【实现一个简单的操作系统】01-在虚拟机中运行简单内核

接通电源后，内存中固化了一段代码（这段代码无需从存储器中读取）。这段代码的执行流程如下：① 设置段地址cs=0xFFFF（0x表示16进制），偏移地址ip=0x0000② 系统当前处于实模式，寻址方式为段地址左移四位加上偏移地址，此时pc=0xFFFF0，对应着 ROM BIOS 映射区（BIOS，Basic Input Output System，基本输入输出系统）③ 检查RAM，键盘，显示器，

天格98

1442人浏览 · 2024-10-05 18:35:38

天格98 · 2024-10-05 18:35:38 发布

【实现一个简单的操作系统】01-在虚拟机中运行简单内核
 【实现一个简单的操作系统】02-实现保护模式内存寻址GDT
【实现一个简单的操作系统】03-实现保护模式下的中断处理IDT

前言

本系列是实现一个简单的操作系统中的第 1 篇博客，如果您感兴趣，建议您阅读上述其他博客。本篇博客将介绍如何写一个入门内核以及如何在虚拟机中启动内核。

1 操作系统的启动

接通电源后，内存中固化了一段代码（这段代码无需从存储器中读取）。这段代码的执行流程如下：

① 设置段地址cs=0xFFFF（0x表示16进制），偏移地址ip=0x0000
② 系统当前处于实模式，寻址方式为段地址左移四位加上偏移地址，此时pc=0xFFFF0，对应着 ROM BIOS 映射区（BIOS，Basic Input Output System，基本输入输出系统）
③ 检查RAM，键盘，显示器，磁盘等等是否正常工作
④ 将0磁0扇区（共512字节）读入0x7C00地址处（这就是引导扇区）
⑤ 设置段地址cs=0x07C0，ip=0x0000，pc=cs<<4+ip=0x7C00，系统接下来从0x7C00开始执行，即引导扇区的地址

1.2 具体实现

当我们自己实现一个简单操作系统时，暂时不需要执行上述复杂的流程，只需要让内核正确加载，成功运行即可。
代码目录：kernel.cpp, loader.s, Makefile, linker.ld

1.2.1 GRUB 引导代码编写

GRUB 是一个系统启动引导管理器，是在计算机启动后运行的第一个程序，他是用来负责加载、传输控制到操作系统的内核，一旦把内核挂载，系统引导管理器的任务就算完成退出。接下来由内核来控制完成系统引导的其它部分，比如系统的初始化及启动过程。GRUB 是一个来自自由软件基金会项目的多操作系统启动程序，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB 可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。

如果希望使用 GRUB 引导操作系统，需要满足以下两个条件：
① 需要有一个 Multiboot Header，这个 Multiboot Header 必须在内核镜像的前 8192 个字节内，并且是首地址是 4 字节对其的。
② 内核的加载地址在 1MB 以上的内存中，这个要求是 GRUB 附加的，并非多重引导规范的规定。

Multiboot Header 定义如下:

偏移量	类型	域名	备注
0	uint32_t	magic	必需
4	uint32_t	flags	必需
8	uint32_t	checksum	必需
12	uint32_t	header_addr	如果flags[16]被置位
16	uint32_t	load_addr	如果flags[16]被置位
20	uint32_t	load_end_addr	如果flags[16]被置位
24	uint32_t	bss_end_addr	如果flags[16]被置位
28	uint32_t	entry_addr	如果flags[16]被置位
32	uint32_t	mode_type	如果flags[2]被置位
36	uint32_t	width	如果flags[2]被置位
40	uint32_t	height	如果flags[2]被置位
44	uint32_t	depth	如果flags[2]被置位

其中 magic, flags, checksum 是前三个必须保留的 header 域名，只要在汇编代码中定义即可。GRUB 将会在引导操作系统时检查该 header 以正常引导操作系统。

; 设置必要的 Multiboot Header
.set MAGIC, 0x1badb002
.set FLAGS, (1 << 0 | 1 << 1)
.set CHECKSUM, -(MAGIC + FLAGS)

; 定义 multiboot段
.section .multiboot
    .long MAGIC
    .long FLAGS
    .long CHECKSUM

loader.s
注：关于 ARM 架构下常用 GNU 汇编程序伪指令的使用方式可看文末链接。

; 设置必要的 Multiboot Header
.set MAGIC, 0x1badb002
.set FLAGS, (1 << 0 | 1 << 1)
.set CHECKSUM, -(MAGIC + FLAGS)

; 定义 multiboot段
.section .multiboot
    .long MAGIC
    .long FLAGS
    .long CHECKSUM

; 定义代码段
.section .text
.extern kernelMain          ; 声明外部函数，在kernel.cpp实现，见下文
.extern callConstructors    ; 声明外部函数，在kernel.cpp实现，见下文
.global loader

loader:
    mov $kernel_stack, %esp
    call callConstructors
    push %eax
    push %ebx
    call kernelMain

