《一个操作系统的实现》笔记（5）--内核雏形
我们希望自己的操作系统内核至少应该在Linux下用GCC编译链接。
Loader要做的事有两件：加载内核入内存、跳入保护模式。
在Linux下用汇编写程序
示例：
;hello.asm
[section .data] ; 数据在此
strHello db "Hello, world!", 0Ah
STRLEN equ $ - strHello
[section .text] ; 代码在此
global _start ; 我们必须导出 _start 这个入口，以便让链接器识别
_start:
mov edx, STRLEN
mov ecx, strHello
mov ebx, 1
mov eax, 4 ; sys_write
int 0x80 ; 系统调用
mov ebx, 0
mov eax, 1 ; sys_exit
int 0x80 ; 系统调用编译链接方法:
(ld 的‘-s’选项意为“strip all”) 去掉符号表等内容，可起到对生成的可执行代码减肥之用。
$ nasm -f elf hello.asm -o hello.o
$ ld -s hello.o -o hello
$ ./hello
Hello, world!
$汇编和C互相调用
;foo.asm
extern choose ; int choose(int a, int b);
[section .data] ; 数据在此
num1st dd 3
num2nd dd 4
[section .text] ; 代码在此
global _start ; 我们必须导出 _start 这个入口，以便让链接器识别。
global myprint ; 导出这个函数为了让 bar.c 使用
_start:
push dword [num2nd] ; `.
push dword [num1st] ; |
call choose ; | choose(num1st, num2nd);
add esp, 8 ; /
mov ebx, 0
mov eax, 1 ; sys_exit
int 0x80 ; 系统调用
; void myprint(char* msg, int len)
myprint:
mov edx, [esp + 8] ; len
mov ecx, [esp + 4] ; msg
mov ebx, 1
mov eax, 4 ; sys_write
int 0x80 ; 系统调用
ret// bar.c
void myprint(char* msg, int len);
int choose(int a, int b)
{
if(a >= b){
myprint("the 1st one\n", 13);
}
else{
myprint("the 2nd one\n", 13);
}
return 0;
}编译链接方法
(ld 的‘-s’选项意为“strip all”)
$ nasm -f elf foo.asm -o foo.o
$ gcc -c bar.c -o bar.o
$ ld -s hello.o bar.o -o foobar
$ ./foobar
the 2nd one
$- 1、由于在bar.c中用到函数myprint()，所以要用关键字global将其导出。
- 2、由于用到本文件外定义的choose(), 所以要用关键字extern声明。
- 3、不管是myprint()还是choose()，都遵循C调用约定，后面的参数先入栈，并由调用者清理堆栈。
ELF文件格式
详见《程序员的自我修养》
这里只分析了ELF_HEADER和Program header部分。没有难度更大的动态链接部分。
把内核加载到内存
加载内核到内存这一步和引导扇区的工作非常相似，只是处理内核时我们需要根据Program header table中的值把内核中相应段放到正确的位置。
BaseOfLoader equ 09000h ; LOADER.BIN 被加载到的位置 ---- 段地址
OffsetOfLoader equ 0100h ; LOADER.BIN 被加载到的位置 ---- 偏移地址
BaseOfLoaderPhyAddr equ BaseOfLoader*10h ; LOADER.BIN 被加载到的位置 ---- 物理地址
;...
; GDT
; 段基址 段界限, 属性
LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ; 空描述符
LABEL_DESC_FLAT_C: Descriptor 0, 0fffffh, DA_CR|DA_32|DA_LIMIT_4K ;0-4G
LABEL_DESC_FLAT_RW: Descriptor 0, 0fffffh, DA_DRW|DA_32|DA_LIMIT_4K;0-4G
LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW|DA_DPL3 ; 显存首地址
GdtLen equ $ - LABEL_GDT
GdtPtr dw GdtLen - 1 ; 段界限
dd BaseOfLoaderPhyAddr + LABEL_GDT ; 基地址
; GDT 选择子
SelectorFlatC equ LABEL_DESC_FLAT_C - LABEL_GDT
;...
LABEL_FILE_LOADED:
;...
; 下面准备跳入保护模式
; 加载 GDTR
lgdt [GdtPtr]
;...
; 真正进入保护模式
jmp dword SelectorFlatC:(BaseOfLoaderPhyAddr+LABEL_PM_START)
jmp $
; 从此以后的代码在保护模式下执行 ----------------------------------------------------
; 32 位代码段. 由实模式跳入 ---------------------------------------------------------
[SECTION .s32]
ALIGN 32
[BITS 32]
LABEL_PM_START:
mov ax, SelectorVideo
mov gs, ax
mov ax, SelectorFlatRW
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov ss, ax
mov esp, TopOfStack
push szMemChkTitle
call DispStr
add esp, 4
call DispMemInfo
call SetupPaging
;...
