自制操作系统Antz(7)——实现内核 (上)

Antz系统更新地址： https://www.cnblogs.com/LexMoon/category/1262287.html

Linux内核源码分析地址：https://www.cnblogs.com/LexMoon/category/1267413.html

　　在前几天的任务中，我们已经简单实现了MBR，直接操作显示器和硬盘操作来加载其他扇区的程序，如今已经可以进入保护模式了，简单引入了C语言，接下来我们编写自己的内核。

0. 汇编生成ELF

　　完成实模式到保护模式跳转的这一任务是由loader进行的，而我们不应该用loader做太多的事，loader只需要完成跳转就好了，剩下的工作交给内核。

　　为了加载内核到内存，需要使用ELF格式，如何编译这种格式呢？

　　来看看下面这个例子。

[section .data]

strHello    db    "Hello, Antz !", 0Ah
STRLEN        equ    $ - strHello

[section .text]    

global _start    

_start:
    mov    edx, STRLEN
    mov    ecx, strHello
    mov    ebx,
    mov    eax,
    int    0x80
    mov    ebx,
    mov    eax,
    int    0x80    

　　global _start定义了程序的入口地址，相当于c/c++中main。

　　接下来使用NASM编译。

　　

　　-f elf 指定了输出文件的格式为ELF格式。

　　编译完成之后要进行链接，链接指令如下：

　　

　　　　（出现警告，在linux无警告，Windows下会有，可以无视）

　　-s是strip的简写，可以去掉符号表等内容，对生成的可执行代码进行减肥。

1. 汇编与C语言共同使用

　　我们已经可以生成一个支持载入内存的内核格式文件了，现在我们要学会把汇编程序和c语言程序链接在一起。这是我们编写内核的一大步。

　　先来看看c代码：

　　　　其中定义了一个choose函数，声明了一个myprint函数。

 void myprint(char* msg, int len);

 int choose(int a, int b)
 {
     if(a >= b){
         myprint("the 1st one\n", );
     }
     else{
         myprint("the 2nd one\n", );
     }

     return ;
 }

　　再来看看汇编代码：

 extern choose

 [section .data]    ; 数据在此

 num1st        dd
 num2nd        dd    

 [section .text]    ; 代码在此

 global _start
 global myprint    

 _start:
     push    num2nd
     push    num1st
     call    choose
     add    esp,         

     mov    ebx,
     mov    eax,
     int    0x80    

 ; void myprint(char* msg, int len)
 myprint:
     mov    edx, [esp + ]    ; len
     mov    ecx, [esp + ]    ; msg
     mov    ebx,
     mov    eax,         ; sys_write
     int    0x80
     ret
     

　　如果你懂汇编，这个代码一定没有如何问题。

　　第一行的extern choose就是指c代码中定义的choose函数。

　　后面的global导出了函数入口，_start和在c文件中没有定义的myprint函数，myprint在汇编代码中完成了定义。

　　_start中调用了choose，choose中又调用了myprint函数。

　　这样这两个代码文件内容就很清晰了吧。

　　在Linux终端下查看结果：

 nasm -f elf foo.asm -o foo.o
 gcc -c bar.c -o bar.o
 ld -s hello.o bar.o -o foobar
 ./foobar

2. 从Loader到内核

　　加载内核到内存和引导扇区的工作很相似，只是处理内核时我们要根据ELF文件结构中的值将内核中相应段放入相应位置。

　　fat12hdr.inc :

 BS_OEMName    DB 'Antz__Os'

 BPB_BytsPerSec    DW
 BPB_SecPerClus    DB
 BPB_RsvdSecCnt    DW
 BPB_NumFATs    DB
 BPB_RootEntCnt    DW
 BPB_TotSec16    DW
 BPB_Media    DB 0xF0
 BPB_FATSz16    DW
 BPB_SecPerTrk    DW
 BPB_NumHeads    DW
 BPB_HiddSec    DD
 BPB_TotSec32    DD     

 BS_DrvNum    DB
 BS_Reserved1    DB
 BS_BootSig    DB 29h
 BS_VolID    DD
 BS_VolLab    DB 'Tinix0.01  '
 BS_FileSysType    DB 'FAT12   '    

