跟我一塊兒寫操做系統(二)——史上最簡單的內核

時間  2019-11-29
標籤 一塊兒 系統 史上 最簡單 內核 简体版
原文   原文鏈接

　　項目地址：https://github.com/lucasysfeng/lucasOShtml

　　上一講咱們介紹了計算機的啓動流程，並給出了一份簡單的主引導記錄代碼，此份代碼僅僅是顯示幾個字符，並無作它本應該作的事--啓動內核。本講咱們首先看下內核是如何被啓動的，而後寫一個簡單的內核，用已經實現的主引導記錄配合GRUB啓動它。ios

如何啓動內核

　　前一講咱們說到，計算機讀取"主引導記錄"前面446字節的機器碼以後，會運行事先安裝的「啓動管理器」bootloader，由用戶選擇啓動哪一個內核，以後就會載入內核，將控制權交給內核。GNU GRUB（GRand Unified Bootloader）就是一種bootloader，知足多重引導規範（The Multiboot Specification），GRUB可選擇操做系統分區上的不一樣內核，下圖就是GRUB的圖形界面：git

圖 GRUB界面github

　　可以被GRUB啓動的內核須要知足兩個的條件:shell

(1) 內核的前8K字節內必需要包含多重引導規範的頭信息（Multiboot Header）；
(2) 內核要加載在內存地址的1MB以上。sass

　　那麼Multiboot Header是什麼樣子的呢？它必須包含4字節對齊的3個域（還有其餘非必須域，咱們不討論），以下：app

魔數域（magic）：標誌頭的魔數，必須等於 0x1BADB002。。
標誌域（flag）：是否須要引導程序支持某些特性，咱們不關心這些特性，這個標誌置爲0。
校驗域（checksum）：校驗等式是否成立（magic + flags + checksum = 0）函數

　    本文不討論GRUB的實現，咱們會用前人已經寫好的GRUB（筆者會給出），咱們要作的是完成符合GRUB啓動規範的內核。爲了完成這個內核，咱們須要寫少許的彙編用來在內核中加入Multiboot Header，而後用C語言寫內核入口，最後將彙編目標代碼和C語言目標代碼連接起來生成真正的內核。下面就讓咱們一步步地完成這些吧！ui

第一步 彙編入口google

　　1. 彙編代碼以下：

MBOOT_MAGIC  equ 0x1BADB002  ; multiboot magic域，必須爲此值
MBOOT_FLAGS  equ 0x00        ; multiboot flag域, GRUB啓動時是否要作一些特殊操做
MBOOT_CHECKSUM  equ -(MBOOT_MAGIC + MBOOT_FLAGS) ; multiboot checksum域，校驗上面兩個域是否正確

[BITS 32]                    ; 以32位編譯

section .text
  dd  MBOOT_MAGIC
  dd  MBOOT_FLAGS
  dd  MBOOT_CHECKSUM
  dd  start

[GLOBAL start]
[EXTERN kernel_main]         ; 內核入口函數, EXTERN代表此符號在外部定義

start:
  cli                        ; 禁用中斷 
  call kernel_main           ; 調用內核入口函數
  jmp $                      ; 無限循環

　　在上面彙編中，咱們定義了GRUB啓動須要的域MBOOT_MAGIC、MBOOT_FLAGS和MBOOT_CHECKSUM，並調用了內核入口函數kernel_main, kernel_main下一節實現。

2. 編譯生成目標文件boot.o

  $nasm -f elf boot.asm -o boot.o

運行上面命令後會生成目標文件boot.o，-f  elf的意思是生成ELF格式的目標代碼。

第二步 內核入口

 　1. 內核代碼以下：

/****************************************************
# File        : kernel.c
# Blog        : www.cnblogs.com/lucasysfeng
# Author      : lucasysfeng
# Description : 內核入口函數
****************************************************/

int kernel_main()
{ 
    // 顯存開始地址 
    char *display_buf = (char*)0xb8000;         

    // 清屏 
    unsigned int i = 0;
    const unsigned int total = 80 * 25 * 2;      // 一屏25行，每行80個字符，每一個字符2個字節
    while(i < total) 
    {
        display_buf[i++] = ' ';
        display_buf[i++] = 0x04;                 // 顏色 
    }

    // 顯示字符
    const char *str = "Hello World, welcome to mykernel!";
    for (i = 0; '\0' != *str;)
    {
        display_buf[i++] = *(str++);
        display_buf[i++] = 0x04;
    }

    return 0;
}

　0xb8000h是顯存開始的地址，讀者能夠看第一講（http://www.cnblogs.com/lucasysfeng/p/4846119.html）「實模式內存地址空間分佈」那張圖，找到0xb8000h這個地址。從0xb8000h這個地址開始，每2個字節表示一個字符，前一個字節是字符的ASCII碼，後一個字節是這個字符的顏色和屬性，顏色和屬性此處先不用關心。這段C代碼的其他部分相信讀者都能看得懂，我就不過多解釋了。 

