实现一个简单的64位操作系统 (0x01)环境搭建

0x01 概述

工欲善其事,必先利其器。开始实现操作系统之前,还是必须搭建好一个环境的。
初步打算使用以下环境:

  1. 操作系统:Ubuntu 18.04 x64
  2. 编译器:GNU GCC + NASM
  3. 编辑器:Visual Studio Code
  4. Emulator: Bochs

操作系统选择Ubuntu的原因仅仅是因为我一直在用它,并且在一块外接的硬盘上就装有Ubuntu,能直接拿来用。最好选择一个Linux来实现,至于哪个发行版,就看哪个用得顺手了。理论上应该也是能使用Windows的,但是GNU这一套东西在Windows上弄起来比较麻烦,我就索性使用Linux了。有兴趣的朋友可以自己使用Windows试试。

本过程参考了《一个64位操作系统的设计与实现》,有兴趣的朋友推荐看看这本书。

0x02 安装

  1. 操作系统
    操作系统的安装就不再提了,可以安装为VM,可以在Windows基础上安装双系统,一直在用Linux的就不用再麻烦重新安装操作系统了。
    安装教程百度、Google上都有,很容易就能安装起来。

  2. 编译器
    在ubuntu上安装起来很简单,用包管理器就能安装。

sudo apt install -y gcc nasm
  1. 编辑器
    编辑器安装也很简单,上VS Code官网下载一个安装就OK了。

  2. Emulator
    Emulator用的是Bochs,它的安装稍微复杂一点。
    先保证安装好了make: sudo apt install -y make
    然后上Bochs官网下载最新的Bochs源码。
    下载到源码之后,将它解压,然后在源码的目录下执行configure:

./configure --with-x11 --with-wx --enable-debugger --enable-disasm --enable-all-optimizations --enable-readline --enable-long-phy-address --enable-ltdl-install --enable-idle-hack --enable-plugins --enable-a20-pin --enable-x86-64 --enable-smp --enable-cpu-level=6 --enable-large-ramfile --enable-repeat-speedups --enable-fast-function-calls --enable-handlers-chaining --enable-debugger-gui --enable-iodebug --enable-logging --enable-assert-checks --enable-monitor-mwait --enable-avx --enable-3dnow --enable-alignment-check --enable-pci --enable-usb --enable-voodoo

这个地方有个小坑,由于要使用到x11使Emulator可视化,要用到libx11,Ubuntu下默认是没有安装这个依赖的,需要提前安装好。

sudo apt install -y libx11-dev xorg-dev

然后执行make,等待编译完成。编译需要make和gcc都正确安装。

make

编译过程中如果有什么错误或者少了什么依赖,可以根据错误提示搜索解决一下。我这的编译过程还是比较顺利的。
编译完成后install一下。

sudo make install

执行完成之后,可以执行bochs指令看一下是否安装成功。

bochs

如果出现下图的提示,说明安装成功了。

image

0x03 配置

安装好基本环境之后还要进行配置。下面主要是对bochs进行配置,让它能够正确地模拟出我们想要的环境。
首先,可以选一个任意的目录作为Project目录,之后的源码、配置文件以及生成的文件都往这个目录放。
然后,在这个目录下创建一个bochsrc文件。这个文件的内容是对bochs的一些配置,告诉bochs应该用什么样的方法来模拟环境。bochsrc的内容如下:

plugin_ctrl: unmapped=1, biosdev=1, speaker=1, extfpuirq=1, parallel=1, iodebug=1

boot: floppy
floppya: type=1_44, 1_44="build/boot.img", status=inserted, write_protected=0

cpu: count=1:1:1, ips=4000000, quantum=16, model=corei7_haswell_4770, reset_on_triple_fault=1, cpuid_limit_winnt=0, ignore_bad_msrs=1, mwait_is_nop=0, msrs="msrs.def"

plugin_ctrl告诉bochs需要用到哪些plugin,boot告诉bochs我们使用的是软盘(floppy)而不是硬盘。floppya制定软盘的一些属性。cpu指定了需要模拟的是什么样的cpu。这里我选用了跟书作者一样的CPU: Intel Core i7。
能看到在floppya中指定的软盘镜像是build/boot.img,当前还没有这个文件,下一步就是要生成它。
进入创建的build目录,执行bximage,这个工具是安装bochs的时候顺带安装上的。

bximage

会看到出现了创建镜像的引导界面。

image

这里选择1,创建一个新的image。
然后来到下一步:
image

这里输入fd,表示要创建的是软盘,然后进入下一步:
choose size

这里选择默认的1.44M就行。回车进入下一步:
image

这里要求输入创建镜像的名字。之前在bochs配置文件中写的是boot.img,所以这里也输入boot.img,当然可以先用默认的生成好,然后之后改名。
这里回车后就生成好一个镜像文件了。如下图。
image

从最后一行中能看出,bochs以及提示我们要在bochsrc里加入floppya: image="boot.img", status=inserted这一行了。
然后退回项目目录,执行bochs看看效果:

bochs -f bochsrc

-f选项告诉bochs制定的配置文件,也就是刚才写好的bochsrc文件。
执行后出现一下提示:

image

默认选6开始模拟,这里选6就行。直接回车。回车后出现一个新窗口,全黑的,并且bochs变成等待输入的状态。如下图。
image

这时候就需要在右边的窗口输入指令开始调试了。具体的调试指令可以很容易搜到,与gdb比较像,之前用过gdb或者windbg的话可以通过简单学习很快上手。
输入c执行,让程序跑起来,看看效果。
image

发现跑起来之后,提示"Booting from Floppy"然后提示"not a bootable device",说明bochs已经成功加载boot.img了,但是没有从里面发现引导内容,所以引导失败了。引导程序之后再编写,到这里已经完成环境配置了。

0x04 总结

环境配置还是比较简单的,但也是非常重要的。要想专心于实现而不去操心边边角角的东西,一开始的环境配置就非常关键了。

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