 FATSz            equ
 RootDirSectors        equ        

 SectorNoOfRootDirectory    equ
 SectorNoOfFAT1        equ
 DeltaSectorNo        equ
                      

　　boot.asm :

 org  07c00h        

 BaseOfStack        equ    07c00h
 BaseOfLoader        equ    09000h
 OffsetOfLoader        equ    0100h

     jmp short LABEL_START
     nop        

 %include    "fat12hdr.inc"

 LABEL_START:
     mov    ax, cs
     mov    ds, ax
     mov    es, ax
     mov    ss, ax
     mov    sp, BaseOfStack

     mov    ax, 0600h
     mov    bx, 0700h
     mov    cx,
     mov    dx, 0184fh
     int    10h         

     mov    dh,
     call    DispStr         

     xor    ah, ah
     xor    dl, dl
     int    13h    

     mov    word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory
 LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
     cmp    word [wRootDirSizeForLoop],
     jz    LABEL_NO_LOADERBIN
     dec    word [wRootDirSizeForLoop]
     mov    ax, BaseOfLoader
     mov    es, ax
     mov    bx, OffsetOfLoader
     mov    ax, [wSectorNo]
     mov    cl,
     call    ReadSector

     mov    si, LoaderFileName
     mov    di, OffsetOfLoader
     cld
     mov    dx, 10h
 LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN:
     cmp    dx,
     jz    LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR
     dec    dx
     mov    cx,
 LABEL_CMP_FILENAME:
     cmp    cx,
     jz    LABEL_FILENAME_FOUND
 dec    cx
     lodsb
     cmp    al, byte [es:di]
     jz    LABEL_GO_ON
     jmp    LABEL_DIFFERENT         

 LABEL_GO_ON:
     inc    di
     jmp    LABEL_CMP_FILENAME     

 LABEL_DIFFERENT:
     and    di, 0FFE0h
     add    di, 20h
     mov    si, LoaderFileName
     jmp    LABEL_SEARCH_FOR_LOADERBIN

 LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR:
     add    word [wSectorNo],
     jmp    LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN

 LABEL_NO_LOADERBIN:
     mov    dh,
     call    DispStr
 %ifdef    _BOOT_DEBUG_
     mov    ax, 4c00h
     int    21h
 %else
     jmp    $
 %endif

 LABEL_FILENAME_FOUND:
     mov    ax, RootDirSectors
     and    di, 0FFE0h
     add    di, 01Ah
     mov    cx, word [es:di]
     push    cx
     add    cx, ax
     add    cx, DeltaSectorNo
     mov    ax, BaseOfLoader
     mov    es, ax
     mov    bx, OffsetOfLoader
     mov    ax, cx

 LABEL_GOON_LOADING_FILE:
     push    ax
     push    bx
     mov    ah, 0Eh
     mov    al, '.'
     mov    bl, 0Fh
     int    10h
     pop    bx
     pop    ax             

     mov    cl,
     call    ReadSector
     pop    ax
     call    GetFATEntry
     cmp    ax, 0FFFh
     jz    LABEL_FILE_LOADED
     push    ax
     mov    dx, RootDirSectors
     add    ax, dx
     add    ax, DeltaSectorNo
     add    bx, [BPB_BytsPerSec]
     jmp    LABEL_GOON_LOADING_FILE
 LABEL_FILE_LOADED:

     mov    dh,
     call    DispStr            

     jmp    BaseOfLoader:OffsetOfLoader    

 wRootDirSizeForLoop    dw    RootDirSectors
 wSectorNo        dw
 bOdd            db            

 LoaderFileName        db    "LOADER  BIN",  

 MessageLength        equ
 BootMessage:        db    "Booting  ";
 Message1        db    "Ready.   ";
 Message2        db    "No LOADER";  

 DispStr:
     mov    ax, MessageLength
     mul    dh
     add    ax, BootMessage
     mov    bp, ax
     mov    ax, ds
     mov    es, ax
     mov    cx, MessageLength
     mov    ax, 01301h
     mov    bx, 0007h
     mov    dl,
     int    10h
     ret