2. 編譯生成目標文件kernel.o

  $gcc -m32 -c -o kernel.o kernel.c　　

運行上面命令後，目標文件kernel.o就生成了。

 

第三步 生成內核

 上面講到了能被GRUB啓動的內核須要知足的條件：

(1) 內核的前8K字節內必需要包含多重引導規範的頭信息（Multiboot Header）；
(2) 內核要加載在內存地址的1MB以上。

　　咱們將頭信息放在了彙編生成的目標文件boot.o中，所以咱們須要將boot.o和kernel.o連接到一塊兒生成真正的kernel,而且這個真正的內核要加載到1MB內存上，爲此，咱們須要下面的連接腳本和命令(關於連接腳本的使用自行google，筆者的另外一篇文章《連接到底幹了什麼》能夠參考)：

/***************************
* 文件名: link.ld   
***************************/

ENTRY(start)
SECTIONS
{
	. = 0x100000;

	.text :
	{
		*(.text)
		. = ALIGN(4096);
	}
	.data :
	{
		*(.data)
		*(.rodata)
		. = ALIGN(4096);
	}
}

　　咱們用ld命令連接目標文件boot.o和kernel.o，指明使用連接腳本link.ld:

$ ld -T link.ld -m elf_i386 -nostdlib boot.o kernel.o -o kernel

　　運行上面命令後，會生成咱們要啓動的真正的內核kernel，那麼這個kernel是否知足GRUB啓動規範呢？咱們能夠經過反彙編來看一下：

$ objdump -d  kernel | head -n30

　　結果以下圖所示，咱們看到100000了嗎，這個就是起始的地址即1M，看到02 b0 ad 1b 00 00了嗎，這個就是GRUB魔數域1b ad b0 02（大小端問題，反向存儲）

$ objdump -d  kernel | head -n30

kernel：     文件格式 elf32-i386


Disassembly of section .text:

00100000 <start-0x10>:
  100000:	02 b0 ad 1b 00 00    	add    0x1bad(%eax),%dh
  100006:	00 00                	add    %al,(%eax)
  100008:	fe 4f 52             	decb   0x52(%edi)
  10000b:	e4 10                	in     $0x10,%al
  10000d:	00 10                	add    %dl,(%eax)
	...

00100010 <start>:
  100010:	fa                   	cli    
  100011:	bc 03 80 00 00       	mov    $0x8003,%esp
  100016:	bd 00 00 00 00       	mov    $0x0,%ebp
  10001b:	83 e4 f0             	and    $0xfffffff0,%esp
  10001e:	89 1d 00 a0 10 00    	mov    %ebx,0x10a000
  100024:	e8 03 00 00 00       	call   10002c <kernel_main>

00100029 <stop>:
  100029:	f4                   	hlt    
  10002a:	eb fd                	jmp    100029 <stop>

0010002c <kernel_main>:
  10002c:	55                   	push   %ebp
  10002d:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
  10002f:	83 ec 08             	sub    $0x8,%esp

 

第四步 將內核拷貝到軟盤鏡像

　　咱們這裏不製做軟盤鏡像，而是使用已經制做好的軟盤鏡像，鏡像名稱lucasOS.img，已經放在github上了。咱們也無需製做GRUB，這個軟盤鏡像已經包含了GRUB.咱們要作的是把內核文件kernel拷貝到軟盤鏡像lucasOS.img中。

1. 獲取lucasOS.img軟盤鏡像。lucasOS目錄下的lucasOS.img就是咱們要的軟盤鏡像。

$ git clone https://github.com/lucasysfeng/lucasOS.git

$cd lucasOS/code/chapter2

2. 建立掛載點。

    mkdir lucasOS

3. 掛載軟盤鏡像。注意把lucasOS.img改成你的lucasOS.img所在路徑。

   sudo mount lucasOS.img lucasOS     

4. 把內核文件拷貝到軟盤鏡像中。注意把kernel改成你的kernel所在路徑。

   sudo cp kernel lucasOS/kernel          

5. 卸載軟盤鏡像。

    sudo umount mnt/lucasOS

上面步驟可寫成Makefile（your-rootpasswd改成你的sudo密碼）以下:

CC = gcc
ASM = nasm
LD = ld
# 這裏掛載點採用相對路徑，即當前目錄下的lucasOS
MOUNT_POINT = lucasOS

CC_FLAGS = -c -Wall -m32 -ggdb -gstabs+ -nostdinc -fno-builtin -fno-stack-protector
LD_FLAGS = -T link.ld -m elf_i386 -nostdlib

all: boot.o kernel.o link update_kernel

boot.o: boot.asm
	@echo '編譯boot, 生成GRUB須要的信息..'
	$(ASM) -f elf boot.asm

kernel.o: kernel.c
	@echo '編譯kernel..'
	$(CC) $(CC_FLAGS) kernel.c -o kernel.o

.PHONY: kernel
link:
	@echo '連接boot和kernel, 生成最終kernel..'
	$(LD) $(LD_FLAGS) boot.o  kernel.o -o kernel

