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《Orange‘s 一个操作系统的实现》第五章
Linux 下用汇编
编写 hello.asm
[section .data] ; 数据段 strHello db "Hello, world!", 0Ah STRLEN equ $ - strHello [section .text] ; 代码段 global _start ; 我们必须导出 _start 这个入口，以便让链接器识别 _start: mov edx, STRLEN mov ecx, strHello mov ebx, 1 mov eax, 4 ; sys_write int 0x80 ; 系统调用 mov ebx, 0 mov eax, 1 ; sys_exit int 0x80 ; 系统调用- 1
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编译链接
$ nasm -f elf hello.asm -o hello.o $ ld -s hello.o -o hello # 或许会报错，我这里是 ld -m elf_i386 -s hello.o -o hello ./hello- 1
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必须要定义入口点，且要通过 global 关键字将它导出，这样链接程序才能找到它。
汇编与 C 一同使用
foo.asm
extern choose ; extern 声明本文件外的函数 ; int choose(int a, int b) [section .data] ; 数据段 num1st dd 3 num2nd dd 4 [section .text] ; 代码段 global _start ; 导出入口点，以便链接器识别 global myprint ; 导出这个函数，便于让 c 调用 _start: ; 调用 choose(num1st, num2nd) push dword [num2nd] push dword [num1st] call choose add esp, 8 mov ebx, 0 mov eax, 1 ; sys_write int 0x80 ; 系统调用 ; void myprint(char* msg, int len) myprint: mov edx, [esp + 8] ; len mov ecx, [esp + 4] ; msg mov ebx, 1 mov eax, 4 ; sys_write int 0x80 ; 系统调用 ret- 1
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bar.c
void myprint(char* msg, int len); int choose(int a, int b) { if(a >= b) myprint("the 1st one\n", 13); else myprint("the 2nd one\n", 13); return 0; }- 1
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编译链接
$ nasm -f elf -o foo.o foo.asm $ gcc -c -o bar.o bar.c # 若平台是 64 位，则默认会以 64 位生成目标文件 # $ gcc -m32 -c bar.c -o bar.o # 上面一条的解决方案，指定 32 位生成目标文件 $ ld -m elf_i386 -s -o foobar foo.o bar.o # 指定架构生成 ./foobar- 1
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注意：
- 在 C 中用到汇编中的函数，需要在汇编中使用 global 关键字将其导出。
- 汇编用到本文件之外的函数，需要使用 extern 关键字声明。
- 无论是汇编还是 C，都遵循 C 的调用约定，后面的参数先入栈，并由调用者清理堆栈。
ELF
简介
在计算机科学中，是一种用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库和核心转储格式文件的文件格式。
组成
ELF文件由4部分组成，分别是ELF头（ELF header）、程序头表（Program header table）、节（Section）和节头表（Section header table）。实际上，一个文件中不一定包含全部内容，而且它们的位置也未必如同所示这样安排，只有ELF头的位置是固定的，其余各部分的位置、大小等信息由ELF头中的各项值来决定。
ELF header
#define EI_NIDENT 16 typedef struct{ unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; Elf32_Half e_type; Elf32_Half e_machine; Elf32_Word e_version; Elf32_Addr e_entry; Elf32_Off e_phoff; Elf32_Off e_shoff; Elf32_Word e_flags; Elf32_Half e_ehsize; Elf32_Half e_phentsize; Elf32_Half e_phnum; Elf32_Half e_shentsize; Elf32_Half e_shnum; Elf32_Half e_shstrndx; } Elf32_Ehdr;- 1
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数据类型 大小 对齐 用途 Elf32_Addr 4 4 无符号程序地址 Elf32_Half 2 2 无符号中等大小整数 Elf32_Off 4 4 无符号文件偏移 Elf32_Sword 4 4 有符号大整数 Elf32_Word 4 4 无符号大整数 unsigned char 1 1 无符号小整数 最开头是16个字节的e_ident, 其中包含用以表示ELF文件的字符，以及其他一些与机器无关的信息。开头的4个字节值固定不变，为0x7f和ELF三个字符。
e_type：它标识的是该文件的类型。e_machine：表明运行该程序需要的体系结构。e_version：表示文件的版本。e_entry：程序的入口地址。e_phoff：表示Program header table 在文件中的偏移量（以字节计数）。e_shoff：表示Section header table 在文件中的偏移量（以字节计数）。e_flags：对IA32而言，此项为0。e_ehsize：表示ELF header大小（以字节计数）。e_phentsize：表示Program header table中每一个条目的大小。e_phnum：表示Program header table中有多少个条目。e_shentsize：表示Section header table中的每一个条目的大小。e_shnum：表示Section header table中有多少个条目。e_shstrndx：包含节名称的字符串是第几个节（从零开始计数）。
第一行（红线部分）：e_type，其中开头四个字节（黄色字体）是固定不变的。
第二行，分别是：e_machine(0x0002)、e_version(0x0003)、e_entry(0x08049000)，以此类推。
Program Header
Program header描述的是一个段在文件中的位置、大小以及它被放进内存后所在的位置和大小。
