创建一个mini内核

本文我们来解释下怎样创建一个mini x86操作系统。当然这个操作系统小到并不具备一个操作系统应该具有的功能,而仅仅是打印一个字符串到显示器上。

概述

当打开的电脑的时候,处理器首先会从某个特别的闪存(ROM)中加载BIOS。BIOS会自检以及初始化硬件,然后会寻找可以启动的设备。如果找到,就把控制权交给bootloader。所谓bootloader,就是储存在设备开头并且可以执行的一小段程序代码。bootloader决定内核镜像在存储设备上的位置,并且把他们加载到内存中。bootloader还需要把CPU从实模式(real mode)切换到保护模式(protected mode)。为了向前兼容(real mode产生于1987年),x86 CPU启动的时候是实模式,功能非常有限。

本文不涉及bootloader的实现,的确有些复杂,可能后面的博客在更新吧,如果有兴趣可以参考Rolling Your Own Bootloader。但众多的bootloader,我们如何选择呢?

Multiboot

对于bootloader,有一个现成的标准Multiboot Specification。内核只需要遵从这个标准,就可以启动了。下面我们就来从Multiboot 2 specification 和用的最为广泛的bootloader GRUB2开始着手。

为了遵从Multiboot2 bootloader的标准,内核必须以Multiboot Header开头,格式如下:

Field Type Value
magic number u32 0xE85250D6
architecture u32 0 for i386, 4 for MIPS
header length u32 total header size, including tags
checksum u32 -(magic + architecture + header_length)
tags variable
end tag (u16, u16, u32) (0, 0, 8)

改写成x86汇编语言,长这样(Intel syntax):

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section .multiboot_header
header_start:
dd 0xe85250d6 ; magic number (multiboot 2)
dd 0 ; architecture 0 (protected mode i386)
dd header_end - header_start ; header length
; checksum
dd 0x100000000 - (0xe85250d6 + 0 + (header_end - header_start))

; insert optional multiboot tags here

; required end tag
dw 0 ; type
dw 0 ; flags
dd 8 ; size
header_end:
  • Multiboot header存在名为.multiboot_header的section中,我们稍后会用到这个名字
  • header_start 和 header_end是标签,用来标记内存位置/地址,用来计算方便的计算这个header的长度。
  • dd表示define double(32bit), dw代表define word(word 64bit)。他们只会输出给定的32bit/16bit常量。
  • Header中的checksum最后这样计算是为了防止出现警告。如果使用前面表格里的公式-(magic + architecture + header_length)需要’带符号的32bit’ sign 32,而文档中使用无符号整型u32。所以如果使用负号不满足u32这个类型,引入编译时一个警告。所以从0x100000000 (= 2^(32))减掉,并且保持u32,而不会被截断,也没有引入负号,尽管计算结果跟有符号位是会一样的。:)

然后可以很方便的使用工具nasm来把这个文件汇编,multiboot_header.asm。 using nasm. It produces a flat binary by default, so the resulting file just contains our 24 bytes (in little endian if you work on a x86 machine):

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> nasm multiboot_header.asm
> hexdump -x multiboot_header
0000000 50d6 e852 0000 0000 0018 0000 af12 17ad
0000010 0000 0000 0008 0000
0000018

启动代码

为了启动内核,我们需要加入一些能被bootloader调用的代码。创建一个文件,叫做boot.asm

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global start

section .text
bits 32
start:
; print `OK` to screen
mov dword [0xb8000], 0x2f4b2f4f
hlt
  • 全局label, start,作为内核的入口。
  • 代码段 .text 是默认的可执行的代码。
  • bits 32 说明后面的代码都是32-bit指令。在这里是有必要的,因为当GRUB开始执行内核的时候,CPU还住在保护模式(protected mode)。当我们后面切换到长模式(long mode)之后,才可以使用64-bit指令。
  • mov dword 指令是把32bit常量0x2f4b2f4f赋值给内存地址0xb8000。(打印字符 OK 到显示器)。起始地址0xb8000是所谓的“VGA text buffer”. 是一个数组,显卡可以自动读取并且显示buffer里的字符到屏幕上。 每个屏幕上的字符是由一个8bit颜色代码和一个8bit的ASCII字符组成。这里用0x2f颜色,意思是白字绿色背景。0x4b表示ASCII的字符K,0x4f代码ASCII的字符O。
  • 最后一个hlt是CPU停止指令。

然后再来些函数调用。函数可以理解为普通的标签,再加上结尾的返回指令(ret)。并且使用指令call来调用函数。相比较指令jmp,jmp仅仅是跳转到指定的内存地址,而call指令会使用push指令,在栈(stack)中保存一个返回的地址,然后ret指令会跳转到这个地址,返回到函数调用前。

但目前为止,系统还没有栈(stack)。栈指针(esp)目前可能指向了任意数据或者内存地址。所以,我们需要更新栈指针,让它指向有效的内存地址。

观察反汇编后的可执行文件:

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> nasm boot.asm
> hexdump -x boot
0000000 05c7 8000 000b 2f4b 2f4f 00f4
000000b


> ndisasm -b 32 boot
00000000 C70500800B004B2F mov dword [dword 0xb8000],0x2f4b2f4f
-4F2F
0000000A F4 hlt

编译可执行文件

要让GRUB执行boot文件,需要boot是一个ELF可执行文件。所以需要利用nasm创建ELF目标文件。为此,我们可以传参数-f elf64给nasm来实现。

同时,为了创建ELF可执行文件,需要把这些目标文件链接到一起。这就需要一个自定义的链接脚本 linker.ld:

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ENTRY(start)

SECTIONS {
. = 1M;

