Ch3nyang's blog | 系统内核，启动！

内核，启动！

Hello, Kernel!

我们暂时不讨论更复杂的东西，先看看怎么打印出一些东西。

当前的系统没有任何显示驱动，我们只能继续向 VGA 的显存写入字符来显示。这一过程和之前 bootloader 几乎是一样的，但是用 C 语言写起来要简单多了：

init/main.c：

#define VGA_BASE 0xb8000
#define VGA_SIZE (80 * 25)

void print_str(const char* str) {
    char* vga = (char*)0xb8000;
    while (*str) {
        *vga = *str;
        str++;
        vga++;
        *vga = 0x07;
        vga++;
    }
}

void clear_screen() {
    char* vga = (char*)0xb8000;
    for (int i = 0; i < VGA_SIZE; i++) {
        *vga = 0;
        vga++;
        *vga = 0x07;
        vga++;
    }
}

int main() {
    clear_screen();
    print_str("Hello, Kernel!\n");
    return 0;
}

我们在这里实现了打印字符串的函数和清屏函数，然后在 main 函数中调用了它们。

现在，问题来了：我们的 bootloader 如何加载并运行这个内核程序？答案很简单，直接 call main 就可以了：

boot/boot.asm：

... ; 省略前面的代码

BOOT_SECTOR_EXTENDED_64:
; 64 位长模式
BEGIN_LM_64:
[bits 64]

  mov rdi, WHITE_ON_BLUE_64
  call print_clear_64
  mov rsi, MSG_LONG_MODE
  call print_64

  call KERNEL_START

.boot_hold_64:
  jmp $

%include "long_mode/print.asm"
%include "long_mode/print_clear.asm"

VGA_BASE_64       equ 0x000b8000  ; VGA 显示内存地址
VGA_LIMIT_64      equ 80 * 25 * 2 ; VGA 显示内存地址限制
WHITE_ON_BLUE_64  equ 0x1f        ; 白色文本，蓝色背景

KERNEL_START      equ 0x8200     ; 内核入口地址

MSG_LONG_MODE db "Jumped to 64-bit long mode", 0

times 512 - ($ - BOOT_SECTOR_EXTENDED_64) db 0 ; 填充 0

boot/entry.asm：

[bits 64]
[extern main]

global _start

_start:
  call main
  jmp $

我们后期只需要把 entry.asm 编译得到的二进制文件放到 0x8200 处即可。

目前情况下，我们的程序编译要经过如下步骤：

编译 boot/boot.asm 得到 dist/boot/boot.bin：

cd boot && nasm -f bin boot.asm -o ../dist/boot/boot.bin

编译 boot/entry.asm 得到 dist/boot/entry.bin：

cd boot && nasm -f elf64 entry.asm -o ../dist/boot/entry.bin

编译 init/main.c 得到 dist/init/main.o：

cd init && gcc -c main.c -o ../dist/init/main.o -ffreestanding -ggdb

链接 dist/init/main.o 和 dist/boot/entry.bin 得到 dist/kernel/kernel.bin：

cd dist && ld -Ttext 0x8200 --oformat binary -o kernel/kernel.bin init/main.o boot/entry.bin

合并 dist/boot/boot.bin 和 dist/kernel/kernel.bin 得到 dist/MiniOS.img：
```
cd dist && cat boot/boot.bin kernel/kernel.bin > MiniOS.img
```

然后使用 qemu 运行 MiniOS.img：

qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=dist/MiniOS.img

当然，你会很不愉快地发现，编译是通过了，但无法正常运行。

读取扇区数

你是否想起来，之前在写 bootloader 的时候，我们读取了磁盘上的前 3 个扇区，把整个 bootloader 加载进了内存。我们的内核此时没有被加载进来，当然无法运行。

但是，内核的大小是不确定的。我们当然可以在编译完内核后，查看其大小，然后修改 bootloader 的代码，把内核加载进内存。但是这样做太麻烦了。我们需要把这个流程自动化。我们可以在 boot.asm 的最顶端定义一个变量，用来存储内核的大小，然后读取这个大小的磁盘来加载内核。在编译时，通过脚本计算内核的大小，然后把这个值写入到对应的内存中。

boot/boot.asm 这样修改：

[org 0x7c00]

jmp BEGIN_RM_16

KERNEL_SIZE db 0 ; 内核大小

; 16 位实模式
BEGIN_RM_16:
[bits 16]

