老李教你写操作系统 0x00 - bootloader
今天开始，我们来学习操作系统的开发。
前置知识
你需要一点汇编语言的知识，老李为此专门写了一个系列文章，算是要用到的基础知识。按逻辑上来讲，本文是接着汇编语言系列的最后一篇文章来写的，那篇文章已经实现了一个操作系统的bootloader，本文只是对其做了规范化。
何为规范化？那篇文章中我们的内核最终是纯二进制的指令，我们并不知道内核的大小，只是假设它小于512字节，所以我们只从硬盘读取了一个扇区，加载到内存并执行。规范的做法是将内核组装成约定的格式，最终的内核映像符合这种格式。它有一个header，用于保存内核的元信息，内核的起始地址、加载到何处、由多少段组成等等。我们选择一种通用的格式ELF，下面我们简要介绍一下这种格式。
ELF
先贴一些资料，这些资料都介绍的非常详细，大家可以仔细研究。
- https://wiki.osdev.org/ELF
- https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format
- https://refspecs.linuxbase.org/elf/elf.pdf
这里只介绍我们要用到的一些基础知识。
ELF格式的文件看上去就像这样。
左边的Linking View对应目标文件，通常来讲就是编译生成的.o文件；右边的Execution View对应可执行文件，通常来讲就是链接生成的文件格式。文件由ELF Header开始，后跟Program Header Table、Sections或Segments，最后是Section Header Table。下面我们看一下ELF Header和Program Header的结构。
ELF Header
#define EI_NIDENT 16
typedef struct elf32_hdr
{
unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; /* 魔数和相关信息 */
Elf32_Half e_type; /* 目标文件类型 */
Elf32_Half e_machine; /* 硬件体系 */
Elf32_Word e_version; /* 目标文件版本 */
Elf32_Addr e_entry; /* 程序进入点 */
Elf32_Off e_phoff; /* 程序头部偏移量 */
Elf32_Off e_shoff; /* 节头部偏移量 */
Elf32_Word e_flags; /* 处理器特定标志 */
Elf32_Half e_ehsize; /* ELF头部长度 */
Elf32_Half e_phentsize; /* 程序头部中一个条目的长度 */
Elf32_Half e_phnum; /* 程序头部条目个数 */
Elf32_Half e_shentsize; /* 节头部中一个条目的长度 */
Elf32_Half e_shnum; /* 节头部条目个数 */
Elf32_Half e_shstrndx; /* 节头部字符表索引 */
} Elf32_Ehdr;
其中各项数据的类型如下：
| Name | Size | Alignment | Purpose |
|---|---|---|---|
| Elf32_Addr | 4 | 4 | Unsigned program address |
| Elf32_Half | 2 | 2 | Unsigned medium integer |
| Elf32_Off | 4 | 4 | Unsigned file offset |
| Elf32_Sword | 4 | 4 | Signed large integer |
| Elf32_Word | 4 | 4 | Unsigned large integer |
| unsigned char | 1 | 1 | Unsigned small integer |
Program Header
typedef struct elf32_phdr
{
Elf32_Word p_type; /* 段类型 */
Elf32_Off p_offset; /* 段位置相对于文件开始处的偏移量 */
Elf32_Addr p_vaddr; /* 段在内存中的地址 */
Elf32_Addr p_paddr; /* 段的物理地址 */
Elf32_Word p_filesz; /* 段在文件中的长度 */
Elf32_Word p_memsz; /* 段在内存中的长度 */
Elf32_Word p_flags; /* 段的标记 */
Elf32_Word p_align; /* 段在内存中对齐标记 */
} Elf32_Phdr;
有了这两个结构我们就可以很方便的操作ELF格式的内核了。
实战
准备内核
我们的内核代码如下：
asm(".long 0x1badb002, 0, (-(0x1badb002 + 0))");
unsigned short *video_buffer = (unsigned short *)0xb8000;
char *message = "Hello, world!";
void kernel_main(void)
{
for (int i = 0; i < 80 * 25; i++)
{
video_buffer[i] = (video_buffer[i] & 0xff00) | ' ';
}
for (int i = 0; message[i] != '\0'; i++)
{
video_buffer[i] = (video_buffer[i] & 0xff00) | message[i];
}
while (1)
;
}
内核代码在下一篇文章中有详细解释。
编译链接
$ cc -g -c -m32 -fno-pic -ffreestanding kernel.c -o kernel.o
$ ld -m elf_i386 -e kernel_main -Ttext=0x100000 kernel.o -o kernel
接下来看看内核文件的信息。
查看file header。
$ readelf -h kernel
ELF 头：
Magic： 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
类别: ELF32
数据: 2 补码，小端序 (little endian)
版本: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI 版本: 0
类型: EXEC (可执行文件)
系统架构: Intel 80386
版本: 0x1
入口点地址： 0x10000c
程序头起点： 52 (bytes into file)
Start of section headers: 9348 (bytes into file)
标志： 0x0
本头的大小： 52 (字节)
程序头大小： 32 (字节)
Number of program headers: 3
节头大小： 40 (字节)
节头数量： 14
字符串表索引节头： 13
程序入口点地址为：0x10000c，程序头起点为52。
查看program header。
$ readelf -l kernel
Elf 文件类型为 EXEC (可执行文件)
Entry point 0x10000c
There are 3 program headers, starting at offset 52
程序头：
Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
LOAD 0x001000 0x00100000 0x00100000 0x000e8 0x000e8 R E 0x1000
LOAD 0x002000 0x00102000 0x00102000 0x00008 0x00008 RW 0x1000
GNU_STACK 0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW 0x10
Section to Segment mapping:
段节...