 ReadSector:
     push    bp
     mov    bp, sp
     sub    esp,              

     mov    byte [bp-], cl
     push    bx
     mov    bl, [BPB_SecPerTrk]
     div    bl
     inc    ah
     mov    cl, ah
     mov    dh, al
     shr    al,
     mov    ch, al
     and    dh,
     pop    bx         

     mov    dl, [BS_DrvNum]
 .GoOnReading:
     mov    ah,
     mov    al, byte [bp-]
     int    13h
     jc    .GoOnReading        

     add    esp,
     pop    bp

     ret

 GetFATEntry:
     push    es
     push    bx
     push    ax
     mov    ax, BaseOfLoader
     sub    ax, 0100h
     mov    es, ax
     pop    ax
     mov    byte [bOdd],
     mov    bx,
     mul    bx
     mov    bx,
     div    bx
     cmp    dx,
     jz    LABEL_EVEN
     mov    byte [bOdd],
 LABEL_EVEN:
     xor    dx, dx
     mov    bx, [BPB_BytsPerSec]
     div    bx            

     push    dx
     mov    bx,
     add    ax, SectorNoOfFAT1
     mov    cl,
     call    ReadSector
     pop    dx
     add    bx, dx
     mov    ax, [es:bx]
     cmp    byte [bOdd],
     jnz    LABEL_EVEN_2
     shr    ax,
 LABEL_EVEN_2:
     and    ax, 0FFFh

 LABEL_GET_FAT_ENRY_OK:

     pop    bx
     pop    es
     ret

 times     -($-$$)    db
 dw     0xaa55                

　　loader.asm:

 org  0100h

 BaseOfStack        equ    0100h

 BaseOfKernelFile    equ     08000h
 OffsetOfKernelFile    equ         0h    

     jmp    LABEL_START        

 %include    "fat12hdr.inc"

 LABEL_START:
     mov    ax, cs
     mov    ds, ax
     mov    es, ax
     mov    ss, ax
     mov    sp, BaseOfStack

     mov    dh,
     call    DispStr             

     mov    word [wSectorNo], SectorNoOfRootDirectory
     xor    ah, ah
     xor    dl, dl
     int    13h
 LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN:
     cmp    word [wRootDirSizeForLoop],
     jz    LABEL_NO_KERNELBIN
     dec    word [wRootDirSizeForLoop]
     mov    ax, BaseOfKernelFile
     mov    es, ax
     mov    bx, OffsetOfKernelFile    

     mov    ax, [wSectorNo]
     mov    cl,
     call    ReadSector

     mov    si, KernelFileName
     mov    di, OffsetOfKernelFile
     cld
     mov    dx, 10h
 LABEL_SEARCH_FOR_KERNELBIN:
     cmp    dx,
     jz    LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR
     dec    dx
     mov    cx,
 LABEL_CMP_FILENAME:
     cmp    cx,
     jz    LABEL_FILENAME_FOUND
     dec    cx
     lodsb
     cmp    al, byte [es:di]
     jz    LABEL_GO_ON
     jmp    LABEL_DIFFERENT
 LABEL_GO_ON:
     inc    di
     jmp    LABEL_CMP_FILENAME

 LABEL_DIFFERENT:
     and    di, 0FFE0h
     add    di, 20h
     mov    si, KernelFileName
     jmp    LABEL_SEARCH_FOR_KERNELBIN

 LABEL_GOTO_NEXT_SECTOR_IN_ROOT_DIR:
     add    word [wSectorNo],
     jmp    LABEL_SEARCH_IN_ROOT_DIR_BEGIN

 LABEL_NO_KERNELBIN:
     mov    dh,
     call    DispStr
 %ifdef    _LOADER_DEBUG_
     mov    ax, 4c00h
     int    21h
 %else
     jmp    $
 %endif