  mov bp, 0x0500        ; 将栈指针移动到安全位置
  mov sp, bp            ; 使其向着 256 字节的 BIOS Data Area 增长

  mov [BOOT_DRIVE], dl

  mov bx, 0x7e00        ; 将数据存储在 512 字节的 Loaded Boot Sector
  mov cl, 0x02          ; 从第 2 个扇区开始
  mov dh, [KERNEL_SIZE] ; 读取 n 个扇区
  add dh, 2             ; 加上 2 个扇区
  mov dl, [BOOT_DRIVE]  ; 读取的驱动器号
  call disk_load_16     ; 读取磁盘数据

  mov bx, MSG_REAL_MODE ; 打印模式信息
  call print_16

  call elevate_32       ; 进入 32 位保护模式

.boot_hold_16:
  jmp $                 ; 根本执行不到这里

... ; 省略后面的代码

接下来，只要计算 kernel.bin 占据的扇区数：

kernel_size_bytes=$(shell wc -c < dist/kernel.bin);
kernel_size_sectors=$$(( ($$kernel_size_bytes + 511) / 512 )); 
printf %02x $$kernel_size_sectors | xxd -r -p | dd of=dist/boot/boot.bin bs=1 seek=2 count=1 conv=notrunc;

这段代码首先计算了 kernel.bin 占据了多少个 512 字节的扇区，然后把这个值写入到 boot.bin 的第 3 个字节中——也就是 KERNEL_SIZE 的位置。

我们运行这个脚本，然后再合并 boot.bin 和 kernel.bin，就可以正常运行了。

内核成功启动

自动化编译

现在，我们的编译过程已经非常复杂，我们需要编译 boot.asm，entry.asm，main.c，然后链接、修改、合并。此外，我们还缺少 debug 等功能。

我们可以把所有过程写成 Makefile，这样就可以一键编译了：

CC = gcc
LD = ld
AS = nasm
QEMU = qemu-system-x86_64
GDB = gdb

CFLAGS = -ffreestanding -ggdb -Iinclude
LDFLAGS = -Ttext 0x8200
LDFLAGS_BIN = ${LDFLAGS} --oformat binary
ASFLAGS = -f elf64

C_SOURCES = $(wildcard init/*.c kernel/*.c drivers/*.c)
HEADERS = $(wildcard include/*.h)
OBJ = $(patsubst %.c, dist/kernel/%.o, ${C_SOURCES})

.PHONY: all clean run debug

all: clean directories dist/boot/boot.bin dist/kernel/kernel.bin dist/kernel.elf dist/MiniOS.img

directories:
	@mkdir -p dist/boot
	@mkdir -p dist/kernel/init
	@mkdir -p dist/kernel/kernel
	@mkdir -p dist/kernel/drivers

dist/boot/boot.bin: boot/boot.asm
	cd boot && ${AS} -f bin -o ../$@ boot.asm

dist/boot/entry.o: boot/entry.asm
	${AS} ${ASFLAGS} -o $@ $^

dist/kernel/kernel.bin: dist/boot/entry.o ${OBJ}
	${LD} ${LDFLAGS_BIN} -o $@ $^

dist/kernel.elf: dist/boot/entry.o ${OBJ}
	${LD} ${LDFLAGS} -o $@ $^

dist/kernel/%.o: %.c ${HEADERS}
	${CC} ${CFLAGS} -o $@ -c $<

dist/MiniOS.img: dist/boot/boot.bin dist/kernel/kernel.bin
	kernel_size_bytes=$(shell wc -c < dist/kernel/kernel.bin); \
	kernel_size_sectors=$$(( ($$kernel_size_bytes + 511) / 512 )); \
	printf %02x $$kernel_size_sectors | xxd -r -p | dd of=dist/boot/boot.bin bs=1 seek=2 count=1 conv=notrunc;
	cat $^ > $@;

clean:
	@rm -rf dist

run: dist/MiniOS.img
	@${QEMU} -drive format=raw,file=$^

# Run QEMU with GDB
debug: dist/MiniOS.img dist/kernel.elf
	@${QEMU} -drive format=raw,file=dist/MiniOS.img -s -S & ${GDB} -ex "target remote localhost:1234" -ex "symbol-file dist/kernel.elf"

这里，我们超前编写了一些代码，省得以后还要多次改动。

现在，我们只需要运行 make，就可以编译我们的系统了。如果要运行，只需要运行 make run；如果要调试，只需要运行 make debug。

如果你已经测试没有问题，便可以删掉 boot/build.sh 和 boot/debug.sh 了。

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