史上最简单的内核（二）

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项目地址：https://github.com/lucasysfeng/lucasOS

上一讲我们介绍了计算机的启动流程，并给出了一份简单的主引导记录代码，此份代码仅仅是显示几个字符，并没有做它本应该做的事–启动内核。本讲我们首先看下内核是如何被启动的，然后写一个简单的内核，用已经实现的主引导记录配合GRUB启动它。

如何启动内核

前一讲我们说到，计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后，会运行事先安装的“启动管理器”bootloader，由用户选择启动哪个内核，之后就会载入内核，将控制权交给内核。GNU GRUB（GRand Unified Bootloader）就是一种bootloader，满足多重引导规范（The Multiboot Specification），GRUB可选择操作系统分区上的不同内核，下图就是GRUB的图形界面：

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图 GRUB界面

能够被GRUB启动的内核需要满足两个的条件:

(1) 内核的前8K字节内必须要包含多重引导规范的头信息（Multiboot Header）；
(2) 内核要加载在内存地址的1MB以上。

那么Multiboot Header是什么样子的呢？它必须包含4字节对齐的3个域（还有其他非必须域，我们不讨论），如下：

魔数域（magic）：标志头的魔数，必须等于 0x1BADB002。。
标志域（flag）：是否需要引导程序支持某些特性，我们不关心这些特性，这个标志置为0。
校验域（checksum）：校验等式是否成立（magic + flags + checksum = 0）

本文不讨论GRUB的实现，我们会用前人已经写好的GRUB（笔者会给出），我们要做的是完成符合GRUB启动规范的内核。为了完成这个内核，我们需要写少量的汇编用来在内核中加入Multiboot Header，然后用C语言写内核入口，最后将汇编目标代码和C语言目标代码链接起来生成真正的内核。下面就让我们一步步地完成这些吧！

第一步汇编入口

汇编代码如下：

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; 文件名 boot.asm
; Copyright: www.cnblogs.com/lucasysfeng
 
MBOOT_MAGIC  equ 0x1BADB002  ; multiboot magic域，必须为此值
MBOOT_FLAGS  equ 0x00        ; multiboot flag域, GRUB启动时是否要做一些特殊操作
MBOOT_CHECKSUM  equ -(MBOOT_MAGIC + MBOOT_FLAGS) ; multiboot checksum域，校验上面两个域是否正确
 
[BITS 32]                    ; 以32位编译
 
section .text
  dd  MBOOT_MAGIC
  dd  MBOOT_FLAGS
  dd  MBOOT_CHECKSUM
  dd  start
 
[GLOBAL start]
[EXTERN kernel_main]         ; 内核入口函数, EXTERN表明此符号在外部定义
 
start:
  cli                        ; 禁用中断
  call kernel_main           ; 调用内核入口函数
  jmp $                      ; 无限循环

在上面汇编中，我们定义了GRUB启动需要的域MBOOT_MAGIC、MBOOT_FLAGS和MBOOT_CHECKSUM，并调用了内核入口函数kernel_main, kernel_main下一节实现。

编译生成目标文件boot.o

nasm -f elf boot.asm -o boot.o

运行上面命令后会生成目标文件boot.o，-f elf的意思是生成ELF格式的目标代码。

第二步内核入口

内核代码如下：

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/****************************************************
# Copyright(c) www.cnblogs.com/lucasysfeng, all rights reserved
# File        : kernel.c
# Author      : lucasysfeng
# Description : 内核入口函数
****************************************************/
 
int kernel_main()
{
    // 显存开始地址
    char *display_buf = (char*)0xb8000;        
 
    // 清屏
    unsigned int i = 0;
    const unsigned int total = 80 * 25 * 2;      // 一屏25行，每行80个字符，每个字符2个字节
    while(i < total)
    {
        display_buf[i++] = ' ';
        display_buf[i++] = 0x04;                 // 颜色
    }
 