;...
[SECTION .data1]
LABEL_DATA:
; 实模式下使用这些符号
; 字符串
_szMemChkTitle: db "BaseAddrL BaseAddrH LengthLow LengthHigh Type", 0Ah, 0
_szRAMSize: db "RAM size:", 0
;...
; 堆栈就在数据段的末尾
StackSpace: times 1024 db 0
TopOfStack equ BaseOfLoaderPhyAddr + $ ; 栈顶
; SECTION .data1 之结束重新放置内核
我们要做的工作是根据内核的Program header table的信息进行类似下面这个C语言语句的内存复制：
memcpy(pPHdr->p_vaddr,BaseOfKernelFilePhyAddr+pPHdr->p_offset,pPHdr->p_filesz)
现在的内存分布式这样的：0x90000开始的63KB留给了Loader.bin，0x80000开始的64KB留给了Kernel.bin,0x30000开始的320KB留给了整理后的内核，而页目录和页表被放置在了1MB以上的内存空间
;***************************************************************
jmp SelectorFlatC:KernelEntryPointPhyAddr ; 正式进入内核 *
;***************************************************************
; 内存看上去是这样的：
; ┃ ┃
; ┃ . ┃
; ┃ . ┃
; ┃ . ┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃■■■■■■■■■■■■■■■■■■┃
; ┃■■■■■■Page Tables■■■■■■┃
; ┃■■■■■(大小由LOADER决定)■■■■┃
; 00101000h ┃■■■■■■■■■■■■■■■■■■┃ PageTblBase
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃■■■■■■■■■■■■■■■■■■┃
; 00100000h ┃■■■■Page Directory Table■■■■┃ PageDirBase <- 1M
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃□□□□□□□□□□□□□□□□□□┃
; F0000h ┃□□□□□□□System ROM□□□□□□┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃□□□□□□□□□□□□□□□□□□┃
; E0000h ┃□□□□Expansion of system ROM □□┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃□□□□□□□□□□□□□□□□□□┃
; C0000h ┃□□□Reserved for ROM expansion□□┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃□□□□□□□□□□□□□□□□□□┃ B8000h ← gs
; A0000h ┃□□□Display adapter reserved□□□┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃□□□□□□□□□□□□□□□□□□┃
; 9FC00h ┃□□extended BIOS data area (EBDA)□┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃■■■■■■■■■■■■■■■■■■┃
; 90000h ┃■■■■■■■LOADER.BIN■■■■■■┃ somewhere in LOADER ← esp
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃■■■■■■■■■■■■■■■■■■┃
; 80000h ┃■■■■■■■KERNEL.BIN■■■■■■┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃■■■■■■■■■■■■■■■■■■┃
; 30000h ┃■■■■■■■■KERNEL■■■■■■■┃ 30400h ← KERNEL 入口 (KernelEntryPointPhyAddr)
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃ ┃
; 7E00h ┃ F R E E ┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃■■■■■■■■■■■■■■■■■■┃
; 7C00h ┃■■■■■■BOOT SECTOR■■■■■■┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃ ┃
; 500h ┃ F R E E ┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃□□□□□□□□□□□□□□□□□□┃
; 400h ┃□□□□ROM BIOS parameter area □□┃
; ┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
; ┃◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇┃
; 0h ┃◇◇◇◇◇◇Int Vectors◇◇◇◇◇◇┃
; ┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛ ← cs, ds, es, fs, ss
;
;
; ┏━━━┓ ┏━━━┓
; ┃■■■┃ 我们使用 ┃□□□┃ 不能使用的内存
; ┗━━━┛ ┗━━━┛
; ┏━━━┓ ┏━━━┓
; ┃ ┃ 未使用空间 ┃◇◇◇┃ 可以覆盖的内存
; ┗━━━┛ ┗━━━┛
;
; 注：KERNEL 的位置实际上是很灵活的，可以通过同时改变 LOAD.INC 中的
; KernelEntryPointPhyAddr 和 MAKEFILE 中参数 -Ttext 的值来改变。
; 比如把 KernelEntryPointPhyAddr 和 -Ttext 的值都改为 0x400400，
; 则 KERNEL 就会被加载到内存 0x400000(4M) 处，入口在 0x400400。
;此时，cs、ds、es、fs、ss表示的段统统指向内存地址0h，gs表示的段则指向显存，这是我们在进入保护模式之后设置的。
同时，esp、GDT等内容也在loader中，之后我们需要将它们都挪到内核中，以便于控制。
向内核交出控制权
KernelEntryPointPhyAddr equ 030400h ;
;...
