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? 這篇文章帶大家實現(xiàn)一個最簡單的操作系統(tǒng)內(nèi)核—— Hello OS。

PC 機的引導流程

? 我們這里將借助 Ubuntu Linux 操縱系統(tǒng)上的 GRUB 引導程序來引導我們的 Hello OS。

? 首先我們得了解一下，Hello OS 的引導流程：

? 簡單解釋一下，PC 機 BIOS 固件是固化在 PC 機主板上的 ROM 芯片中的，掉電也能保存，PC 機上電后的第一條指令就是 BIOS 固件中的，它負責檢測和初始化 CPU、內(nèi)存及主板平臺，然后加載引導設備（大概率是硬盤）中的第一個扇區(qū)數(shù)據(jù)，到 0x7c00 地址開始的內(nèi)存空間，再接著跳轉(zhuǎn)到 0x7c00 處執(zhí)行指令，在我們這里的情況下就是 GRUB 引導程序。

Hello OS 引導匯編代碼

? 我們的 Hello OS 總有 6 個文件，下面一一講解。

Hello OS 的主函數(shù)

main.c

#include "vgastr.h"
void main()
{printf("Hello OS! I am YinKai");return;
}

entry.asm

; 多引導協(xié)議頭（GRUB）
MBT_HDR_FLAGS    EQU 0x00010003
MBT_HDR_MAGIC    EQU 0x1BADB002 ; 多引導協(xié)議頭魔數(shù)
MBT_HDR2_MAGIC   EQU 0xe85250d6 ; 第二版多引導協(xié)議頭魔數(shù)global _start ; 導出 _start 符號
extern main ; 導入外部的 main 函數(shù)符號[section .start.text] ; 定義 .start.text 代碼節(jié)
[bits 32] ; 匯編成32位代碼_start:jmp _entryALIGN 8
; GRUB 所需的多引導協(xié)議頭
mbt_hdr:dd MBT_HDR_MAGICdd MBT_HDR_FLAGSdd -(MBT_HDR_MAGIC+MBT_HDR_FLAGS)dd mbt_hdrdd _startdd 0dd 0dd _entryALIGN 8
; GRUB2 所需的多引導協(xié)議頭
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:; 關中斷cli; 關不可屏蔽中斷in al, 0x70or al, 0x80out 0x70, al; 重新加載GDTlgdt [GDT_PTR]jmp dword 0x8 :_32bits_mode_32bits_mode:; 初始化C語言可能會用到的寄存器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; 初始化棧，C語言需要棧才能工作mov esp,0x9000; 調(diào)用C語言函數(shù)maincall main; 讓CPU停止執(zhí)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

? 這是一個引導加載程序，它是計算機啟動過程中的第一個軟件，它的主要任務是在計算機啟動時，通過 GRUB 或 GRUB2 多引導協(xié)議頭，初始化系統(tǒng)環(huán)境，設置 GDT，然后調(diào)用 C 語言的 main 函數(shù)。

控制計算機屏幕

? 首先我們得知道顯卡的字符模式的工作細節(jié)。

? 它把屏幕分成 24 行，每行 80 個字符，把這（24*80）個位置映射到以 0xb8000 地址開始的內(nèi)存中，每兩個字節(jié)對應一個字符，其中一個字節(jié)是字符的 ASCII 碼，另一個字節(jié)為字符的顏色值。如下圖所示：

? 了解原理之后，我們來自己實現(xiàn) printf 函數(shù)：

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;
}

? 代碼很簡單，我們在 printf 把傳入的字符串作為參數(shù)，傳給 _strwrite 函數(shù)，然后把字符串中的每個字符依次寫入 0xb8000 地址開始的顯存中。p_strdst 每次加 2 ，是為了跳過表示顏色值的字符，直接指向下一個字符的 ASCII 值。

? 為了編譯器能夠正確識別我們的函數(shù)，我們還需要另寫一個文件，保證函數(shù)調(diào)用的正確性。

vgastr.h

void _strwrite(char* string);
void printf(char* fmt, ...);

鏈接

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 = .;
}

? 這段代碼是一個鏈接腳本，用于告訴鏈接器如何將各個目標文件組合成最終的可執(zhí)行文件。

編譯

? 我們這里使用 make 工具進行系統(tǒng)編譯，將每個代碼模塊編譯最后鏈接成可執(zhí)行的二進制文件。

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 -std=c99 -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 $@ $<

