【翻譯】Mac OSX開機

現在我們來談談有關Mac的韌體(很多時候這東西可以說很類似PC上面的BIOS),要大家注意的是新舊版的ROM之間非常不同。舊版像是68k這種舊世界的PowerMacs,新版的就像是目前可見的Mac,用的是Open Firmware3.x版。而我們只討論較新的版本。
雖然說這些韌體不包含在MacOSX裡面,但是對機器上運行的系統來說,它還是扮演著非常重要的角色,此外這玩意兒在除錯上也是非常有用,所以我們才會在這邊加以論述。

Open Firmware

背景

Open Firmare(IEEE-1275 開機韌體標準:執行以及條件核心)是個非專利的平台。這個就像是PC上的BIOS,寫在ROM裡面,是電源開啟時電腦第一個載入的程式。
Open Firmware是用Forth程式語言:FCode所編寫而成的。而目前主要使用Open Firmware工具的電腦系統有Apple和SUN(SUN把這個叫做OpenBoot)。 大家可以參考Open Firmware的網頁。 (譯者註:有關Forth語言大家可以參考http://www.figtaiwan.org/f_intro.htm和http://www.figtaiwan.org/f_history.htm)
正如前面所述,firmware是用Forth語言寫在ROM裡面,而以bytecode的方式執行,所以電腦的設備驅動程式也是以類似的模式在系統啟動之時運行。 這些驅動程式通常是在擴充卡上的延伸ROM裡面,並且在作業系統啟動之前就被載入。

相互作用

你可以在按下Mac電源時,同時按著cmd+opt+O+F 這四個鍵,來進入Open Firmware。cmd鍵就是所謂的蘋果鍵,而opt就是Option鍵。之後你應該會看到一個歡迎訊息並進入一個提示像是下面這樣:

ok
0 >

你可以打入mac-boot來開機或是輸入shut-down來關機。
雖然說Forth “shell“提供一個還算不錯用的文字操作編輯模式(你可以藉著ctrl+a到該行的起始點;ctrl+e到結束點;ctrl+u殺掉該行;up-arrow鍵看輸入記錄), 但是你會發現透過網路從其他別的電腦來操作Mac的Open Firmware將更方便,特別是如果你想要在firmware上寫入些程式碼。下面是個指令範例(Open Firmware除了透過文字模式操作外,別無他法):

0 > dev /packages/telnet

注意:
當你輸入成功的時候,Open Firmware會在你按下的那一行列出ok字串。所以在這一篇文件中所舉的範例,如果你看到ok,記得這個是Open Firmware所列出的,不是要你輸入的指令喔!

前面所舉的例子,如果你的Mac的Open Firmware裡面有telnet server這套件,則應該會看到:

0 > dev /packages/telnet ok

如果你看到ok,則你就可以在上面使用TELNET server 服務:

” enet : telnet , 10 .0 . 0 . 1 ” io

這樣就會在你的機器用IP10.0.0.1在上面跑TELNET server(當然你也可以選用你個人喜歡的IP),之後你就可以透過telnet連接到這台機器的Open Firmware,Windows也可以連接上喔!

注意:
G4之後的Apple Mac機種,會透過乙太網路port作自動偵測以及自我設定,所以你不需要另外用跳線就能直接連接到其他電腦。

範例:

1.這個指令可以列出你的裝置:

0 > dev / ls
ff880d90: /cpus
ff881068: /PowerPC,750@0
ff881488: /l2-cache
ff882148: /chosen
ff882388: /memory@0
ff882650: /openprom
ff882828: /client-services

More [,,q,a] ? _

2.這個指令可以告訴你有關RAM的資訊:

0 > dev /memory .properties ok
name memory
device_type memory
reg 00000000 10000000
10000000 10000000
slot-names 00000003
SODIMM0/J25LOWER
SODIMM1/J25UPPER

dimm-types DDR SDRAM
DDR SDRAM
dimm-speeds PC2700U-25330
PC2700U-25330

我們可以看出來這台機器(PowerBook G4 15″)有兩條個PC2700 DDR SDRAM。而兩對 reg欄的數字表示記憶體中的起始定址位置和晶片的大小, 也就是第一條ram 晶片從0x0000000這位址開始,大小是0x10000000(也就是256MB啦)。第二條的晶片從0x1000000開始,大小也是256MB,所以總記憶體就是512MB囉!
如果因為各種理由使得你必須把記憶體回復到原廠的樣子,而又不想拆機器拆下記憶體(或是想模擬記憶體較少時的狀態),你可以用delete-property指令來刪掉reg欄。 像是下面的例子就是把我們機器中的第二條記憶體暫停(記得,這個指令只有暫時的作用,當你重開機記憶體就會自己抓回來)

0 > ” reg” delete-property ok
0 > 0 encode-int 10000000 encode-int encode+ ” reg” property ok