00 .text .rodata .eh_frame
01 .data
02
其中可加载的段有两个，如第9行所示，该段相对于文件起始的偏移量为0x1000，虚拟地址为0x100000，物理地址为0x100000，在文件中的大小为0xe8，在内存中的大小为0xe8。这意味着如果我们知道内核文件在硬盘中的起始位置，那么用它加上offset 0x1000就可以得到该段在硬盘中的起始位置，然后从该位置开始，读取FileSiz 0xe8字节的数据到物理地址PhysAddr 0x100000，最后将FileSiz和MemSiz相差的地方填充成0即可。
下面给出bootloader的代码。
bootloader
bootloader由准备保护模式环境的汇编语言源文件bootasm.S和读取硬盘加载内核的bootmain.c组成。
bootasm.S
#include "asm.h"
.set PROT_MODE_CSEG, 0x08 # code segment selector
.set PROT_MODE_DSEG, 0x10 # data segment selector
.code16
.globl start
start:
cli
# Enable A20
inb $0x92, %al
orb $0x2, %al
outb %al, $0x92
# Load GDT
lgdt gdtdesc
# Switch from real to protected mode
movl %cr0, %eax
orl $0x1, %eax
movl %eax, %cr0
# Jump into 32-bit protected mode
ljmp $PROT_MODE_CSEG, $start32
.code32
start32:
movw $PROT_MODE_DSEG, %ax
movw %ax, %ds
movw %ax, %es
movw %ax, %fs
movw %ax, %gs
movw %ax, %ss
movl $start, %esp
call bootmain
spin:
jmp spin
.p2align 2
gdt:
SEG_NULLASM
SEG_ASM(STA_X | STA_R, 0x0, 0xffffffff)
SEG_ASM(STA_W, 0x0, 0xffffffff)
gdtdesc:
.word gdtdesc - gdt - 1
.long gdt
bootmain.c
#include "elf.h"
#include "x86.h"
#define SECTSIZE 512
void readseg(uint8_t *pa, uint32_t count, uint32_t offset);
void bootmain(void)
{
struct elfhdr *elf;
struct proghdr *ph, *eph;
void (*entry)(void);
uint8_t *pa;
elf = (struct elfhdr *)0x10000;
readseg((uint8_t *)elf, 4096, 0);
if (elf->magic != ELF_MAGIC)
return;
ph = (struct proghdr *)((uint8_t *)elf + elf->phoff);
eph = ph + elf->phnum;
for (; ph < eph; ph++)
{
pa = (uint8_t *)ph->paddr;
readseg(pa, ph->filesz, ph->off);
for (int i = 0; i < ph->memsz - ph->filesz; i++)
{
*((char *)ph->paddr + ph->filesz + i) = 0;
}
}
entry = (void (*)(void))(elf->entry);
entry();
}
void waitdisk(void)
{
while ((inb(0x1F7) & 0xC0) != 0x40)
;
}
void readsect(void *dst, uint32_t offset)
{
waitdisk();
outb(0x1F2, 1);
outb(0x1F3, offset);
outb(0x1F4, offset >> 8);
outb(0x1F5, offset >> 16);
outb(0x1F6, (offset >> 24) | 0xE0);
outb(0x1F7, 0x20);
waitdisk();
insl(0x1F0, dst, SECTSIZE / 4);
}
void readseg(uint8_t *pa, uint32_t count, uint32_t offset)
{
uint8_t *epa;
epa = pa + count;
pa -= offset % SECTSIZE;
offset = (offset / SECTSIZE) + 1;
for (; pa < epa; pa += SECTSIZE, offset++)
readsect(pa, offset);
}
代码与之前的例子基本相同，只是多了对ELF格式文件的处理。
解释
第1行包含了elf.h，其中包含ELF Header和Program Header的定义。
第2行包含了x86.h，其中包含了一些基础数据类型的定义。
第4行定义了SECTSIZE，表示一个扇区包含的字节数。
第6行声明了方法readseg，用于加载一个段到内存中，参数pa给出要加载的物理内存地址，参数count给出加载的字节大小，参数offset给出段相对于内核文件起始位置的偏移量，即从offset处加载count字节到内存pa处。实际读取的字节数可能多于需要读取的字节数，因为硬盘读取的最小单位是扇区，即一次至少读取512字节。
第10行声明了struct elfhdr *类型的变量elf，用于指向内核文件的ELF Header。
第11行声明了struct proghdr *类型的变量ph、eph，分别用于指向第一个程序头的起始和最后一个程序头的结尾。因为我们要遍历多个Program Header，需要用eph控制结束条件。