安裝 Hello OS

? 不同的系統(tǒng)，可能操作不同，我這里用的是 ubuntu。

安裝編譯環(huán)境

• 安裝匯編編譯器

sudo apt-get install nasm

• 安裝gcc（該命令會安裝包括gcc在內(nèi)的所有軟件）

sudo apt install build-essential

修改啟動項等待時間

? 修改啟動項等待時間，以供我們選擇啟動項文件

? sudo vim /etc/default/grub，打開文件，修改為 10 s

? 使用 sudo update-grub 更新我們的修改。

:::warning

? 每次使用這個命令之后，我們追加的啟動項（后面會說到）就會被清除，需要重新添加。

:::

構建 HelloOS.bin 文件

? 在自己的家目錄下創(chuàng)建一個 HelloOS 文件夾，放入我們依賴的 6 個文件，代碼及文件命名見上。

使用 make 構建

? 在 HelloOS 目錄下，使用 make 命令，即可獲得 HelloOS.bin 文件，并將該文件移動到 /boot/ 目錄下。（如果原本就有要將其刪除，再放入。）

追加 GRUB 啟動項

? 使用 df /boot 獲取文件系統(tǒng)名，以及文件系統(tǒng)的掛載點，我的如下：

文件系統(tǒng)          1K-塊    已用    可用 已用% 掛載點
/dev/sda5      19947120 9921616 8986912   53% /

? 寫 grub 的引導文件，將下面的啟動項代碼插入到 /boot/grub/grub.cfg 文件末尾

menuentry 'HelloOS' {insmod part_msdos #GRUB加載分區(qū)模塊識別分區(qū)insmod ext2 #GRUB加載ext文件系統(tǒng)模塊識別ext文件系統(tǒng)set root='hd0,msdos5' #注意boot目錄掛載的分區(qū)，這是我機器上的情況multiboot2 /boot/HelloOS.bin #GRUB以multiboot2協(xié)議加載HelloOS.binboot #GRUB啟動HelloOS.bin
}

:::warning

① 這里的 hd0,msdos? 需要根據(jù) （4）中的 /dev/sda? 對應起來；

② 如果掛載點是 / 就需要在文件中寫 /boot/HelloOS.bin；如果掛載點是 /boot，則直接寫 /HelloOS.bin 即可

③ 如果該文件不可修改，可以用 root 權限修改該文件為可寫文件。

:::

? 最后使用 reboot 命令，即可重啟系統(tǒng)，看到我們的 Hello OS 選項：

? 選擇后，即可看到我們在主函數(shù) main.c 中寫的字符串啦~

小結

Hello OS 啟動的流程主要包括以下步驟：

1. 計算機上電： 當計算機上電時，主板上的 BIOS 固件開始執(zhí)行。
2. BIOS 初始化： BIOS 負責檢測和初始化計算機硬件，包括處理器、內(nèi)存等。
3. 加載引導扇區(qū)： BIOS 根據(jù)啟動設備配置加載引導扇區(qū)，通常是硬盤上的 MBR。
4. 引導加載程序執(zhí)行： 引導加載程序（如 GRUB）被加載，負責加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。
5. GRUB 加載 Hello OS： GRUB 通過配置文件加載 Hello OS 的二進制文件（HelloOS.bin）。
6. Hello OS 入口點： Hello OS 的入口點在 entry.asm 中，負責初始化系統(tǒng)環(huán)境。
7. 切換到 32 位保護模式： _start 調(diào)用 _32bits_mode 將處理器切換到 32 位保護模式。
8. C 語言的 main 函數(shù)： main.c 包含操作系統(tǒng)的主要邏輯，調(diào)用了輸出字符串的函數(shù)。
9. 屏幕輸出： vgastr.c 中的 _strwrite 和 printf 負責向屏幕輸出字符串。
10. 系統(tǒng)初始化完成： Hello OS 在初始化完成后，等待主要邏輯執(zhí)行完畢。
11. CPU 停止執(zhí)行指令： 使用 halt 指令讓 CPU 停止執(zhí)行，操作系統(tǒng)啟動過程結束。
12. 系統(tǒng)運行或重新啟動： 如果需要，可以繼續(xù)執(zhí)行其他操作系統(tǒng)功能或重新啟動計算機。