## 准备工作 首先clone仓库，回滚到下面的commit。如果想编译这个版本的代码建议还是使用自行编译gcc编译器。 ```sh git checkout e0ee3d449aacd33a84cb1f58961e55f9f06acb46 ``` 除此之外读者还需要准备有makefile的基础。 ## 项目结构 - makefile：用于编译 - linker.ld：用于链接 - 其他：主要是内核代码 我们先理清楚从项目到镜像的生成过程： 1. 根据makefile中的描述编译各个子文件，得到object文件（参见build/obj文件夹里面的文件），之后对这些子文件的编译后的文件调用链接 2. 根据linker.ld对这些object文件进行链接，得到lunaix.bin 3. 使用grub-mkrescue，结合lunaix.bin来制作lunaix.iso 上面三个过程在makefile中都有体现 1. ```makefile SOURCE_FILES := $(shell find -name "*.[cS]") SRC := $(patsubst ./%, $(OBJECT_DIR)/%.o, $(SOURCE_FILES)) $(OBJECT_DIR): @mkdir -p $(OBJECT_DIR) $(BIN_DIR): @mkdir -p $(BIN_DIR) $(ISO_DIR): @mkdir -p $(ISO_DIR) @mkdir -p $(ISO_BOOT_DIR) @mkdir -p $(ISO_GRUB_DIR) $(OBJECT_DIR)/%.S.o: %.S @mkdir -p $(@D) $(CC) -c $< -o $@ ...... ``` 2. ```makefile $(BIN_DIR)/$(OS_BIN): $(OBJECT_DIR) $(BIN_DIR) $(SRC) $(CC) -T linker.ld -o $(BIN_DIR)/$(OS_BIN) $(SRC) $(LDFLAGS) ``` 3. ```makefile $(BUILD_DIR)/$(OS_ISO): $(ISO_DIR) $(BIN_DIR)/$(OS_BIN) GRUB_TEMPLATE @./config-grub.sh ${OS_NAME} > $(ISO_GRUB_DIR)/grub.cfg @cp $(BIN_DIR)/$(OS_BIN) $(ISO_BOOT_DIR) @grub-mkrescue -o $(BUILD_DIR)/$(OS_ISO) $(ISO_DIR) ``` ## 步骤一 makefile中最开始是指定了一些目录。 ```makefile OS_ARCH := x86 BUILD_DIR := build KERNEL_DIR := kernel OBJECT_DIR := $(BUILD_DIR)/obj BIN_DIR := $(BUILD_DIR)/bin ISO_DIR := $(BUILD_DIR)/iso ISO_BOOT_DIR := $(ISO_DIR)/boot ISO_GRUB_DIR := $(ISO_BOOT_DIR)/grub ``` 下面是把第三个参数根据第一个参数的匹配模式替换成第二个参数，这里就是通过第一个参数`%`（匹配任意字符串）匹配到`includes`最后替换成`-Iincludes` ```makefile INCLUDES_DIR := includes INCLUDES := $(patsubst %, -I%, $(INCLUDES_DIR)) ``` 不清楚的可以在下面添加打印命令，查看patsubst处理的结果 ```makefile $(OBJECT_DIR): @echo "=================" @echo $(INCLUDES); @echo "=================" ...... ``` 接下来是一些名称的定义 ```makefile OS_NAME = lunaix OS_BIN = $(OS_NAME).bin OS_ISO = $(OS_NAME).iso CC := i686-elf-gcc AS := i686-elf-as O := -O3 W := -Wall -Wextra CFLAGS := -std=gnu99 -ffreestanding $(O) $(W) LDFLAGS := -ffreestanding $(O) -nostdlib -lgcc ``` 执行shell命令，做到所有后缀为.c或者.S文件的全部文件名词。就是搜集所有c代码文件和汇编代码文件的名称。 ```makefile SOURCE_FILES := $(shell find -name "*.[cS]") ``` 同样可以修改makefile，运行`make all`来打印`SOURCE_FILES`结果，结果如下 ```bash ==================== ./kernel/tty/tty.c ./kernel/kernel.c ./arch/x86/boot.S ==================== ``` 创建上面指定的文件对应的文件夹 ```makefile $(OBJECT_DIR): @mkdir -p $(OBJECT_DIR) $(BIN_DIR): @mkdir -p $(BIN_DIR) $(ISO_DIR): @mkdir -p $(ISO_DIR) @mkdir -p $(ISO_BOOT_DIR) @mkdir -p $(ISO_GRUB_DIR) ``` 把汇编文件和c源代码文件编译成object文件，可以看到`$(INCLUDES)`作用就是指定头文件的文件夹路径 ```makefile $(OBJECT_DIR)/%.S.o: %.S @mkdir -p $(@D) $(CC) -c $< -o $@ $(OBJECT_DIR)/%.c.o: %.c @mkdir -p $(@D) $(CC) $(INCLUDES) -c $< -o $@ $(CFLAGS) ``` ## 步骤二 根据linker.ld来进行链接 ```makefile $(BIN_DIR)/$(OS_BIN): $(OBJECT_DIR) $(BIN_DIR) $(SRC) $(CC) -T linker.ld -o $(BIN_DIR)/$(OS_BIN) $(SRC) $(LDFLAGS) ``` 下面分析一下linker.ld ``` ENTRY(start_) SECTIONS { . = 0x100000; .text BLOCK(4K) : { * (.multiboot) * (.text) } .bss BLOCK(4K) : { * (COMMON) * (.bss) } .data BLOCK(4k) : { * (.data) } .rodata BLOCK(4K) : { * (.rodata) } } ``` 先是指明了入口符号是start_，这个其实是一个地址，后面会看到。 `. = 0x100000`表示起始地址为0x100000。后面.text的地址就是从0x100000开始的。随后`.bss`就是从.text结束的地址再进行对齐计算得到的地址开始的。 之后将所有object文件的节进行分配。比如把所有object文件的`.data`节的内容汇总放入到lunaix.bin的`.data`节中。COMMON代表一些未初始化的全局变量。总之lunaix.bin的节是可以自定义的，后面也会添加一些自己命名的节。`.text BLOCK(4K)`表示`.text`的地址是4K对齐的。 下面是一个object文件的部分节信息 ```sh $ readelf -S kernel.c.o There are 21 section headers, starting at offset 0x6fc: Section Headers: [Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al [ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0 [ 1] .text PROGBITS 00000000 000034 000029 00 AX 0 0 1 [ 2] .rel.text REL 00000000 00054c 000018 08 I 18 1 4 [ 3] .data PROGBITS 00000000 00005d 000000 00 WA 0 0 1 [ 4] .bss NOBITS 00000000 00005d 000000 00 WA 0 0 1 [ 5] .rodata PROGBITS 00000000 000060 000029 00 A 0 0 4 ...... ``` 下面是lunaix.bin的部分节信息，可以看到结果正如在linker.ld中规划的那样。都是4K对齐的。一个页的大小也是4KB，一般是要防止两个节放入同一个页。 ```sh $ readelf -S lunaix.bin There are 16 section headers, starting at offset 0x3b54: Section Headers: [Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al [ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0 [ 1] .text PROGBITS 00100000 001000 0001e9 00 AX 0 0 1 [ 2] .bss NOBITS 00101000 002000 003fce 00 WA 0 0 16 [ 3] .data PROGBITS 00105000 002000 000004 00 WA 0 0 4 [ 4] .rodata PROGBITS 00106000 003000 000029 00 A 0 0 4 ...... ``` ## 步骤三 制作ISO文件 ```makefile $(BUILD_DIR)/$(OS_ISO): $(ISO_DIR) $(BIN_DIR)/$(OS_BIN) GRUB_TEMPLATE @./config-grub.sh ${OS_NAME} > $(ISO_GRUB_DIR)/grub.cfg @cp $(BIN_DIR)/$(OS_BIN) $(ISO_BOOT_DIR) @grub-mkrescue -o $(BUILD_DIR)/$(OS_ISO) $(ISO_DIR) ``` 把上面的`@`去掉，可以知道执行了什么命令。 ``` ./config-grub.sh lunaix > build/iso/boot/grub/grub.cfg cp build/bin/lunaix.bin build/iso/boot grub-mkrescue -o build/lunaix.iso build/iso ``` 先是执行下面脚本，参数$1就是lunaix，结果重定向到build/iso/boot/grub/grub.cfg文件。 ```sh #!/usr/bin/bash export _OS_NAME=$1 echo $(cat GRUB_TEMPLATE | envsubst) ``` 尝试运行下面命令，可以知道我们要提供`$_OS_NAME`的值。那么上面的第一行就是用于提供值$1，也就是命令行的参数lunaix。`envsubset`会把`$_OS_NAME`的值替换成lunaix。 ```sh $ cat GRUB_TEMPLATE menuentry "$_OS_NAME" { multiboot /boot/$_OS_NAME.bin } ``` build/iso/boot/grub/grub.cfg文件内容和预期一样。在multiboot后面指定bin的路径即可。这个grub.cfg也是可以自定义的。 ``` menuentry "lunaix" { multiboot /boot/lunaix.bin } ``` grub-mkrescue会根据grub.cfg来制作ISO文件。制作后会放入自动生成的bootloader，所以我们不需要写bootloader。只需要从入口点开始写代码。 大概框架就是这样，具体细节之后会学习到。 ## 内核代码分析 ### arch/x86/boot.S 先看.text节的内容 ```assembly .section .text .global start_ .type start_, @function start_: movl $stack_top, %esp /* TODO: kernel init 1. Load GDT 2. Load IDT 3. Enable paging */ call _kernel_init pushl %ebx call _kernel_main cli j_: hlt jmp j_ ``` start_就是链接文件里面提到的ENTRY，引导程序会引导到这个指定的入口。 伪指令.global声明_start为全局符号。 下面先介绍一下符号。 先准备好两个文件：`a.c`、`a2.c`。 `a.c` ```c #include int main() { printf("address:%lx\n", &func); return 0; } ``` `a2.c` ```c #include extern void func(); int main() { printf("address:%lx\n", &func); return 0; } ``` 分别把a.c和a2.c编译成object文件，会发现前者无法通过编译，后者可以。 ```sh $ gcc -m32 -c a.c -o a.o a.c: In function ‘main’: a.c:5:28: error: ‘func’ undeclared (first use in this function) 5 | printf("address:%lx", &func); | ^~~~ a.c:5:28: note: each undeclared identifier is reported only once for each function it appears in ``` ```sh $ gcc -m32 -c a2.c -o a2.o a2.c: In function ‘main’: a2.c:5:23: warning: format ‘%lx’ expects argument of type ‘long unsigned int’, but argument 2 has type ‘void (*)()’ [-Wformat=] 5 | printf("address:%lx\n", &func); | ~~^ ~~~~~ | | | | | void (*)() | long unsigned int ``` 这就涉及到符号的概念。这里的函数是一个符号，在符号未声明时，是无法通过编译的。`extern void func();`就是用来对符号声明。使用extern就是让编译器放心，符号在其他对象文件存在。假如其他文件也没有符号，链接器就会报错了。这个时候需要检查符号是否存在。 声明为全局符号相当于成为符号供应方，这样其他符号需求方才能成功链接。 如果其他文件里面要jump到这个_start，链接时会从全局符号里面看是否存在这个符号，如果存在，则使用全局符号的地址。总之，如果要在其他文件使用这个文件的函数，需要声明成全局的。_ `.type start_, @function`声明为函数。 里面简单的初始化了esp栈顶，调用了\_kernel_init和_kernel_main。 \_kernel_init还没有代码，_kernel_main用于打印信息。 最后就是一个死循环，防止退出。 之后来看看.multiboot节[1] ```assembly .section .multiboot .long MB_MAGIC .long MB_ALIGNED_4K_MEM_MAP .long CHECKSUM(MB_ALIGNED_4K_MEM_MAP) ``` 第一个.long表示在节的第一个32bits中，存储MB_MAGIC（0x1BADB002）。第三个用于配置一些选项（0x3表示在页面边界加载模块和提供内存地图）。第三个用于校验。 其他类推，可以打开二进制编辑器来验证。这个节的作用就是为了满足约定。为了让GRUB 能够识别镜像文件，我们需要硬编码。最好像链接脚本那样把.multiboot放到第一个位置[2]。 ### kernel/tty/tty.c 根据视频中提到的文档定义宽度和长度，表示每行80个字符，总共25行（VGA文本模式）。buffer指向的是一个固定的地址[3]，也是文档定义的。操作这个地址才能在屏幕上打印出字符。最后是两个表示当前位置的全局变量。 ```c #define TTY_WIDTH 80 #define TTY_HEIGHT 25 vga_atrributes *buffer = 0xB8000; vga_atrributes theme_color = VGA_COLOR_BLACK; uint32_t TTY_COLUMN = 0; uint16_t TTY_ROW = 0; ``` 根据文档设置background color和foreground color。unsigned short两个字节，bg和fg占高8位（设置颜色），低八位（一个字节）用于存储字符信息。 ```c typedef unsigned short vga_atrributes; void tty_set_theme(vga_atrributes fg, vga_atrributes bg) { theme_color = (bg << 4 | fg) << 8; } ``` `tty_put_char`实现了字符打印。如果输入字符是`\n`则把行数加1,如果是`\r`则把光标移动到行头部。 ```c void tty_put_char(char chr) { if (chr == '\n') { TTY_COLUMN = 0; TTY_ROW++; } else if (chr == '\r') { TTY_COLUMN = 0; } else { *(buffer + TTY_COLUMN + TTY_ROW * TTY_WIDTH) = (theme_color | chr); TTY_COLUMN++; if (TTY_COLUMN >= TTY_WIDTH) { TTY_COLUMN = 0; TTY_ROW++; } } if (TTY_ROW >= TTY_HEIGHT) { tty_scroll_up(); TTY_ROW--; } } ``` 下面是真正写入字符的一行语句，高八位是颜色信息，低八位是`chr`。 ```c *(buffer + TTY_COLUMN + TTY_ROW * TTY_WIDTH) = (theme_color | chr); ``` `tty_scroll_up`在屏幕满的时候被调用，用于滚动屏幕，该函数暂时未实现。其他情况也是很容易看懂的。 ## 参考 [1]https://wiki.osdev.org/Multiboot#Header_Format [2]https://wiki.osdev.org/User:Zesterer/Bare_Bones#kernel.c [3]https://en.wikipedia.org/wiki/VGA_text_mode#cite_note-cyrix-14:~:text=The%20VGA%20text%20buffer%20is%20located%20at%20physical%20memory%20address%200xB8000.