[自制操作系统] 第09回 加载内核

目录
一、前景回顾
二、用C语言编写内核
三、加载内核
四、运行测试

一、前景回顾

　　本回开始，我们要开始编写内核代码了，在此之前，先梳理一下已经完成的工作。

　　蓝色部分是目前已经完成的部分，黄色部分是本节将要实现的。

二、用C语言编写内核

　　为什么要用C语言来编写内核呢，其实用汇编语言也可以实现，只是对于我们来讲，看C语言代码肯定要比汇编语言更容易理解，看起来也没那么费劲。所以用C语言可以更加省事。

　　先来看看我们内核代码的最初形态，首先在项目路径下新建一个project/kernel的目录，以后我们内核相关的文件都存放于此，在该目录下新建一个名为main.c的文件，在main.c中键入如下代码：

1 int main(void)
2 {
3     while(1);
4     return 0;
5 }

　　这就是我们的内核代码，当然现在什么都还没有，就算内核成功加载进去也没有什么反应。这里我们先实现一个自己的打印函数，在main函数中调用这个打印函数来打印出“HELLO KERNEL”的字符，这样就能测试内核代码运行是否成功。前面我们一直都是直接操作显存段的内存来往屏幕上来打印字符，现在开始用C语言编程了，自然要封装一个打印函数来打印字符。

　　同样，在项目路径下新建另一个project/lib/kernel目录，该目录用来存放一些供内核使用的库文件。在该目录下新建名为print.S和print.h的文件，在此之前，我们在project/lib目录下新建一个名为stdint.h的文件用来定义一些数据类型。代码如下：

　　最后输入如下命令来编译print.S：

nasm -f elf -o ./project/lib/kernel/print.o ./project/lib/kernel/print.S

　　完善了打印函数后，我们现在可以在main函数中实现打印功能了，修改main.c文件：

1 #include "print.h"
2 int main(void)
3 {
4     put_str("HELLO KERNEL\n");
5     while(1);
6     return 0;
7 }

三、加载内核

　　前面我们已经将内核代码实现完成了，接下来按道理应该和前面一样，将main.c文件编译加载到硬盘中，随后通过loader来读取加载该文件，最终跳转运行。的确也是如此，不过略有不同。请听我慢慢讲来。

　　现在我们是main.c文件，不同于汇编代码，我们接下来要使用gcc工具将main.c文件编译成main.o文件：

gcc -m32 -I project/lib/kernel/ -c -fno-builtin project/kernel/main.c -o project/kernel/main.o

　　它只是一个目标文件，也称为重定位文件，重定位文件指的是文件里面所用的符号还没有安排地址，这些符号的地址将来是要与其他目标文件“组成”一个可执行文件时再重定位（编排地址），这里的符号就是指的所调用的函数或使用的变量，看我们的main.c文件中，在main函数中调用了print.h中声明的put_str函数，所以将来main.o文件需要和print.o文件一起组成可执行文件。

　　如何“组成”呢？这里的“组成”其实就是指的C语言程序变成可执行文件下的四步骤（预处理、编译、汇编和链接）中的链接，Linux下使用的是ld命令来链接，我们是在Linux平台下的，所以自然使用ld命令:

ld -m elf_i386 -Ttext 0xc0001500 -e main -o project/kernel/kernel.bin project/kernel/main.o project/lib/kernel/print.o

　　最终生成可执行文件kernel.bin。它就是我们需要加载到硬盘里的那个文件。

　　到这里都和前面步骤一致，只是后面loader并不是单纯的将kernel.bin文件拷贝到内存某处再跳转执行。这是因为我们生成的kernel.bin文件的格式为elf，elf格式的文件，在文件最开始有一个名为elf格式头的部分，该部分详细包含了整个文件的信息，具体内容过多我这里不再展开讲，感兴趣的朋友可以参考原书《操作系统真象还原》p213~222，或者百度。所以说如果我们只是单纯地跳转到该文件的加载处，那么必定会出现问题，因为该文件的开始部分并不是可供CPU执行的程序，我们跳转的地址应该是该文件的程序部分。这个地址在我们前面链接时已经指定为0xc0001500，因为我们前面已经开启了分页机制，所以实际上这个地址对应的是物理地址的0x1500处。

　　接下来再修改loader.S文件，增加拷贝内核部分代码以及拷贝函数代码，为了便于阅读，我将新代码附在了之前的loader.S文件下，除此之外，boot.inc也有新增的内容。

　　来看代码，首先调用函数rd_disk_m_32将kernel.bin文件从硬盘拷贝到地址KERNEL_BIN_BASE_ADDR，也就是0x70000处。

　　enter_kernel是进入内核的函数，首先调用kernel_init函数，在该函数中其实就是对前面拷贝到地址0x70000处的kernel.bin文件进行解析，将其中的程序部分拷贝到地址0xc0001500处，随后再跳转过去。

　　这里讲解一下为什么是地址0xc0001500处，物理内存中的0x900是loader.bin的加载地址，在该地址开始部分是GDT，GDT以后会被一直使用不能被覆盖，这里预计loader.bin的大小不会超过2000字节，前面我们有说到内核是要放在loader的上面的，因为内核会不断增大，所以我们可选的物理地址是0x900+2000=0x10d0，凑个整数就选了0x1500作为内核的入口地址，不必好奇为什么是这个地址，只是凭感觉就这么设计了。因为我们的内存相对来说比较宽松，没必要那么紧凑。

　　进入内核后，我们修改了栈顶指针，不再是以前的0x900，查看内存布局，我们可以知道在地址0x7E00~0x9FBFF之间，还有约630KB的空间未被使用，因此我们选用地址0x9F000作为栈顶。考虑到以后内核的拓展，预计也就只有70KB，我们内核从0x1500开始，栈向下发展，我们的内核是不会和栈发生冲突的。

四、运行测试

　　首先将前面生成的可执行文件kernel.bin，也就是我们最终的内核文件使用dd命令将其写入到硬盘中去,这里记得还要重新编译loader.S以及加载loader.bin文件，因为loader.S也被修改了。

dd if=./project/kernel/kernel.bin of=./hd60M.img bs=512 count=200 seek=9 conv=notrunc

　　这里我们count的参数为200，意为向硬盘一次性写入两百个扇区，当然我们的内核文件现在还没有这么大，Seek=9表示跳过前面9个扇区，从第10个扇区开始存放（以LBA法计算）。启动boch，最终得到如下画面：

　　说明我们的内核文件成功写入并且加载成功了。虽然只是一小步，但是却是我们整个操作系统学习的一大步，到了这里我们整个操作系统的基本框架算是搭建完毕了，接下来就是不断地进行完善内核文件即可。

　　欲知后事如何，请看下回分解。