the
 267     interactive VGA mode selection menu. This is the only option that is set
 268     by LILO by patching the boot sector instead of passing it on the parameter
 269     line.
 270   \item[508] the minor number of the device that should be mounted as root.
 271   \item[509] the major number of the device that should be mounted as root.
 272 \end{description}
 273
 274
 275 \section{Parameter line interface}
 276
 277 The kernel supports processing of parameters that are
 278 provided by the boot loader. The parameter string is a NUL-terminated
 279 ASCII string that contains space-separated words or
 280 {\tt {\it variable\/}={\it value\/}} pairs. A description of how they are
 281 interpreted can be found in the section of the user's guide labeled
 282 ``The boot prompt''.
 283
 284 The following descriptor has to be set up to pass a parameter string to
 285 the kernel:
 286
 287 \begin{description}
 288   \item[0x90020] the magic number 0xA33F.
 289   \item[0x90022] the offset of the first byte of the parameter line relative
 290     to 0x90000.
 291 \end{description}
 292
 293 The boot loader composes the parameter line from the command line, from
 294 the options sector and from some internally generated prefixes (typically
 295 \verb"auto" and \verb"BOOT_IMAGE="), as follows:
 296
 297 $$
 298   \input parameter
 299 $$
 300
 301 Example: \\
 302 Command line: \verb"vmlinuz root=802"\\
 303 Options sector: \verb"root=801 ro"
 304
 305 yields \verb"BOOT_IMAGE=vmlinuz root=801 ro root=802"
 306
 307 Because parameter line options can typically be overridden, the first
 308 \verb"root" option is ignored by the kernel.
 309
 310
 311 \section{External interface}
 312
 313 \LILO\ is able to receive its command line from a program that is booted
 314 before it. This externally provided command line is only used if the
 315 user does not use the normal mechanism to invoke the boot prompt.
 316
 317 The following register contents are expected:
 318
 319 \begin{description}
 320   \item[\bf DL] contains the value 0xFE.
 321   \item[\bf ES:SI] points to the string ``LILO''. The string must be in
 322     upper case and no terminating character is needed. The string must not
 323     cross segment boundaries, i.e. {\bf SI} must be below 0xFFFD.
 324   \item[\bf ES:BX] points to a NUL-terminated string that is used as the
 325     command line. This string has a maximum length of 78 characters (not
 326     including the terminating NUL) and must not cross segment boundaries.
 327 \end{description}
 328
 329 There are two values of the externally provided command line that have a
 330 special meaning:
 331
 332 \begin{itemize}
 333   \item an empty string ({\bf ES:BX} points to a NUL byte) is interpreted
 334     as a request to enter the boot prompt and to accept keyboard input.
 335   \item a string that consists only of blanks is interpreted as a request
 336     to boot the default boot image.
 337 \end{itemize}
 338
 339 \LILO\ can also obtain the default command line from the map file. It
 340 is only used if no externally provided command line is available.
 341
 342
 343 \section{Default command line in map file}
 344
 345 The first sector of the map file is reserved for a default command line.
 346 Unless the user invokes the boot prompt by pressing a shift key or unless an
 347 externally provided command line is present, the command line in the map
 348 file is interpreted as if it had been typed on the keyboard.
 349
 350 The first two bytes of the first sector of the map file have to contain
 351 the magic number {\tt DC\_MAGIC} (0xF4F2) in little-endian byte order.
 352 They are followed by a NUL-terminated string with a maximum length of
 353 510 bytes, including the NUL. Note that the boot loader limits command
 354 lines to 78 characters after removing duplicate spaces.
 355
 356 The command line is disabled by either clobbering the magic number or
 357 by using an empty string (i.e. only a NUL byte) as the command line.
 358
 359 \end{document}