注意:
特別需要注意的是更改reg這方法有其風險,而且也常因為機器的不同而不一定能適用(像是PowerMac G5就不能這樣搞),因此如果你想限制記憶體最保險的方法是透過maxmem:

# nvram boot-args=”maxmem=128″

3.下面這組指令可以告訴你各種有關機器上CPU的資訊:

0 > dev / ok
0 > dev /cpus ok
0 > ls
ff886d58: /PowerPC,G4@0
ff8871f8: /l2-cache
ok
0 > dev PowerPC,G4@0 ok
0 > .properties
name cpu
reg 00000000
cpu-version 80020101
state running
clock-frequency 4a817c7b
bus-frequency 09ef21aa

電腦輸出的結果說明了各種不同的cache大小以及晶片繪圖能力…..等等,你可以當作這是類似Linux上面 /proc/cpuinfo 的功能。

4.下面這指令會列出root目錄下的檔案

0 > dir hd:\
Size/ GMT File/Dir
bytes date time Name
6148 12/25/ 3 4:25:25 .DS_Store
156 9/12/ 3 20:41:59 .hidden
589824 12/25/ 3 6:45: 6 .hotfiles.btree

5.下面這指令會詳述hd,並以樹狀圖的方式給你完整的裝置路徑:

0 > devalias hd /pci@f4000000/ata-6@d/disk@0 ok

6.你可以用load指令來載入核心檔案,並用boot指令來用這檔案開機。當然就像是前面說過的,通常我們還是用mac-boot和shut-down來開關機, 而你可以透過printenv和setenv來取得或設定環境變數。這些變數都設定在Open Firmware裡並存在非揮發性記憶體上(NVRAM)。舉個例來說,如果你想用“OEM banner“來當你的e-mail位址,你應該這樣做:

0 > setenv oem-banner you@your.email.address
0 > setenv oem-banner? true

其實你不需要進入Open Firmware裡面來設定NVRAM的變數,你可以在OSX裡面透過nvram這指令做到一樣的事。
總結以上所述,Open Firmware 其實就是個控制、除錯、探索你的電腦的強力工具!

運作過程
當開機電源打開之時,Mac的硬體會進行一個自我診斷程序(透過一些POST的程式碼)並初始化,之後第一個掌控了CPU的就是firmware—韌體。 Open Firmware此時會開始建立裝置架構、偵測裝置插槽、檢測PCI裝置並為各個裝置定址,隨即再去尋找開機裝置。“snag“可以讓使用者在通電之後看到開機裝置:

C device referred to by the ‘cd’ alias, a CD-ROM drive
D device referred to by the ‘hd’ alias, a hard disk drive
N device referred to by the ‘enet’ alias, a network card
Z device referred to by the ‘zip’ alias, a ZIP drive

有人會特別把開機時按住T鍵然後進入的模式取名叫:Firewire目標磁碟模式,個人覺得沒啥意義。事實上這不過就是把你的Mac裝成一個延伸的Firewire磁碟裝置。
你可以透過網路開機的方式並使用TFTP來取得更完整的裝置路徑說明:
boot enet:,,;,;
如果此時Open Firmware找不到開機裝置,就會顯示一個閃爍的檔案夾。
Open Firmware然後會從系統磁區載入tbxi類型的檔案(ToolBox ROM Image),注意在Mac OS9的System Folder裡叫做“Mac OS ROM“,而Mac OSX則是從 /System/Library/CoreServices/BootX 載入。 BootX之後會執行並且控制權也換到它手上。
提醒一點,雖然Open Firmware可以直接載入 ELF,XCOFF和“bootinfo“(任何被支援的有XML檔頭的格式),但是卻不能載入Mac OSX真正可執行的原生格式—-Mach-O。所以需要BootX,因為BootX可以載入Mach-O。

Bootloader

BootX(/System/Library/CoreServices/BootX )是Mac OSX預設的開機管理員程式。
BootX也是一個開放源始碼的開機管理員程式的名字(跟Apple的BootX是不一樣的程式喔),這程式能讓你在「舊時代」的Mac機器上雙重開機:Mac OS和Linux。
BootX會根據不同的檔案系統載入不同的核心:HFS+ , HFS , UFS , ext2 , 和 TFTP(網路開機時,會當作是一種檔案系統)。除了Mach-O之外,BootX還能載入ELF核心,可是Apple並沒有在OSX上面運用這個功能。 換句話說,BootX可以在ext2磁區中載入ELF核心。
因為「舊時代」的Mac機在處理Open Firmware個有不同的問題,所以對Apple的工程師來說就造成了許多開機上的問題,同時對Linux PPC的port工作上也就有同樣的困擾。 Apple這邊透過許多NVRAM上面的修補程式或是直接更改Bootx程式碼的方式,來解決這樣的問題。而隨著BootX的成熟,Apple也增加了對ext2和ELF支援的目標,使得OSX有跟Linux PPC競爭的實力。
緊接著BootX執行的程序是:
1. BootX首先會初始化Open Firmware客端介面(這介面會開始跟韌體溝通)並取得韌體的版本。
2.接著它會在韌體裡製作一個假的裝置叫做 sl_words (‵sl′表示次級載體),並定義各個FORTH字串(這時會顯示一個旋轉的游標)。
3.BootX接著會在韌體中尋找可選擇的裝置,並將各個變數導入(你可以在Open Firmware裡用printenv和setenv指令觀測和設定)。

