Bran的内核开发教程(bkerndev)-03 内核初步

内核初步

  在这节教程, 我们将深入研究一些汇编程序, 学习创建链接脚本的基础知识以及使用它的原因。最后, 我们将学习如何使用batch(批处理)文件自动汇编、编译和链接这个最基本的受保护模式下的内核。本教程假定你已经安装了NASM和GCC, 并且了解一点点x86汇编语言。

内核入口

  内核的入口点是当引导程序(bootloader)调用内核时最先执行的代码段。这段代码一直以来几乎都是使用汇编编写的, 因为有些工作如设置新的栈, 加载新的GDT、IDT或寄存器, 你简单地使用C语言根本没法做到。在很多初学者写的内核, 和更专业的内核中, 会将所有汇编程序代码放在一个文件中, 并将其余源代码分别放在几个C文件中。

  如果至少知道一点点汇编语言, 那么下面这段汇编代码应该非常简单明了了。就代码而言, 这个文件做的只有加载一个新的8KB栈, 然后跳转到一个死循环中。这个栈是一块很小的内存, 它用于存储或传递参数给C函数。它还可以用来保存你函数中声明和使用的局部变量。其他的全局变量则存储在BSS区域中。在mboot和stublet代码块之间的代码用于生成特殊的签名, GRUB通过该签名校验即将加载的二进制输出文件, 实际上该文件就是内核。不过不用费力去理解多重引导头(multiboot header)。

  内核启动文件“start.asm”的内容如下:

start.asm

; 这是内核的入口点. 我们将在这里调用main函数,并设置栈和其他东西，比如：
; 创建GDT和内存区域，
; 请注意这里中断被禁用了，更多细节将在后面讲中断的时候提到
[BITS 32]
global start
start:
    mov esp, _sys_stack     ; 让当前栈指针指向我们新创建的栈
    jmp stublet             ; 跳转到stublet

; 使用'ALIGN 4'使这段代码4字节对齐
ALIGN 4
mboot:
    ; 多重引导的一些宏定义，使后面一些代码更具可读性
    MULTIBOOT_PAGE_ALIGN    equ 1<<0
    MULTIBOOT_MEMORY_INFO   equ 1<<1
    MULTIBOOT_AOUT_KLUDGE   equ 1<<16
    MULTIBOOT_HEADER_MAGIC  equ 0x1BADB002
    MULTIBOOT_HEADER_FLAGS  equ MULTIBOOT_PAGE_ALIGN | MULTIBOOT_MEMORY_INFO | MULTIBOOT_AOUT_KLUDGE
    MULTIBOOT_CHECKSUM  equ -(MULTIBOOT_HEADER_MAGIC + MULTIBOOT_HEADER_FLAGS)
    EXTERN code, bss, end

    ; GRUB 多重引导头 - 启动签名
    dd MULTIBOOT_HEADER_MAGIC
    dd MULTIBOOT_HEADER_FLAGS
    dd MULTIBOOT_CHECKSUM
    
    ; 自动替换 - 必须为物理地址
    ; 注意：由链接器填充这些数据的值
    dd mboot
    dd code
    dd bss
    dd end
    dd start

; 死循环
; 之后我们将在'jmp $'前插入'extern _main'和'call _main'两句代码
stublet:
    jmp $


; GDT加载代码(以后添加)


; ISR代码(以后添加)



; BSS区的定义
; 现在问将用它来存储栈
; 栈是向下生长的，所以我们在声明'_sys_stack'
SECTION .bss
    resb 8192               ; 保留8KB内存
_sys_stack:

链接脚本

  链接器是接收所有编译器和汇编器的输出文件, 并把它们链接成一个二进制文件的工具。二进制文件有很多种格式, 常见的有: Flat、AOUT、COFF、PE、ELF等。我们在工具集中选择的链接器是LD链接器。这是一个非常好的多功能链接器。LD链接器有多种版本, 可以输出任何你想要格式的位二进制文件。无论你选择那种输出格式, 输出的文件总由3个部分组成: 1) 'Text'或'Code'是可执行段;2) 'Data'段用于存放硬编码值(hardcoded value), 比如你声明了一个变量, 并将该变量的值设为5, 这个'5'就被存储在'Data'区域;3) 'BSS'段由未初始化的数据组成, 如没有赋值的数组。'BSS'是一个虚拟段, 它在二进制镜像中是不存在的, 但是在二进制文件加载的时候存在于内存中。