.boot :
{
/* ensure that the multiboot header is at the beginning */
*(.multiboot_header)
}

.text :
{
*(.text)
}
}

来理解一下这段脚本:

  • start是入口点,bootloader加载完内核之后,会跳转到这里开始执行。
  • . = 1M;设置第一个section的加载地址到1MB, 这是一个习惯性的内核加载地址。通常不希望把内核从0x0地址开始加载,因为1M地址一下,有很多特殊的内存区域,例如前面用到的VGA text buffer 0xb8000。
  • 这个可执行文件有两个section: 文件开头的.boot,和紧跟着的.text段。
  • 生成二进制中的.boot段,包含了所有code中名为’.multiboot_header’的段。并且确保是在生成二进制文件的开头。这对于GRUB来说是必须的,需要在可执行文件的开头处,查找multiboot header。
  • 生成二进制中的.text段,包含了所有code中名为’.text’的段。

现在可以生成ELF目标文件并且使用连接脚本生成最终的可执行二进制:

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> nasm -f elf64 multiboot_header.asm
> nasm -f elf64 boot.asm
> ld -n -o kernel.bin -T linker.ld multiboot_header.o boot.o

参数-n或者--nmagic很重要,这样会禁止段的自动重排列。否则链接器可能会自作主张的改变.boot段在可执行文件中的位置,导致GRUB无法找到Multiboot header。

得到ELF文件之后,可以使用工具objdump查看生成的代码段,以及.boot段

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> objdump -h kernel.bin
kernel.bin: file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .boot 00000018 0000000000100000 0000000000100000 00000080 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
1 .text 0000000b 0000000000100020 0000000000100020 000000a0 2**4
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE

创建ISO

所有的BIOS都可以启动CD-ROM,所以这里创建一个开启动的CD-ROM镜像,包含上面创建的最小的内核以及GRUB bootloader。镜像内部的文件结构如下:

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isofiles
└── boot
├── grub
│ └── grub.cfg
└── kernel.bin
  • grub.cfg 指定了内核的名字,以及满足Multiboot2协议标准。内容如下:
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set timeout=0
set default=0

menuentry "my os" {
multiboot2 /boot/kernel.bin
boot
}

完事具备了,现在可以生成ISO镜像了:

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grub-mkrescue -o os.iso isofiles

如果grub-mkrescue不工作,尝试先的步骤,网上搜来的,笔者没有试过这个方法L:

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make sure xorriso is installed (xorriso or libisoburn package)
If you're using an EFI-system, grub-mkrescue tries to create an EFI image by default. You can either pass -d /usr/lib/grub/i386-pc to avoid EFI or install the mtools package to get a working EFI image
on some system the command is named grub2-mkrescue

启动

可以启动了,还是借助QEMU在虚拟机中试下:

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qemu-system-x86_64 -cdrom os.iso

在seaBIOS之后,虚拟机屏幕的左上角,有一个绿色的OK,说明前面的code都是工作了的。

总结

BIOS 从ISO镜像中加载bootloader(GRUB)。
Bootloader读内核ELF,并且找到Multiboot header。
Bootloader复制.boot和.text 段到内存中,分别为0x100000 和 0x100020的内存地址。
然后跳转到entry point (0x100020),前面objdump -f可以获取这个入口地址。

内核打印绿色的OK到屏幕左上角,然后CPU HLT。当然也可以在物理机上测试镜像,只需要把ISO烧录到U盘上,然后从U盘启动即可。

自动创建

以上为了讲解,分布执行操作,现在可以用Makefile来自动化这个过程。但第一步还是需要创建一个文件夹,其中文件结构如下:

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├── Makefile
└── src
└── arch
└── x86_64
├── multiboot_header.asm
├── boot.asm
├── linker.ld
└── grub.cfg

Makefile 内如如下:

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arch ?= x86_64
kernel := build/kernel-$(arch).bin
iso := build/os-$(arch).iso

linker_script := src/arch/$(arch)/linker.ld
grub_cfg := src/arch/$(arch)/grub.cfg
assembly_source_files := $(wildcard src/arch/$(arch)/*.asm)
assembly_object_files := $(patsubst src/arch/$(arch)/%.asm, \
build/arch/$(arch)/%.o, $(assembly_source_files))

.PHONY: all clean run iso

all: $(kernel)

clean:
@rm -r build

run: $(iso)
@qemu-system-x86_64 -cdrom $(iso)

iso: $(iso)

$(iso): $(kernel) $(grub_cfg)
@mkdir -p build/isofiles/boot/grub
@cp $(kernel) build/isofiles/boot/kernel.bin
@cp $(grub_cfg) build/isofiles/boot/grub
@grub-mkrescue -o $(iso) build/isofiles 2> /dev/null
@rm -r build/isofiles

$(kernel): $(assembly_object_files) $(linker_script)
@ld -n -T $(linker_script) -o $(kernel) $(assembly_object_files)

# compile assembly files
build/arch/$(arch)/%.o: src/arch/$(arch)/%.asm
@mkdir -p $(shell dirname $@)
@nasm -felf64 $< -o $@
  • $(wildcard src/arch/$(arch)/*.asm) 包含了所有文件夹src/arch/$(arch)中的汇编文件,所以,如果有增加文件的话,不需要修改MAkefile文件。
  • patsubst 操作是将src/arch/$(arch)/XYZ.asm 转变为 build/arch/$(arch)/XYZ.o
  • $< 和 $@ 是两个自动变量,分别代表输入文件和输出文件。
    命令make iso 会生成ISO,make run会直接启动QEMU虚拟机。

参考资料

A minimal Multiboot Kernel

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