    // 显示字符
    const char *str = "Hello World, welcome to kernel!";
    for (i = 0; '\0' != *str;)
    {
        display_buf[i++] = *(str++);
        display_buf[i++] = 0x04;
    }
 
    return 0;
}

0xb8000h是显存开始的地址，读者可以看第一讲 “实模式内存地址空间分布”那张图，找到0xb8000h这个地址。从0xb8000h这个地址开始，每2个字节表示一个字符，前一个字节是字符的ASCII码，后一个字节是这个字符的颜色和属性，颜色和属性此处先不用关心。这段C代码的其余部分相信读者都能看得懂，我就不过多解释了。

编译生成目标文件kernel.o

gcc -m32 -c -o kernel.o kernel.c

运行上面命令后，目标文件kernel.o就生成了。

第三步生成内核

上面讲到了能被GRUB启动的内核需要满足的条件：

(1) 内核的前8K字节内必须要包含多重引导规范的头信息（Multiboot Header）；
(2) 内核要加载在内存地址的1MB以上。

我们将头信息放在了汇编生成的目标文件boot.o中，因此我们需要将boot.o和kernel.o链接到一起生成真正的kernel,并且这个真正的内核要加载到1MB内存上，为此，我们需要下面的链接脚本和命令(关于链接脚本的使用自行google)：

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/***************************
* 文件名: link.ld  
***************************/
 
ENTRY(start)
SECTIONS
{
    . = 0x100000;
 
    .text :
    {
        *(.text)
        . = ALIGN(4096);
    }
    .data :
    {
        *(.data)
        *(.rodata)
        . = ALIGN(4096);
    }
}

我们用ld命令链接目标文件boot.o和kernel.o，指明使用链接脚本link.ld:

ld -T link.ld -m elf_i386 -nostdlib boot.o kernel.o -o kernel

运行上面命令后，会生成我们要启动的真正的内核kernel，那么这个kernel是否满足GRUB启动规范呢？我们可以通过反汇编来看一下：

objdump -d kernel | head -n30

结果如下图所示，我们看到100000了吗，这个就是.text段起始的地址即1M，看到02 b0 ad 1b 00 00了吗，这个就是GRUB魔数域1b ad b0 02（大小端问题，反向存储）

第四步将内核拷贝到软盘镜像

我们这里不制作软盘镜像，而是使用已经制作好的软盘镜像，镜像名称lucasOS.img，已经放在github上了。我们也无需制作GRUB，这个软盘镜像已经包含了GRUB.我们要做的是把内核文件kernel拷贝到软盘镜像lucasOS.img中。

获取lucasOS.img软盘镜像。

lucasOS目录下的lucasOS.img就是我们要的软盘镜像。

git clone https://github.com/lucasysfeng/lucasOS.git

创建挂载点。

sudo mkdir /mnt/lucasOS

挂载软盘镜像

注意把lucasOS.img改为你的lucasOS.img所在路径。

sudo mount lucasOS.img /mnt/lucasOS

把内核文件拷贝到软盘镜像中

注意把kernel改为你的kernel所在路径。

sudo cp kernel /mnt/lucasOS/kernel

卸载软盘镜像

sudo umount /mnt/lucasOS

第五步启动内核

上一讲我们用软盘镜像启动了一个空的虚拟机，下面用同样地操作启动虚拟机，要记得把软盘镜像lucasOS.img从ubuntu拷贝到windows下。这里我们使用VMware创建虚拟机，当然也可以使用其他软件创建虚拟机。

创建空的虚拟机，去掉开机从CD/DVD启动选项。

网络选择host-only模式。

选择从软盘驱动，路径选择已经拷贝到windows下的镜像lucasOS.img.

开启虚拟机电源，看到如下的画面（约停留2s），恭喜你，GRUB成功了！

GRUB启动成功后，会自动载入内核，出现下面画面，恭喜你，载入内核成功！

好了，至此，我们完成了内核的启动流程，下一讲我们开始内核之旅！

代码获取

本系列GitHub地址 https://github.com/lflxp/lucasOS，用下面命令获取代码:

git clone https://github.com/lflxp/lucasOS.git

本讲的代码是code/chapter2，笔者已经将上面的命令集成到Makefile中了，读者只需进入目录，按ReadMe.txt说明执行即可

参考

http://www.jamesmolloy.co.uk/tutorial_html/2.-Genesis.html