.PHONY: update_kernel
update_kernel:
	@echo '將kernel拷貝到軟盤鏡像..'
	@if [ ! -d $(MOUNT_POINT) ]; then mkdir $(MOUNT_POINT); fi  # 掛載點不存在則建立
	echo "your-rootpasswd" | sudo -S mount lucasOS.img $(MOUNT_POINT)
	sudo cp kernel $(MOUNT_POINT)/kernel
	sleep 1
	sudo umount $(MOUNT_POINT)

.PHONY: clean
clean:
	rm *.o kernel

第五步 啓動內核

 　　用bochs，bochsrc配置以下（須要根據bochs安裝路徑改變）：

###############################################################
# Configuration file for Bochs
###############################################################

# how much memory the emulated machine will have
 megs: 32

# filename of ROM images
 romimage: file=/opt/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest #/opt/share/bochs/BIOS-bochs-latest
 vgaromimage: file=/opt/local/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest #/usr/share/vgabios/vgabios.bin

# what disk images will be used
 floppya: 1_44=lucasOS.img, status=inserted

# choose the boot disk.
 boot: floppy

# where do we send log messages?
# log: bochsout.txt

# disable the mouse
 mouse: enabled=0

# enable key mapping, using US layout as default.
# keyboard_mapping: enabled=1, map=/opt/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map
  keyboard: keymap=/opt/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map

也可用vbox來啓動：

建立的虛擬機lucasOS須要添加軟驅控制器以下圖：

 

而後添加虛擬軟盤選中lucasOS.img，這樣就能夠啓動了，而且有GRUB效果：

 

代碼獲取

　　本系列GitHub地址 https://github.com/lucasysfeng/lucasOS，用下面命令獲取代碼:

git clone https://github.com/lucasysfeng/lucasOS.git

　　本講的代碼是code/chapter2，筆者已經將上面的命令集成到Makefile中了，讀者只需進入目錄，按ReadMe.txt說明執行便可，有問題請留言。

相似項目hurlex

git clone https://github.com/hurley25/hurlex-doc.git

下載後Makefile修改以下，bochsrc如前面

#!Makefile
#
# --------------------------------------------------------
#
#    hurlex 這個小內核的 Makefile
#    默認使用的C語言編譯器是 GCC、彙編語言編譯器是 nasm
#
# --------------------------------------------------------
#

# patsubst 處理全部在 C_SOURCES 字列中的字（一列文件名），若是它的 結尾是 '.c'，就用 '.o' 把 '.c' 取代
C_SOURCES = $(shell find . -name "*.c")
C_OBJECTS = $(patsubst %.c, %.o, $(C_SOURCES))
S_SOURCES = $(shell find . -name "*.s")
S_OBJECTS = $(patsubst %.s, %.o, $(S_SOURCES))

CC = gcc
LD = ld
ASM = nasm
MOUNT_POINT = ../kernel
C_FLAGS = -c -Wall -m32 -ggdb -gstabs+ -nostdinc -fno-builtin -fno-stack-protector -I include
LD_FLAGS = -T scripts/kernel.ld -m elf_i386 -nostdlib
ASM_FLAGS = -f elf -g -F stabs

all: $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) link update_image

# The automatic variable `$<' is just the first prerequisite
.c.o:
	@echo 編譯代碼文件 $< ...
	$(CC) $(C_FLAGS) $< -o $@

.s.o:
	@echo 編譯彙編文件 $< ...
	$(ASM) $(ASM_FLAGS) $<

link:
	@echo 連接內核文件...
	$(LD) $(LD_FLAGS) $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) -o hx_kernel

.PHONY:clean
clean:
	$(RM) $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) hx_kernel

.PHONY:update_image
update_image:
	@echo '將kernel拷貝到軟盤鏡像..'
	@if [ ! -d $(MOUNT_POINT) ]; then mkdir $(MOUNT_POINT); fi  # 掛載點不存在則建立
	echo "wxwpxh" | sudo -S mount floppy.img $(MOUNT_POINT)
	sudo cp hx_kernel $(MOUNT_POINT)/hx_kernel
	sleep 1
	sudo umount $(MOUNT_POINT)

.PHONY:mount_image
mount_image:
	sudo mount floppy.img $(MOUNT_POINT)

.PHONY:umount_image
umount_image:
	sudo umount $(MOUNT_POINT)

.PHONY:qemu
qemu:
	qemu -fda floppy.img -boot a

.PHONY:bochs
bochs:
	bochs -f scripts/bochsrc.txt

.PHONY:debug
debug:
	qemu -S -s -fda floppy.img -boot a &
	sleep 1
	cgdb -x scripts/gdbinit

參考

 1. http://www.jamesmolloy.co.uk/tutorial_html/2.-Genesis.html

相關文章
相關標籤/搜索
每日一句
    每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
本站公眾號
   歡迎關注本站公眾號,獲取更多信息
聯繫我們 最近搜索 最新文章 沪ICP备13005482号-10 MyBatis教程 SQL 教程 MySQL教程 Java 教程 Thymeleaf 教程 Hibernate教程 Spring教程 Redis教程