0 > dev /options .properties
name options
little-endian? false
real-mode? false
auto-boot? true
diag-switch? false

boot-command mac-boot

4. BootX找出被選好的裝置,像是input/output裝置,記憶體,MMU,PMU,CPU,PIC…..等等。例如底下這Open Firmware指令會顯示出被選擇的裝置:

0 > dev /chosen ok
0 > .properties
name chosen
stdin ffbc6e40
stdout ffbc6600
memory ffbdd600
mmu …

5.BootX透過chosen將記憶體和MMU初始化。
6.BootX會將螢幕和健盤也初始化。
7.BootX會確認「安全模式」是否有啟動。
8.BootX會確認是否有「verbose」(即開機時按著cmd+v)或「單人模式」(cmd+s)
9.BootX確認系統是否要在「安全模式」上啟動
10.BootX會要求記憶體針對不同行程作調整
11.BootX會找到所有的螢幕並將之做好設定,這步驟主要藉由搜尋裝置樹狀目錄裡面關於螢幕的節點來達成。而主營幕就是透過screen來映射。例如你可以試試下面這Open Firmware指令:

0 > dev screen ok
0 > .properties
name ATY,Bee_A
compatible ATY,Bee
width 00000400
height 00000300
linebytes 00000400
depth 00000008
display-type 4c434400
device_type display
character-set ISO859-1

12.當螢幕啟動之後,BootX就會讓螢幕顯示我們熟悉的灰白色。
13.BootX會去找啟動裝置並從中定義要從哪裡抓到核心(mach_kernel),同時核心檔案的路徑來源也會建構起來。如果是從磁碟裝置啟動(通常也是這樣),則那個指向kext cache的路徑跟著其他延伸目錄 (通常是/System/Library/Extensions)一起被運算。
Mac OSX 用了些不同「kext」(kernel extension)的快取來加速kexts的載入。核心的快取通常是保留在 /System/Library/Caches/com.apple.kernelcaches 這目錄裡。 這些快取檔通常叫kernelcache.XXXXXXX之類的名稱,並且會用跟Gzip一樣的32位元的壓縮運算法儲存。
14.此時,BootX會在螢幕上畫出一個Apple的標誌,並開始出現旋轉游標。如果是網路開機,則是旋轉的地球。
15.依據不同的情況,BootX會試著追溯以及載入核心快取檔。
16.下一步就是翻譯核心檔。如果核心檔頭指出這是個壓縮過的核心,則BootX就會試著解壓縮(用的是LZSS壓縮格式,專門適合那種壓縮一次但是要常常解開的資料)。因為核心的二進位檔是個胖核心 (多重架構的程式碼都在同一個二進位檔裡),BootX將會先確定它是不是個胖核心,如果是,就想辦法讓它減肥。
17.BootX會盡量翻譯這些檔案轉為Mach-O二進位檔,如果失敗了,BootX也會努力將之轉為ELF。
18.如果又失敗了,BootX只好放棄,在螢幕上畫出開機失敗的圖片,進入無窮迴圈再重頭來過。
19.如果BootX成功了,就會儲存檔案系統快取,設置各種啟動環境參數,這步驟又叫做搞定各個裝置的遞迴方程式。
20.最後,BootX會呼叫核心。而很快地,它也讓許多像是firmware,timers或DMA等不同步程序都隨著Open Firmware沉寂安靜下來。

系統啟動

Mac OSX使用者層級的啟動計不是純粹的BSD模式也不是SYSV模式,雖然/etc/rc是從BSD繼承過來的。事實上許多東西比較像是NEXTSTEP。
下一章XNU : The Kernel將會說明有關核心的東西。Mac OSX System Startup則會接著介紹user-level的啟動方式。

BootCache

Mac OSX在開機時會用一個叫做Bootcache的東西對系統做最佳化,也就是讀取磁碟裝置並將之做索引為「playlist」。
所有可以備讀取的磁碟裝置都會作出索引在 /var/db/Bootcache.playlist。當這裝置載入使用時,這些快取就會自動生效。
需注意的是這個優點必須有128MB以上的實體記憶體。滿足這條件系統就會自動啟動這功能。

本文由張元毓所翻譯,本人保有一切法律權利。
Copyright@ alan chang

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