跟我一块儿写操做系统(二)——史上最简单的内核

时间  2019-11-29
标签 一块儿 系统 史上 最简单 内核 繁體版
原文   原文链接

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

　　上一讲咱们介绍了计算机的启动流程，并给出了一份简单的主引导记录代码，此份代码仅仅是显示几个字符，并无作它本应该作的事--启动内核。本讲咱们首先看下内核是如何被启动的，而后写一个简单的内核，用已经实现的主引导记录配合GRUB启动它。ios

如何启动内核

　　前一讲咱们说到，计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码以后，会运行事先安装的“启动管理器”bootloader，由用户选择启动哪一个内核，以后就会载入内核，将控制权交给内核。GNU GRUB（GRand Unified Bootloader）就是一种bootloader，知足多重引导规范（The Multiboot Specification），GRUB可选择操做系统分区上的不一样内核，下图就是GRUB的图形界面：git

图 GRUB界面github

　　可以被GRUB启动的内核须要知足两个的条件:shell

(1) 内核的前8K字节内必需要包含多重引导规范的头信息（Multiboot Header）；
(2) 内核要加载在内存地址的1MB以上。sass

　　那么Multiboot Header是什么样子的呢？它必须包含4字节对齐的3个域（还有其余非必须域，咱们不讨论），以下：app

魔数域（magic）：标志头的魔数，必须等于 0x1BADB002。。
标志域（flag）：是否须要引导程序支持某些特性，咱们不关心这些特性，这个标志置为0。
校验域（checksum）：校验等式是否成立（magic + flags + checksum = 0）函数

　    本文不讨论GRUB的实现，咱们会用前人已经写好的GRUB（笔者会给出），咱们要作的是完成符合GRUB启动规范的内核。为了完成这个内核，咱们须要写少许的汇编用来在内核中加入Multiboot Header，而后用C语言写内核入口，最后将汇编目标代码和C语言目标代码连接起来生成真正的内核。下面就让咱们一步步地完成这些吧！ui

第一步 汇编入口google

　　1. 汇编代码以下：

MBOOT_MAGIC  equ 0x1BADB002  ; multiboot magic域，必须为此值
MBOOT_FLAGS  equ 0x00        ; multiboot flag域, GRUB启动时是否要作一些特殊操做
MBOOT_CHECKSUM  equ -(MBOOT_MAGIC + MBOOT_FLAGS) ; multiboot checksum域，校验上面两个域是否正确

[BITS 32]                    ; 以32位编译

section .text
  dd  MBOOT_MAGIC
  dd  MBOOT_FLAGS
  dd  MBOOT_CHECKSUM
  dd  start

[GLOBAL start]
[EXTERN kernel_main]         ; 内核入口函数, EXTERN代表此符号在外部定义

start:
  cli                        ; 禁用中断 
  call kernel_main           ; 调用内核入口函数
  jmp $                      ; 无限循环

　　在上面汇编中，咱们定义了GRUB启动须要的域MBOOT_MAGIC、MBOOT_FLAGS和MBOOT_CHECKSUM，并调用了内核入口函数kernel_main, kernel_main下一节实现。

2. 编译生成目标文件boot.o

  $nasm -f elf boot.asm -o boot.o

运行上面命令后会生成目标文件boot.o，-f  elf的意思是生成ELF格式的目标代码。

第二步 内核入口

 　1. 内核代码以下：

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

int kernel_main()
{ 
    // 显存开始地址 
    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个字符，每一个字符2个字节
    while(i < total) 
    {
        display_buf[i++] = ' ';
        display_buf[i++] = 0x04;                 // 颜色 
    }

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

    return 0;
}

　0xb8000h是显存开始的地址，读者能够看第一讲（http://www.cnblogs.com/lucasysfeng/p/4846119.html）“实模式内存地址空间分布”那张图，找到0xb8000h这个地址。从0xb8000h这个地址开始，每2个字节表示一个字符，前一个字节是字符的ASCII码，后一个字节是这个字符的颜色和属性，颜色和属性此处先不用关心。这段C代码的其他部分相信读者都能看得懂，我就不过多解释了。 

2. 编译生成目标文件kernel.o

  $gcc -m32 -c -o kernel.o kernel.c　　

运行上面命令后，目标文件kernel.o就生成了。

 