_stop:
    cli
    hlt
    jmp _stop

.section .bss
.space 2*1024*1024
kernel_stack:               ; 栈从高地址向低地址使用

1.2.2 kernel代码编写

kernel 代码只完成一个简单功能，可以在屏幕显示 Hello OS!。之前在loader.s文件里声明了外部函数，kernelMain 和 callConstructors，kernel.cpp 中需要实现。

<kernelMain函数>

extern "C" void kernelMain(void *multiboot_structure, int32_t magic_number){
    printf("Hello OS!");

    while(1); // 内核程序需要保证持续运行，死循环保证持内核持续运行
}

由于自己实现操作系统，无法使用库函数（自己实现的操作系统没有库函数），需要自己实现，printf 函数。

<printf函数>
需要在操作系统的显示内存中显示字符，就需要知道操作系统的显示内存地址，显示内存地址为 0xb8000，往该内存写内容就可显示字符。显示一个字符需要两个字节，第一个字节决定该字符的颜色，第二个字节决定该字符的内容。

void printf(const char *str){
    static short *VideoMemory = (short*)0xb8000;
    static char x = 0;
    for(int i = 0; str[i] != '\0'; ++i){
        VideoMemory[x] = (VideoMemory[x] & 0xFF00 | str[i]);
        ++x;
    }
}

<callConstructors函数>
callConstructors 负责一些程序初始化操作，比如初始化全局变量。

typedef void (*constructor)();

// 在链接文件中，start_ctors 和 end_ctors实际上时两个地址
extern constructor start_ctors;
extern constructor end_ctors;

// 进行初始化操作
extern "C" void callConstructors(){
    for(constructor *i = &start_ctors; i != &end_ctors; ++i){
        (*i)();
    }
}

其中的 start_ctors 和 end_ctors （函数指针）定义在链接文件 linker.ld 中，可以认为是要执行的一些函数的起始地址和终止地址。

综上所述，kernel.cpp代码如下：
kernel.cpp

void printf(const char *str){
    static short *VideoMemory = (short*)0xb8000;
    static char x = 0;
    for(int i = 0; str[i] != '\0'; ++i){
        VideoMemory[x] = (VideoMemory[x] & 0xFF00 | str[i]);
        ++x;
    }
}

typedef void (*constructor)();

// 在链接文件中，start_ctors 和 end_ctors实际上时两个地址
extern constructor start_ctors;
extern constructor end_ctors;

// 进行初始化操作
extern "C" void callConstructors(){
    for(constructor *i = &start_ctors; i != &end_ctors; ++i){
        (*i)();
    }
}

extern "C" void kernelMain(void *multiboot_structure, int magic_number){
    printf("Hello OS!");

    while(1); // 内核程序需要保证持续运行，死循环保证持内核持续运行
}

1.2.3 链接脚本的编写

链接脚本的编写可参考文末链接，有助于对链接脚本有初步认识，不需要完全掌握。

linker.ld

ENTRY(loader)

OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
OUTPUT_ARCH(i386:i386)

SECTIONS {
    . = 0x100000;

    .text : {
        *(.multiboot)
        *(.text*)
        *(.rodata)
    }

    .data : {
        start_ctors = .;
        KEEP(*(.init_array));
        KEEP(*(SORT_BY_INIT_PRIORITY(.init_array.*)));
        end_ctors = .;

        *(.data)
    }

    .bss : {
        *(.bss)
    }

    /DISCARD/ : {
        *(fini_array*)
        *(.comment)
    }
}

1.2.4 Makefile编写

Makefile 可以帮助我们快速编译文件，相关命令可参考文末链接。
Makefile

GPPPARAMS = -m32 -fno-use-cxa-atexit -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -fno-exceptions -fno-leading-underscore
ASMPARAMS = --32
LDPARAMS = -melf_i386

objects = kernel.o loader.o

%.o : %.cpp
	g++ $(GPPPARAMS) -o $@ -c $<

%.o : %.s
	as $(ASMPARAMS) -o $@ $<

mykernel.bin : linker.ld $(objects)
	ld $(LDPARAMS) -T $< -o $@ $(objects)

mykernel.iso : mykernel.bin
	mkdir iso
	mkdir iso/boot
	mkdir iso/boot/grub
	cp $< iso/boot/
	echo 'set timeout=2' >> iso/boot/grub/grub.cfg
	echo 'set default=0' >> iso/boot/grub/grub.cfg
	echo '' >> iso/boot/grub/grub.cfg
	echo 'menuentry "Mini OS" {' >> iso/boot/grub/grub.cfg
	echo '	multiboot /boot/mykernel.bin' >> iso/boot/grub/grub.cfg
	echo '	boot' >> iso/boot/grub/grub.cfg
	echo '}' >> iso/boot/grub/grub.cfg
	grub-mkrescue --output=$@ iso
	rm -rf iso

run : mykernel.iso
	virtualboxvm --startvm "Tuitorial" &

.phony : clean
clean:
	rm -rf $(objects) mykernel.bin mykernel.iso