MiniOS64 | (4) 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 $$kernel_size_sectors | xxd -r -p | dd of=dist/boot/boot.bin bs=1 seek=2 count=1 conv=notrunc;
这段代码首先计算了 kernel.bin
占据了多少个 512 字节的扇区,然后把这个值写入到 boot.bin
的第 3 个字节中——也就是 KERNEL_SIZE
的位置。
我们运行这个脚本,然后再合并 boot.bin
和 kernel.bin
,就可以正常运行了。
自动化编译
现在,我们的编译过程已经非常复杂,我们需要编译 boot.asm
,entry.asm
,main.c
,然后链接、修改、合并。此外,我们还缺少 debug 等功能。
我们可以把所有过程写成 Makefile
,这样就可以一键编译了:
CC = gcc
LD = ld
AS = nasm
QEMU = qemu-system-x86_64
GDB = gdb
CFLAGS = -ffreestanding -ggdb -Iinclude
LDFLAGS = -Ttext 0x8200
LDFLAGS_BIN = ${LDFLAGS} --oformat binary
ASFLAGS = -f elf64
C_SOURCES = $(wildcard init/*.c kernel/*.c drivers/*.c)
HEADERS = $(wildcard include/*.h)
OBJ = $(patsubst %.c, dist/kernel/%.o, ${C_SOURCES})
.PHONY: all clean run debug
all: clean directories dist/boot/boot.bin dist/kernel/kernel.bin dist/kernel.elf dist/MiniOS.img
directories:
@mkdir -p dist/boot
@mkdir -p dist/kernel/init
@mkdir -p dist/kernel/kernel
@mkdir -p dist/kernel/drivers
dist/boot/boot.bin: boot/boot.asm
cd boot && ${AS} -f bin -o ../$@ boot.asm
dist/boot/entry.o: boot/entry.asm
${AS} ${ASFLAGS} -o $@ $^
dist/kernel/kernel.bin: dist/boot/entry.o ${OBJ}
${LD} ${LDFLAGS_BIN} -o $@ $^
dist/kernel.elf: dist/boot/entry.o ${OBJ}
${LD} ${LDFLAGS} -o $@ $^
dist/kernel/%.o: %.c ${HEADERS}
${CC} ${CFLAGS} -o $@ -c $<
dist/MiniOS.img: dist/boot/boot.bin dist/kernel/kernel.bin
kernel_size_bytes=$(shell wc -c < dist/kernel/kernel.bin); \
kernel_size_sectors=$$(( ($$kernel_size_bytes + 511) / 512 )); \
printf %02x $$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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