;***************************************************************
jmp SelectorFlatC:KernelEntryPointPhyAddr ; 正式进入内核 *
;***************************************************************切换堆栈和GDT
gdt_ptr本质还是一块内存，我们可以用c语言来重新这个内存，然后再用汇编的lgdt指令重新加载它，这样就方便地达到了切换的目的了。
在start.c中，我们成功的把gdt_ptr的值修改了，让它的基地址字段等于在start.c中定义的gdt数组变量。
memcpy把在loader.asm中定义的GDT表复制给gdt数组了。
;kernel.asm
SELECTOR_KERNEL_CS equ 8
; 导入函数
extern cstart
; 导入全局变量
extern gdt_ptr
[SECTION .bss]
StackSpace resb 2 * 1024
StackTop: ; 栈顶
[section .text] ; 代码在此
global _start ; 导出 _start
_start:
; 把 esp 从 LOADER 挪到 KERNEL
mov esp, StackTop ; 堆栈在 bss 段中
sgdt [gdt_ptr] ; cstart() 中将会用到 gdt_ptr
call cstart ; 在此函数中改变了gdt_ptr，让它指向新的GDT
lgdt [gdt_ptr] ; 使用新的GDT
;lidt [idt_ptr]
jmp SELECTOR_KERNEL_CS:csinit
csinit: ; “这个跳转指令强制使用刚刚初始化的结构”——<:D&I 2nd>> P90.
push 0
popfd ; Pop top of stack into EFLAGS
hlt //start.c
PUBLIC u8 gdt_ptr[6]; // 0~15:Limit 16~47:Base
PUBLIC DESCRIPTOR gdt[GDT_SIZE];
PUBLIC void cstart()
{
disp_str("\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n"
"-----\"cstart\" begins-----\n");
/* 将 LOADER 中的 GDT 复制到新的 GDT 中 */
memcpy(&gdt, /* New GDT */
(void*)(*((u32*)(&gdt_ptr[2]))), /* Base of Old GDT */
*((u16*)(&gdt_ptr[0])) + 1 /* Limit of Old GDT */
);
/* gdt_ptr[6] 共 6 个字节：0~15:Limit 16~47:Base。用作 sgdt/lgdt 的参数。*/
u16* p_gdt_limit = (u16*)(&gdt_ptr[0]);
u32* p_gdt_base = (u32*)(&gdt_ptr[2]);
*p_gdt_limit = GDT_SIZE * sizeof(DESCRIPTOR) - 1;
*p_gdt_base = (u32)&gdt;
disp_str("-----\"cstart\" ends-----\n");
}添加中断处理
从进程本身的角度看，它只不过是一段执行中的代码，它与操作系统的代码没有本质区别。
从操作系统角度看，进程必须是可控的，这就涉及到进程和操作系统之间执行的转换。因为CPU只有一个，同一时刻要么是客户进程在运行，要么是操作系统系统在运行。
如果实现进程，需要一种控制权转换机制，这种机制便是中断。
要添加中断处理，主要的工作有两项：设置8259A和建立IDT。
以一个divide_error为例，它在kernel.asm中是一个导出符号，而exception_handler是在protect.c中定义的一个处理程序，因为在init_prot初始化了，所以当发生divide_error中断时exception_handler就会被调用处理了。
;kernel.asm
; 中断和异常 -- 异常
divide_error:
push 0xFFFFFFFF ; no err code
push 0 ; vector_no = 0
jmp exception
;...
exception:
call exception_handler
add esp, 4*2 ; 让栈顶指向 EIP，堆栈中从顶向下依次是：EIP、CS、EFLAGS
hlt;protect.c
/* 门描述符 */
typedef struct s_gate
{
u16 offset_low; /* Offset Low */
u16 selector; /* Selector */
u8 dcount; /* 该字段只在调用门描述符中有效。如果在利用
调用门调用子程序时引起特权级的转换和堆栈
的改变，需要将外层堆栈中的参数复制到内层
堆栈。该双字计数字段就是用于说明这种情况
发生时，要复制的双字参数的数量。*/
u8 attr; /* P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) */
u16 offset_high; /* Offset High */
}GATE;
PUBLIC void init_prot()
{
init_8259A();
// 全部初始化成中断门(没有陷阱门)
init_idt_desc(INT_VECTOR_DIVIDE, DA_386IGate,
divide_error, PRIVILEGE_KRNL);
//...
}
/*
初始化 386 中断门
*/
PRIVATE void init_idt_desc(unsigned char vector, u8 desc_type,
int_handler handler, unsigned char privilege)
{
GATE * p_gate = &idt[vector];
u32 base = (u32)handler;
p_gate->offset_low = base & 0xFFFF;
p_gate->selector = SELECTOR_KERNEL_CS;
p_gate->dcount = 0;
p_gate->attr = desc_type | (privilege << 5);
p_gate->offset_high = (base >> 16) & 0xFFFF;
}
PUBLIC void exception_handler(int vec_no,int err_code,int eip,int cs,int eflags)
{
//...
}