跟我一起写操作系统(二)——史上最简单的内核

时间:2022-01-31 14:30:43

跟我一起写操作系统(二)——史上最简单的内核

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  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:

跟我一起写操作系统(二)——史上最简单的内核

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:

12345678910111213141516171819202122 ;
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:

12345678910111213141516171819202122232425262728293031 /****************************************************#
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):

123456789101112131415161718192021 /****************************
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)

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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。  

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  2. 网络选择host-only模式。

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

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  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!

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  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!

跟我一起写操作系统(二)——史上最简单的内核

  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