X86架构操作系统内核实现过程

#操作系统内核实现（一）
操作系统的学习还是需要落地不能停留在概念上，于是打算模仿并实现操作系统内核，前面一直在做川合秀实先生的《30天自制操作系统》，但是由于它的底层系统是windows，以及讲解较为浅显不能深入了解具体的内核运行模式状态，转到了刘欢师兄写的《X86架构操作系统内核实现》上，博客虽短只有10篇左右，但内容充实，不断的带入新的文章新的链接，在做内核的途中也游览了许多计算机各方面知识的风景，收益颇丰。
###开发工具
本次开发使用的都是常见且基础的工具

• 开发语言为少量的汇编，大部分为C
• 汇编编译器选择nasm
• C编译器采用gcc
• 链接器ld
• 虚拟机当然是linux下常用的qemu

###开发过程
做事情之前首先要明确我们具体要做什么，我们要做的是一个从0开始的操作系统，从0指的是从通电的一瞬间开始，首先我们必须要让计算机能够加载我们所做的OS，那么我们不得不了解计算机的具体启动过程。
下面这张图是我通过阅读《计算机是如何启动的》画出的。

• 这张图对计算机的启动过程描述的十分详细了，细微的地方不再讲解，我们的重心是做出一个OS，但有一点我们需要注意，当BIOS读取设备第一扇区后,除了常规的直接加载Bootloader外，我们可以选择使用GRUB（来自GNU的多操作系统启动程序）来直接载入操作系统内核，因为写Bootloader需要太多的硬件知识偏离了我们的重心，同时自己动手实现Bootloader会造成与已有OS的不兼容。
• GRUB提供了multiboot规范，符合这个协议的操作系统内核能被GRUB识别，并按照定义的规则被加载。
  ####开发过程中所用到的脚本文件
  开发过程中我们需要使用脚本文件来帮助进行编译链接
• 首先是我们熟悉的Makefile，我们需要它来编译我们的整个内核，而这个Makefile在整个开发过程中几乎可以全程使用，来看下刘欢师兄所写的Makefile脚本。

#!Makefile

C_SOURCES = $(shell find . -name "*.c")
C_OBJECTS = $(patsubst %.c, %.o, $(C_SOURCES))
S_SOURCES = $(shell find . -name "*.s")
S_OBJECTS = $(patsubst %.s, %.o, $(S_SOURCES))

CC = gcc
LD = ld
ASM = nasm

C_FLAGS = -c -Wall -m32 -ggdb -gstabs+ -nostdinc -fno-builtin -fno-stack-protector -I include
LD_FLAGS = -T scripts/kernel.ld -m elf_i386 -nostdlib
ASM_FLAGS = -f elf -g -F stabs

all: $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) link update_image

.c.o:
    @echo 编译代码文件 $< ...
    $(CC) $(C_FLAGS) $< -o $@

.s.o:
    @echo 编译汇编文件 $< ...
    $(ASM) $(ASM_FLAGS) $<

link:
    @echo 链接内核文件...
    $(LD) $(LD_FLAGS) $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) -o hx_kernel

.PHONY:clean
clean:
    $(RM) $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) hx_kernel

.PHONY:update_image
update_image:
    sudo mount floppy.img /mnt/kernel
    sudo cp hx_kernel /mnt/kernel/hx_kernel
    sleep 1
    sudo umount /mnt/kernel

.PHONY:mount_image
mount_image:
    sudo mount floppy.img /mnt/kernel

.PHONY:umount_image
umount_image:
    sudo umount /mnt/kernel

.PHONY:qemu
qemu:
    qemu -fda floppy.img -boot a

.PHONY:bochs
bochs:
    bochs -f tools/bochsrc.txt

.PHONY:debug
debug:
    qemu -S -s -fda floppy.img -boot a &
    sleep 1

前面一部分是一些shell所写的定位目标文件，以及gcc与ld的配置，值得一提的是ld的链接命令中-nostdlib 是不链接C语言的标准库，因为我们目前并没有函数库，否则也不能称之为一个从0的操作系统了，在看代码的过程中碰到了patsubst这个函数，这里它是把.c与.s文件转换成了.o文件，那为什么可以直接转换呢？变成.o文件难道不需要编译了吗？Google了一下发现他是替换通配符，即只替换后缀，我觉的在这里把. s与.c文件都换成.o文件应该是想划定范围，用范围内的这些项目链接挂载在kernel下的文件把。最后是一些文件挂载和虚拟机qemu的镜像制作等。我们应该能注意到.PHONY这个命令，这个命令的意思是告诉Make，总是要执行它后面的命令，也就是说始终认为它后面生成的文件没有更新需要生成最新的。

• 接下来是ld链接器的脚本。这个脚本主要是告诉ld程序如何构造我们所需的内核映像文件，此脚本暂时难以搞懂，我们明白了他的作用就好，其中部分需要在之后的调试信息中才能明白，我们先向下接着走。
• 小结：所以我们现在要做的是使用Makefile与ld编译链接我们的内核文件，接着使用qemu生成镜像文件，按照Multiboot生成规范格式的引导信息，同时使用标准ELF格式，GRUB就会将我们所写的内核正确加载与执行。
  当前我们的目录结构是这样：

|-- Makefile
`-- scripts
    `-- kernel.ld

####启动镜像
打算在一个虚拟软盘上放入我们的内核，刘欢师兄博客中写到给出了软盘镜像但并没有找到，所以准备自己先尝试做一做带有GRUB的软盘映像。先明确一下步骤，制作软盘，接着在这个软盘上安装GRUB。

• 制作软盘在linux下比较简单，使用dd命令，我们首先创建两个软盘镜像。

#dd if=/dev/zero of=auxiflp.img bs=512 count=2880;
#dd if=/dev/zero of=bootflp.img bs=512 count=2880;

接着从ftp://alpha.gnu.org/gnu/grub/下载GRUB的编译好的文件，当然也可以选择下源文件自己编译后再用。解压后将stage1，stage2提取出来用，刚才创建的两个软盘镜像auxiflp.img用来安装GRUB文件，bootflp。img是我们最终要得到的引导盘，接着我们要把stage1，stage2写入auxiflp.img中。

#dd if=stage1 of=auxiflp.img bs=512 count=1;
#dd if=stage2 of=bootflp.img bs=512 seek=1; 

这样就完成了auxiflp.img。接着我们对bootflp.img进行操作，首先把它格式化为我们常见的FAT12格式，新建文件夹用来挂载软盘映像等。

#mkfs.vfat -F12 bootflp.img　　     ;
#mkdir floppy　　　　　　　         ;
#mount -o loop bootflp.img floppy  ;    
#mkdir -p floppy/boot/grub  　　　　
#cp stage* floppy/boot/grub  　　  ;

我们现在明确auxiflp.img中装好了GRUB,bootflp.img已经做好了一切准备，接下来的工作是用auxiflp帮助bootflp.img完成GRUB的安装，由于对qemu的使用不熟练，此处还在不断尝试中。

• 完成了含有GRUB的软盘制作后，我们可以说做好了所有的铺垫工作，接下来的就是内核的代码工作了。