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PC 机的引导流程
我们这里将借助 Ubuntu Linux 操纵系统上的 GRUB 引导程序来引导我们的 Hello OS。
首先我们得了解一下请点击 YinKai s Blog | 实现一个最简单的内核。 这篇文章带大家实现一个最简单的操作系统内核—— Hello OS。
PC 机的引导流程
我们这里将借助 Ubuntu Linux 操纵系统上的 GRUB 引导程序来引导我们的 Hello OS。
首先我们得了解一下Hello OS 的引导流程 简单解释一下PC 机 BIOS 固件是固化在 PC 机主板上的 ROM 芯片中的掉电也能保存PC 机上电后的第一条指令就是 BIOS 固件中的它负责检测和初始化 CPU、内存及主板平台然后加载引导设备大概率是硬盘中的第一个扇区数据到 0x7c00 地址开始的内存空间再接着跳转到 0x7c00 处执行指令在我们这里的情况下就是 GRUB 引导程序。
Hello OS 引导汇编代码
我们的 Hello OS 总有 6 个文件下面一一讲解。
Hello OS 的主函数
main.c
#include vgastr.h
void main()
{printf(Hello OS! I am YinKai);return;
}entry.asm
; 多引导协议头GRUB
MBT_HDR_FLAGS EQU 0x00010003
MBT_HDR_MAGIC EQU 0x1BADB002 ; 多引导协议头魔数
MBT_HDR2_MAGIC EQU 0xe85250d6 ; 第二版多引导协议头魔数global _start ; 导出 _start 符号
extern main ; 导入外部的 main 函数符号[section .start.text] ; 定义 .start.text 代码节
[bits 32] ; 汇编成32位代码_start:jmp _entryALIGN 8
; GRUB 所需的多引导协议头
mbt_hdr:dd MBT_HDR_MAGICdd MBT_HDR_FLAGSdd -(MBT_HDR_MAGICMBT_HDR_FLAGS)dd mbt_hdrdd _startdd 0dd 0dd _entryALIGN 8
; GRUB2 所需的多引导协议头
mbt2_hdr:DD MBT_HDR2_MAGICDD 0DD mbt2_hdr_end - mbt2_hdrDD -(MBT_HDR2_MAGIC 0 (mbt2_hdr_end - mbt2_hdr))DW 2, 0DD 24DD mbt2_hdrDD _startDD 0DD 0DW 3, 0DD 12DD _entryDD 0DW 0, 0DD 8mbt2_hdr_end:ALIGN 8
_entry:; 关中断cli; 关不可屏蔽中断in al, 0x70or al, 0x80out 0x70, al; 重新加载GDTlgdt [GDT_PTR]jmp dword 0x8 :_32bits_mode_32bits_mode:; 初始化C语言可能会用到的寄存器mov ax, 0x10mov ds, axmov ss, axmov es, axmov fs, axmov gs, axxor eax,eaxxor ebx,ebxxor ecx,ecxxor edx,edxxor edi,edixor esi,esixor ebp,ebpxor esp,esp; 初始化栈C语言需要栈才能工作mov esp,0x9000; 调用C语言函数maincall main; 让CPU停止执行指令
halt_step:haltjmp halt_step; GDT 全局描述符表
GDT_START:
knull_dsc: dq 0
kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
k16cd_dsc: dq 0x00009e000000ffff
k16da_dsc: dq 0x000092000000ffff
GDT_END:GDT_PTR:
GDTLEN dw GDT_END-GDT_START-1
GDTBASE dd GDT_START 这是一个引导加载程序它是计算机启动过程中的第一个软件它的主要任务是在计算机启动时通过 GRUB 或 GRUB2 多引导协议头初始化系统环境设置 GDT然后调用 C 语言的 main 函数。
控制计算机屏幕
首先我们得知道显卡的字符模式的工作细节。
它把屏幕分成 24 行每行 80 个字符把这24*80个位置映射到以 0xb8000 地址开始的内存中每两个字节对应一个字符其中一个字节是字符的 ASCII 码另一个字节为字符的颜色值。如下图所示 了解原理之后我们来自己实现 printf 函数
vgastr.c
void _strwrite(char* string)
{char* p_strdst (char*)(0xb8000);while (*string){*p_strdst *string;p_strdst 2;}return;
}void printf(char* fmt, ...)