第三步 生成内核

 上面讲到了能被GRUB启动的内核须要知足的条件：

(1) 内核的前8K字节内必需要包含多重引导规范的头信息（Multiboot Header）；
(2) 内核要加载在内存地址的1MB以上。

　　咱们将头信息放在了汇编生成的目标文件boot.o中，所以咱们须要将boot.o和kernel.o连接到一块儿生成真正的kernel,而且这个真正的内核要加载到1MB内存上，为此，咱们须要下面的连接脚本和命令(关于连接脚本的使用自行google，笔者的另外一篇文章《连接到底干了什么》能够参考)：

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

ENTRY(start)
SECTIONS
{
	. = 0x100000;

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

　　咱们用ld命令连接目标文件boot.o和kernel.o，指明使用连接脚本link.ld:

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

　　运行上面命令后，会生成咱们要启动的真正的内核kernel，那么这个kernel是否知足GRUB启动规范呢？咱们能够经过反汇编来看一下：

$ objdump -d  kernel | head -n30

　　结果以下图所示，咱们看到100000了吗，这个就是起始的地址即1M，看到02 b0 ad 1b 00 00了吗，这个就是GRUB魔数域1b ad b0 02（大小端问题，反向存储）

$ 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 将内核拷贝到软盘镜像

　　咱们这里不制做软盘镜像，而是使用已经制做好的软盘镜像，镜像名称lucasOS.img，已经放在github上了。咱们也无需制做GRUB，这个软盘镜像已经包含了GRUB.咱们要作的是把内核文件kernel拷贝到软盘镜像lucasOS.img中。

1. 获取lucasOS.img软盘镜像。lucasOS目录下的lucasOS.img就是咱们要的软盘镜像。

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

$cd lucasOS/code/chapter2

2. 建立挂载点。

    mkdir lucasOS

3. 挂载软盘镜像。注意把lucasOS.img改成你的lucasOS.img所在路径。

   sudo mount lucasOS.img lucasOS     

4. 把内核文件拷贝到软盘镜像中。注意把kernel改成你的kernel所在路径。

   sudo cp kernel lucasOS/kernel          

5. 卸载软盘镜像。

    sudo umount mnt/lucasOS

上面步骤可写成Makefile（your-rootpasswd改成你的sudo密码）以下:

CC = gcc
ASM = nasm
LD = ld
# 这里挂载点采用相对路径，即当前目录下的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 '编译boot, 生成GRUB须要的信息..'
	$(ASM) -f elf boot.asm

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

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

.PHONY: update_kernel
update_kernel:
	@echo '将kernel拷贝到软盘镜像..'
	@if [ ! -d $(MOUNT_POINT) ]; then mkdir $(MOUNT_POINT); fi  # 挂载点不存在则建立
	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 启动内核

 　　用bochs，bochsrc配置以下（须要根据bochs安装路径改变）：

###############################################################
# 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来启动：

建立的虚拟机lucasOS须要添加软驱控制器以下图：

 

而后添加虚拟软盘选中lucasOS.img，这样就能够启动了，而且有GRUB效果：

 

代码获取

　　本系列GitHub地址 https://github.com/lucasysfeng/lucasOS，用下面命令获取代码:

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

　　本讲的代码是code/chapter2，笔者已经将上面的命令集成到Makefile中了，读者只需进入目录，按ReadMe.txt说明执行便可，有问题请留言。

相似项目hurlex

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

下载后Makefile修改以下，bochsrc如前面

#!Makefile
#
# --------------------------------------------------------
#
#    hurlex 这个小内核的 Makefile
#    默认使用的C语言编译器是 GCC、汇编语言编译器是 nasm
#
# --------------------------------------------------------
#

# patsubst 处理全部在 C_SOURCES 字列中的字（一列文件名），若是它的 结尾是 '.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 编译代码文件 $< ...
	$(CC) $(C_FLAGS) $< -o $@

.s.o:
	@echo 编译汇编文件 $< ...
	$(ASM) $(ASM_FLAGS) $<

link:
	@echo 连接内核文件...
	$(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 '将kernel拷贝到软盘镜像..'
	@if [ ! -d $(MOUNT_POINT) ]; then mkdir $(MOUNT_POINT); fi  # 挂载点不存在则建立
	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

参考

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

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