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跟我一起写操作系统(二)——史上最简单的内核

2023-05-16

跟我一起写操作系统(二)——史上最简单的内核

　　转载注明出处：http://www.cnblogs.com/lucasysfeng/p/4847662.html

　　上一讲地址：http://www.cnblogs.com/lucasysfeng/p/4846119.html

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

　　

　　上一讲我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，并没有做它本应该做的事--启动内核。本讲我们首先看下内核是如何被启动的，然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。

如何启动内核

　　前一讲我们说到，计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后，会运行事先安装的“启动管理器”bootloader，由用户选择启动哪个内核，之后就会载入内核，将控制权交给内核。GNU GRUB（GRand Unified Bootloader）就是一种bootloader，满足多重引导规范（The Multiboot Specification），GRUB可选择操作系统分区上的不同内核，下图就是GRUB的图形界面：

图 GRUB界面

　　能够被GRUB启动的内核需要满足两个的条件:

(1) 内核的前8K字节内必须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。

　　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（还有其他非必须域，我们不讨论），如下：

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

 　　本文不讨论GRUB的实现，我们会用前人已经写好的GRUB（笔者会给出），我们要做的是完成符合GRUB启动规范的内核。为了完成这个内核，我们需要写少量的汇编用来在内核中加入Multiboot Header，然后用C语言写内核入口，最后将汇编目标代码和C语言目标代码链接起来生成真正的内核。下面就让我们一步步地完成这些吧！

 

第一步 汇编入口

　　1. 汇编代码如下：

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; 文件名 boot.asm
; Copyright: www.cnblogs.com/lucasysfeng
 
MBOOT_MAGIC  equ 0x1BADB002  ; multiboot magic域，必须为此值
MBOOT_FLAGS  equ 0x00        ; multiboot flag域, GRUB启动时是否要做一些特殊操作
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表明此符号在外部定义
 
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，我们定义了GRUB启动需要的域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. 内核代码如下：

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/****************************************************
# Copyright(c) www.cnblogs.com/lucasysfeng, all rights reserved
# File        : kernel.c
# 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 kernel!" ;
     for  (i = 0;  '\0'  != *str;)
     {
         display_buf[i++] = *(str++);
         display_buf[i++] = 0x04;
     }
 
     return  0;
}

　　0xb8000h是显存开始的地址，读者可以看第一讲（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代码的其余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启动的内核需要满足的条件：

(1) 内核的前8K字节内必须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。

　　我们将头信息放在了汇编生成的目标文件boot.o中，因此我们需要将boot.o和kernel.o链接到一起生成真正的kernel,并且这个真正的内核要加载到1MB内存上，为此，我们需要下面的链接脚本和命令(关于链接脚本的使用自行google)：

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/***************************
* 文件名: link.ld  
***************************/
 
ENTRY(start)
SECTIONS
{
     . = 0x100000;
 
     .text :
     {
         *(.text)
         . = ALIGN(4096);
     }
     .data :
     {
         *(.data)
         *(.rodata)
         . = ALIGN(4096);
     }
}

　　我们用ld命令链接目标文件boot.o和kernel.o，指明使用链接脚本link.ld:

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

　　运行上面命令后，会生成我们要启动的真正的内核kernel，那么这个kernel是否满足GRUB启动规范呢？我们可以通过反汇编来看一下：

# objdump -d  kernel | head -n30

　　结果如下图所示，我们看到100000了吗，这个就是.text段起始的地址即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）

 

第四步 将内核拷贝到软盘镜像

　　我们这里不制作软盘镜像，而是使用已经制作好的软盘镜像，镜像名称lucasOS.img，已经放在github上了。我们也无需制作GRUB，这个软盘镜像已经包含了GRUB.我们要做的是把内核文件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就是我们要的软盘镜像。

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

　　2. 创建挂载点。

# sudo mkdir /mnt/lucasOS

　　3. 挂载软盘镜像。

　　注意把lucasOS.img改为你的lucasOS.img所在路径。

# sudo mount lucasOS.img /mnt/lucasOS     

　　4. 把内核文件拷贝到软盘镜像中。

　　注意把kernel改为你的kernel所在路径。

# sudo cp kernel /mnt/lucasOS/kernel          

 　　5. 卸载软盘镜像。

# sudo umount /mnt/lucasOS

 

第五步 启动内核

 　　上一讲我们用软盘镜像启动了一个空的虚拟机，下面用同样地操作启动虚拟机，要记得把软盘镜像lucasOS.img从ubuntu拷贝到windows下。这里我们使用VMware创建虚拟机，当然也可以使用其他软件创建虚拟机。

　　1. 创建空的虚拟机，去掉开机从CD/DVD启动选项。　　

　　2. 网络选择host-only模式。

　　3. 选择从软盘驱动，路径选择已经拷贝到windows下的镜像lucasOS.img.

　　4. 开启虚拟机电源，看到如下的画面（约停留2s），恭喜你，GRUB成功了！

　　5. GRUB启动成功后，会自动载入内核，出现下面画面，恭喜你，载入内核成功！

　　好了，至此，我们完成了内核的启动流程，下一讲我们开始内核之旅！

 

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说明执行即可，有问题请留言。

 

参考

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

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