 LABEL_FILENAME_FOUND:
     mov    ax, RootDirSectors
     and    di, 0FFF0h     

     push    eax
     mov    eax, [es : di + 01Ch]
     mov    dword [dwKernelSize], eax
     pop    eax

     add    di, 01Ah
     mov    cx, word [es:di]
     push    cx
     add    cx, ax
     add    cx, DeltaSectorNo
     mov    ax, BaseOfKernelFile
     mov    es, ax
     mov    bx, OffsetOfKernelFile
     mov    ax, cx         

 LABEL_GOON_LOADING_FILE:
     push    ax
     push    bx
     mov    ah, 0Eh
     mov    al, '.'
     mov    bl, 0Fh
     int    10h
     pop    bx
     pop    ax         

     mov    cl,
     call    ReadSector
     pop    ax
     call    GetFATEntry
     cmp    ax, 0FFFh
     jz    LABEL_FILE_LOADED
     push    ax
     mov    dx, RootDirSectors
     add    ax, dx
     add    ax, DeltaSectorNo
     add    bx, [BPB_BytsPerSec]
     jmp    LABEL_GOON_LOADING_FILE
 LABEL_FILE_LOADED:

     call    KillMotor         

     mov    dh,
     call    DispStr         

     jmp    $

 wRootDirSizeForLoop    dw    RootDirSectors
 wSectorNo        dw
 bOdd            db
 dwKernelSize        dd         

 KernelFileName        db    "KERNEL  BIN",
 MessageLength        equ
 LoadMessage:        db    "Loading  "
 Message1        db    "Ready.   "
 Message2        db    "No KERNEL"

 DispStr:
     mov    ax, MessageLength
     mul    dh
     add    ax, LoadMessage
     mov    bp, ax
     mov    ax, ds
     mov    es, ax
     mov    cx, MessageLength
     mov    ax, 01301h
     mov    bx, 0007h
     mov    dl,
     add    dh,
     int    10h
     ret

 ReadSector:

     push    bp
     mov    bp, sp
     sub    esp,          

     mov    byte [bp-], cl
     push    bx
     mov    bl, [BPB_SecPerTrk]
     div    bl
     inc    ah
     mov    cl, ah
     mov    dh, al
     shr    al,
     mov    ch, al
     and    dh,
     pop    bx

     mov    dl, [BS_DrvNum]
 .GoOnReading:
     mov    ah,
     mov    al, byte [bp-]
     int    13h
     jc    .GoOnReading        

     add    esp,
     pop    bp

     ret 

 GetFATEntry:
     push    es
     push    bx
     push    ax
     mov    ax, BaseOfKernelFile
     sub    ax, 0100h
     mov    es, ax
     pop    ax
     mov    byte [bOdd],
     mov    bx,
     mul    bx
     mov    bx,
     div    bx
     cmp    dx,
     jz    LABEL_EVEN
     mov    byte [bOdd],
 LABEL_EVEN:
     xor    dx, dx
     mov    bx, [BPB_BytsPerSec]
     div    bx            

     push    dx
     mov    bx,
     add    ax, SectorNoOfFAT1
     mov    cl,
     call    ReadSector
     pop    dx
     add    bx, dx
     mov    ax, [es:bx]
     cmp    byte [bOdd],
     jnz    LABEL_EVEN_2
     shr    ax,
 LABEL_EVEN_2:
     and    ax, 0FFFh

 LABEL_GET_FAT_ENRY_OK:

     pop    bx
     pop    es
     ret

 KillMotor:
     push    dx
     mov    dx, 03F2h
     mov    al,
     out    dx, al
     pop    dx
     ret 

　　加载功能已经有了，但是还没有内核给以上程序拿来加载。

　　我们来实现一个最简单的内核，以后会基于此扩展。

　　kernel.asm :

　　　　此处的K不会打印，因为这里只是假设gs指向了显存。

 [section .text]

 global _start     

 _start:
     mov    ah, 0Fh                ; 0000: 黑底    1111: 白字
     mov    al, 'K'
     mov    [gs:(( *  + ) * )], ax    ; 屏幕第 1 行, 第 39 列。
     jmp    $

　　

　　出现了Ready，说明我们的kernel内核已经加载成功了。