{_strwrite(fmt);return;
} 代码很简单我们在 printf 把传入的字符串作为参数传给 _strwrite 函数然后把字符串中的每个字符依次写入 0xb8000 地址开始的显存中。p_strdst 每次加 2 是为了跳过表示颜色值的字符直接指向下一个字符的 ASCII 值。
为了编译器能够正确识别我们的函数我们还需要另写一个文件保证函数调用的正确性。
vgastr.h
void _strwrite(char* string);
void printf(char* fmt, ...);链接
hello.lds
ENTRY(_start)
OUTPUT_ARCH(i386)
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
SECTIONS
{. 0x200000;__begin_start_text .;.start.text : ALIGN(4) { *(.start.text) }__end_start_text .;__begin_text .;.text : ALIGN(4) { *(.text) }__end_text .;__begin_data .;.data : ALIGN(4) { *(.data) }__end_data .;__begin_rodata .;.rodata : ALIGN(4) { *(.rodata) *(.rodata.*) }__end_rodata .;__begin_kstrtab .;.kstrtab : ALIGN(4) { *(.kstrtab) }__end_kstrtab .;__begin_bss .;.bss : ALIGN(4) { *(.bss) }__end_bss .;
} 这段代码是一个链接脚本用于告诉链接器如何将各个目标文件组合成最终的可执行文件。
编译
我们这里使用 make 工具进行系统编译将每个代码模块编译最后链接成可执行的二进制文件。
Makefile
MAKEFLAGS -sR
MKDIR mkdir
RMDIR rmdir
CP cp
CD cd
DD dd
RM rmASM nasm
CC gcc
LD ld
OBJCOPY objcopyASMBFLAGS -f elf -w-orphan-labels
CFLAGS -c -Os -stdc99 -m32 -Wall -Wshadow -W -Wconversion -Wno-sign-conversion -fno-stack-protector -fomit-frame-pointer -fno-builtin -fno-common -ffreestanding -Wno-unused-parameter -Wunused-variable
LDFLAGS -s -static -T hello.lds -n -Map HelloOS.map
OJCYFLAGS -S -O binaryHELLOOS_OBJS :
HELLOOS_OBJS entry.o main.o vgastr.o
HELLOOS_ELF HelloOS.elf
HELLOOS_BIN HelloOS.bin.PHONY : build clean all link binall: clean build link binclean:$(RM) -f *.o *.bin *.elfbuild: $(HELLOOS_OBJS)link: $(HELLOOS_ELF)
$(HELLOOS_ELF): $(HELLOOS_OBJS)$(LD) $(LDFLAGS) -o $ $(HELLOOS_OBJS)
bin: $(HELLOOS_BIN)
$(HELLOOS_BIN): $(HELLOOS_ELF)$(OBJCOPY) $(OJCYFLAGS) $ $%.o : %.asm$(ASM) $(ASMBFLAGS) -o $ $
%.o : %.c$(CC) $(CFLAGS) -o $ $安装 Hello OS
不同的系统可能操作不同我这里用的是 ubuntu。
安装编译环境
安装汇编编译器
sudo apt-get install nasm安装gcc该命令会安装包括gcc在内的所有软件
sudo apt install build-essential修改启动项等待时间
修改启动项等待时间以供我们选择启动项文件
sudo vim /etc/default/grub打开文件修改为 10 s 使用 sudo update-grub 更新我们的修改。
:::warning
每次使用这个命令之后我们追加的启动项后面会说到就会被清除需要重新添加。
:::
构建 HelloOS.bin 文件
在自己的家目录下创建一个 HelloOS 文件夹放入我们依赖的 6 个文件代码及文件命名见上。
使用 make 构建
在 HelloOS 目录下使用 make 命令即可获得 HelloOS.bin 文件并将该文件移动到 /boot/ 目录下。如果原本就有要将其删除再放入。
追加 GRUB 启动项
使用 df /boot 获取文件系统名以及文件系统的挂载点我的如下
文件系统 1K-块 已用 可用 已用% 挂载点
/dev/sda5 19947120 9921616 8986912 53% / 写 grub 的引导文件将下面的启动项代码插入到 /boot/grub/grub.cfg 文件末尾
menuentry HelloOS {insmod part_msdos #GRUB加载分区模块识别分区insmod ext2 #GRUB加载ext文件系统模块识别ext文件系统set roothd0,msdos5 #注意boot目录挂载的分区这是我机器上的情况multiboot2 /boot/HelloOS.bin #GRUB以multiboot2协议加载HelloOS.binboot #GRUB启动HelloOS.bin
}:::warning
① 这里的 hd0,msdos? 需要根据 4中的 /dev/sda? 对应起来
② 如果挂载点是 / 就需要在文件中写 /boot/HelloOS.bin如果挂载点是 /boot则直接写 /HelloOS.bin 即可
③ 如果该文件不可修改可以用 root 权限修改该文件为可写文件。
:::
最后使用 reboot 命令即可重启系统看到我们的 Hello OS 选项 选择后即可看到我们在主函数 main.c 中写的字符串啦~ 小结
Hello OS 启动的流程主要包括以下步骤
计算机上电 当计算机上电时主板上的 BIOS 固件开始执行。BIOS 初始化 BIOS 负责检测和初始化计算机硬件包括处理器、内存等。加载引导扇区 BIOS 根据启动设备配置加载引导扇区通常是硬盘上的 MBR。引导加载程序执行 引导加载程序如 GRUB被加载负责加载操作系统内核。GRUB 加载 Hello OS GRUB 通过配置文件加载 Hello OS 的二进制文件HelloOS.bin。Hello OS 入口点 Hello OS 的入口点在 entry.asm 中负责初始化系统环境。切换到 32 位保护模式 _start 调用 _32bits_mode 将处理器切换到 32 位保护模式。C 语言的 main 函数 main.c 包含操作系统的主要逻辑调用了输出字符串的函数。屏幕输出 vgastr.c 中的 _strwrite 和 printf 负责向屏幕输出字符串。系统初始化完成 Hello OS 在初始化完成后等待主要逻辑执行完毕。CPU 停止执行指令 使用 halt 指令让 CPU 停止执行操作系统启动过程结束。系统运行或重新启动 如果需要可以继续执行其他操作系统功能或重新启动计算机。