第12行声明了void (*)(void)类型的函数指针entry，用于指向内核的起始地址。
第13行声明了uint8_t *类型的变量pa，用于指向每一个段将要加载到的物理地址。
第15行，将elf指向内存0x10000处，我们的内核ELF Header将加载到这里。
第17行，调用readseg从内核映像起始处读取4096个字节到内存0x10000处。4096个字节对于我们的内核文件头来说时足够的，所以我们可以确保已经将ELF Header完整的读入了内存。
第19行，判断文件头的魔数是否正确，错误的话直接返回到bootasm.S中，陷入死循环。
第22行，将ph指向第一个Program Header。
第23行，将eph指向最后一个Program Header的结尾处。
第24行开始遍历所有的Program Header，并将对应的段加载到内存中。
第28~31行用于将段在内存中多于在文件中大小的位置填充为0。因为段在内存中实际占用的空间可能大于在文件中占用的空间。
第34~35行，将entry指向内核入口点并执行。
第38~42行，函数waitdisk用于等待磁盘准备好和处理器交互。
第44~56行，函数readsect用于从磁盘读取一个扇区到内存dst处。
第58~68行，定义函数readseg。参数依次为物理地址，要读取的字节数，段距离文件起始处的偏移量。
第60、61行声明读取的结束位置epa，读取count字节到pa，那么pa + count就应当是结束条件。
第63行用于将pa按一个扇区，即512字节向下对齐。可能不是很好理解，老李待会儿做个实验给诸位品品。
第64行用于将偏移量从字节转换成扇区。比如一个段相对于内核文件起始处的偏移量是1024，那么在磁盘上就相当于偏移两个扇区(1024 / 512)，因为内核文件从偏移量为1的扇区开始，即第二个扇区（我们制作镜像的时候会将内核文件放在从第二个扇区开始的地方），所以该段相对于整个磁盘的起始地址还要+1。
第66~68行，循环调用readsect，将段所在的扇区一个接一个读入内存。
编译链接
$ cc -m32 -g -c -o bootasm.o bootasm.S
$ cc -m32 -g -fno-builtin -fno-pic -fno-stack-protector -nostdinc -Os -c -o bootmain.o bootmain.c
$ ld -N -e start -Ttext=0x7c00 -m elf_i386 -o bootblock.o bootasm.o bootmain.o
$ objcopy -S -O binary -j .text bootblock.o bootblock
$ ./sign bootblock
制作镜像
$ dd if=/dev/zero of=kernel.img count=10000
$ dd if=bootblock of=kernel.img conv=notrunc
$ dd if=kernel of=kernel.img seek=1 conv=notrunc
运行
$ qemu-system-i386 -drive file=kernel.img,format=raw -monitor stdio
完整的代码戳这里。
最后在解释一个刚才遗留问题，pa -= offset % SECTSIZE的作用是什么？
先来看看将text段起始地址设置成0x100000时的每个段的对应的情况。
$ ld -m elf_i386 -e kernel_main -Ttext=0x100000 kernel.o -o kernel
$ readelf -l kernel
Elf 文件类型为 EXEC (可执行文件)
Entry point 0x10000c
There are 3 program headers, starting at offset 52
程序头：
Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
LOAD 0x001000 0x00100000 0x00100000 0x000e8 0x000e8 R E 0x1000
LOAD 0x002000 0x00102000 0x00102000 0x00008 0x00008 RW 0x1000
GNU_STACK 0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW 0x10
Section to Segment mapping:
段节...
00 .text .rodata .eh_frame
01 .data
02
注意第10行，这是我们的text段。pa=0x100000，offset=0x1000，pa -= offset % SECTSIZE之后pa还是等于0x100000。
如果将text段起始地址设置成0x100001，情况如下：
$ ld -m elf_i386 -e kernel_main -Ttext=0x100001 kernel.o -o kernel
$ readelf -l kernel
Elf 文件类型为 EXEC (可执行文件)
Entry point 0x10000d
There are 3 program headers, starting at offset 52
程序头：
Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
LOAD 0x001001 0x00100001 0x00100001 0x000eb 0x000eb R E 0x1000
LOAD 0x002000 0x00102000 0x00102000 0x00008 0x00008 RW 0x1000
GNU_STACK 0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW 0x10
Section to Segment mapping:
段节...
00 .text .rodata .eh_frame
01 .data
02
此时text段pa=0x100001，offset=0x1001，pa -= offset % SECTSIZE之后pa向下取整到0x100000，和一个扇区大小对齐。