从零开始写 OS 内核 - 加载并进入 kernel

系列目录

• 序篇
• 准备工作
• BIOS 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 第一个 kernel 线程
• 多线程切换
• 锁与多线程同步
• 进入用户态
• 进程的实现
• 系统调用
• 简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 键盘驱动
• 运行 shell

kernel 磁盘镜像

接上一篇 虚拟内存初探，本篇将正式加载并启动 kernel，也就是图中绿色的部分：

当然 kernel 镜像要从磁盘上读取加载，所以这里回顾一张老图，是 disk 和 memory（物理内存）的数据对应关系：

顺便提一下，上图中斜线阴影打问号的部分，就是上一章讲的 kernel page tables，即第一张图的橙色部分，共 256 张占地 1MB。

编写 kernel

回到 kernel ，即图中绿色部分，它现在实际上还不存在，所以首先我们需要实现、编译一个简单的 demo 性质的 kernel。如果对 kernel 是什么还没有概念的同学，可能会问：到底 kernel 长什么样？

答案非常简单：kernel 和你平时用 C 语言写的可执行程序几乎没有任何区别，也是从一个 main 函数开始。

下面我们就实现我们的第一个 kernel：

void main() {
  while (1) {}
}

就是这样简单，除了一个 while 循环，没有任何其它东西，但它足以用作我们这里的 demo。

编译 kernel

这里有很多编译参数，例如以 32 位编码，禁用 C 标准库等（这是我们自己定制的 OS，和 C 标准库不可能兼容）。

gcc -m32 -nostdlib -nostdinc -fno-builtin -fno-stack-protector -no-pie -fno-pic -c main.c -o main.o

链接 kernel：

ld -m elf_i386 -Tlink.ld -o kernel main.o

这里会用到一个 link 配置文件 link.ld：

ENTRY(main)
SECTIONS
{
  .text 0xC0800000:
  {
    code = .; _code = .; __code = .;
    *(.text)
  }

  .data ALIGN(4096):
  {
     data = .; _data = .; __data = .;
     *(.data)
     *(.rodata)
  }

  .bss ALIGN(4096):
  {
    bss = .; _bss = .; __bss = .;
    *(.bss)
    . = ALIGN(4096);
  }

  end = .; _end = .; __end = .;
}

这里最重要的就是定义了 text 段的起始地址 0xC0800000，也是整个 kernel 编址的起始。如果你还记得上一篇的内容，我们规划了 kernel 空间的虚拟内存分布：

0xC0800000 将是 kernel 的入口地址，因为 text 段会被加载到此处，往后依次是 data，bss 等段。loader 结束后将会跳转到该地址。

另外上面还定义了整个可执行文件的入口函数为 main。

编译链接后的 kernel 是一个 ELF 格式的二进制，我们不妨将它反汇编 dump 看一下：

objdump -dsx kernel

可以看到 main 函数的地址为 0xC080000，这是进入 kernel 后的第一条指令。

制作 kernel 镜像

dd if=kernel of=scroll.img bs=512 count=2048 seek=9 conv=notrunc

seek=9 是因为前面 mbr 和 loader 已经在磁盘上占据了前 9 个 sectors。这里 kernel 大小为 2048 个 sectors 共 1MB，对于我们这个项目而言已经足够大了，完全够用。

现在磁盘镜像终于变成了这样：

读取并加载 kernel

镜像准备完毕，接下来就可以将 kernel 读取并且加载了。首先还是给出代码链接 init_kernel，供你参考。

和之前 mbr 和 loader 的加载不同，这里将读取和加载两个词分开，是因为它们是两个步骤：

• 读取：是将 kernel 磁盘镜像的 原始二进制 复制到内存中某空闲处，这里的二进制是 ELF 格式的；
• 加载：是将前一步得到的 ELF 可执行二进制进行解析，将每一个 section 复制到它们被 编址 的地方；

首先来看第一步“读取”。我们选择的是虚拟内存顶部的 1MB，即 (0xFFFFFFFF - 1MB) ～0xFFFFFFFF 的 1MB 空间作为二进制镜像的存放地址，当然这完全是个人选择，我选这里是因为这里目前不会有人打扰；当然也要为它分配相应的物理页 frames，在 page table 中建立映射，所以我也从剩下的物理内存空间里找了 1MB 空闲位置出来给它映射上去；然后就可以像之前读取 mbr 和 loader 一样，将 kernel 镜像读取进来。

接下来是第二步“加载”。这里涉及到了根据 ELF 文件格式的规范进行解析，需要你花点时间了解相关文档，主要就是从 program header table 中获取每个 section 的位置和大小，以及加载的内存地址（当然是 virtual 地址），然后将数据 copy 过去。这一次加载的内存地址，才是 0xC0800000 开始的位置。当然在 copy 之前，当然要为它们预先分配好 frames 并且在 page table 中建立好内存映射。这一切工作都在 allocate_pages_for_kernel 这个函数中提前完成了。

进入 kernel

一切准备就绪，接下来就可以真正进入 kernel 了：

init_kernel:
  call allocate_pages_for_kernel
  call load_hd_kernel_image
  call do_load_kernel
  
  ; init floating point unit before entering the kernel
  finit

  ; move stack to 0xF0000000
  mov esp, KERNEL_STACK_TOP - 16
  mov ebp, esp

  ; let's jump to kernel entry :)
  jmp eax
  ret

首先初始化了 CPU 的浮点数单元，防止它后面异常。

然后我将 stack 移到了比较高的地址 0xF0000000 位置，这当然不是必须的，完全是我个人选择。当前的 stack 位置其实也很不错（大约在 0xC0007B00 以下附近的位置，其中 0x7B00 这是在 mbr 中转移过去的，而打开 paging 后我们用 0xC0000000 + 0x7B00 访问，如果你还记得的话）。只是我希望后面进入 kernel 以后的 stack 位置能被移到 一个全新的地方，所以才这么多做了一步。stack 的位置是比较灵活的，只要是一个闲置的，不会受到干扰的地方就可以。

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然后非常简单，jmp eax 一条指令跳到了 kernel 入口处。

为什么是 eax？这是上面函数 do_load_kernel 的返回值，这个函数就是我们解析加载 kernel 的 ELF 二进制的函数，它会返回值 kernel 的入口地址，即 main 函数地址，这个地址是由 ELF 文件中 ELF Header 的 e_entry 字段给出的。ELF 可执行二进制的入口地址是在链接阶段确定的，它实际上是由之前的 link.ld 里的 ENTRY(main) 指定的。

顺利的话，运行的结果如下：

程序已经成功地进入 kernel 并且运行到了 0xC0800003 处，就是那个 while 循环的位置，这将是 kernel 征途的真正开篇：)