  下面是LD链接脚本文件"link.ld"的内容。OUTPUT_FORMAT关键字告诉LD我们将创建哪种形式的二进制镜像, 简单起见, 我们使用'binary'二进制镜像。ENTRY用于指定哪个目标文件最先被链接。我们希望”start.asm“编译后的输出文件”start.o“为第一个链接的目标文件, 也就是没和的入口点。phys不是关键字, 而是链接脚本中使用的变量, 被用来指向内存中1MB地址的指针, 也就我们二进制文件被加载和运行的地方。SECTIONS里定义了3个主要区域: '.text'、'.data'、'.bss', 并同时定义了3个变量: 'code', 'data', 'bss', 还有 'end'。不要对此感到困惑, 其实这三个变量是我们的启动文件"start.asm"中的变量。ALIGN(4096)用来确保每个区域以4096B(4KB)为边界。在这种情况下, 每个部分将从内存中的单独"页"开始。

link.ld

OUTPUT_FORMAT("binary")
ENTRY(start)
phys = 0x00100000;
SECTIONS
{
  .text phys : AT(phys) {
    code = .;
    *(.text)
    *(.rodata)
    . = ALIGN(4096);
  }
  .data : AT(phys + (data - code))
  {
    data = .;
    *(.data)
    . = ALIGN(4096);
  }
  .bss : AT(phys + (bss - code))
  {
    bss = .;
    *(.bss)
    . = ALIGN(4096);
  }
  end = .;
}

汇编和链接

  这里我们必须对"start.asm"进行汇编, 并使用上面的链接脚本来创建我们内核的二进制文件, 以便GRUB加载。在Unix系统中实现上述操作的最简单的方法就是创建一个makefile脚本文件来帮你汇编、编译、链接。但是大多数人使用的是Windows系统, 在Windows系统中, 我们可以创建一个batch文件。batch文件其实就是DOS命令的集合, 你可只需输入这个batch文件的文件名就可以依次执行该batch文件中的DOS命令集。更简单的方法是, 你只需要双击该batch文件, 就会在Windows系统下自动执行DOS命令编译你的内核。

  下面是本教程使用的batch文件"build.bat"。echo是一个DOS命令, 用来向终端显示字符。nasm是我们使用的汇编器, 我们以aout的格式编译, 因为LD链接器需要一种已知格式才能解析链接过程中的符号。汇编器将’start.asm'汇编成'start.o'。rem命令是注释, 在运行batch文件是会将它忽略。ld是我们的链接器, '-T'参数告诉链接器我们使用哪一个链接脚本, -o用来指定输出文件名。其他的参数都将被链接器理解为需要链接到一起并解析生成kernel.bin的文件。最后, pause命令将在屏幕上显示"Press a key to continue..."并等待我们按下键盘上的任意键, 这方便我们查看汇编器或链接器在语法错误上给出了哪些提示。

build.bat

echo Now assembling, compiling, and linking your kernel:
nasm -f aout -o start.o start.asm
rem Remember this spot here: We will add 'gcc' commands here to compile C sources


rem This links all your files. Remember that as you add *.o files, you need to
rem add them after start.o. If you don't add them at all, they won't be in your kernel!
ld -T link.ld -o kernel.bin start.o
echo Done!
pause

PS: 下面是我自己写的

64位Linux下的编译脚本

build.sh

echo "Now assembling, compiling, and linking your kernel:"
nasm -f elf64 -o start.o start.asm
# Remember this spot here: We will add 'gcc' commands here to compile C sources

# This links all your files. Remember that as you add *.o files, you need to
# add them after start.o. If you don't add them at all, they won't be in your kernel!
ld -T link.ld -o kernel.bin start.o
echo "Done!"

使用下面指令运行:

bash build.sh