看前一节的图，得到 Program header table 在文件中的偏移量（e_phoff）为 0x34，而 ELF header 大小（e_ehsize）也是 0x34，可见 ELF header 后面紧跟着就是 Program header table。
typedef struct { Elf32_Word p_type; // 0 Elf32_Off p_offset; // 4 Elf32_Addr p_vaddr; // 8 Elf32_Addr p_paddr; // 12, 0Ch Elf32_Word p_filesz; // 14, 0Eh Elf32_Word p_memsz; // 18, 12h Elf32_Word p_flags; // 22, 16h Elf32_Word p_align; // 26, 1Ah } Elf32_Phdr;- 1
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p_type：当前Program header所描述的段的类型。
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p_offset：段的第一个字节在文件中的偏移。 -
p_vaddr：段的一个字节在内存中的虚拟地址 -
p_paddr：在物理内存定位相关的系统中，此项是为物理地址保留。 -
p_filesz：段在文件中的长度。 -
p_memsz：段在内存中的长度。 -
p_flags：与段相关的标志。 -
p_align：根据此项值来确定段在文件及内存中如何对齐。
这些信息可以帮助我们把文件加载进内存。
从 Loader 到内核
Loader 的工作：
- 加载内核到内存
- 跳入保护模式
用 Loader 加载 ELF
加载内核到内存，和加载 Loader 进内存是一样的，区别在于把内核加载进内存需要根据 Program header table 中的值把内核中相应的段放到正确的位置。
代码和之前 Loader 几乎一样，但多了个 KillMotor 函数，作用是关闭软驱马达，不然软驱的灯会一直亮着。
区别：
LABEL_FILENAME_FOUND: ; 找到 KERNEL.BIN 后，便来到这里。 ; ... push eax ;| mov eax, [es:di + 01Ch] ;| // 这些都是新增加的 mov dword [dwKernelSize], eax ;| // 保存 KERNEL.BIN 的文件大小 pop eax ;| ; ... LABEL_GOON_LOADING_FILE:- 1
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; 关闭软驱马达 KillMotor: push dx mov dx, 03F2h mov al, 0 out dx, al pop dx ret- 1
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写一个算不上内核的内核雏形：kernel.asm
[section .text] ; 代码段 global _start _start: mov ah, 0Fh mov al, 'K' mov [gs:((80 * 1 + 39) * 2)], ax jmp $- 1
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编译运行：
$ nasm -f elf -o kernel.o kernel.asm $ nasm loader.asm -o loader.bin ld -m elf_i386 -s -o kernel.bin kernel.o mount -o loop a.img /mnt/floppy/ cp kernel.bin /mnt/floppy/ -v cp loader.bin /mnt/floppy/ -v umount /mnt/floppy/- 1
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运行效果参考：P131 - 图 5.4
跳入保护模式
loader.ams —— GDT
; ================================================================= ; GDT ; 段地址 段界限 属性 LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 LABEL_DESC_FLAT_C: Descriptor 0, 0fffffh, DA_CR | DA_32 | DA_LIMIT_4K LABEL_DESC_FLAT_RW: Descriptor 0, 0fffffh, DA_DRW | DA_32 | DA_LIMIT_4K LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW | DA_DPL3 GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT 长度 GdtPtr dw GdtLen - 1 ; 段界限 dd BaseOfLoaderPhyAddr + LABEL_GDT ; 基地址 ; GDT 选择子 SelectorFlatC equ LABEL_DESC_FLAT_C - LABEL_GDT SelectorFlatRW equ LABEL_DESC_FLAT_RW - LABEL_GDT SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT + SA_RPL3 ; =================================================================- 1
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loader.asm 的 32 位代码段 —— 进入保护模式后要执行的代码
; ================================================================================== ; 保护模式 ; 32 位代码段，由实模式跳入 [SECTION .s32] ALIGN 32 [BITS 32] LABEL_PM_START: mov ax, SelectorVideo mov gs, ax ; 初始化 gs 寄存器 ; 初始化各个寄存器 mov ax, SelectorFlatRW mov ds, ax mov es, ax mov fs, ax mov ss, ax mov esp, TopOfStack ; -------------------------------- ; 这一块是做准备启动分页机制的工作 push szMemChkTitle call DispStr add esp, 4 call DispMemInfo ; 打印内存信息 call SetupPaging ; 开启分页机制 ; /-------------------------------- mov ah, 0Fh ; 黑底白字 mov al, 'P' mov [gs:((80 * 0 + 39) * 2)], ax ; 屏幕第 0 行，第 39 列 ;jmp $ call InitKernel ;************************************************************** jmp SelectorFlatC:KernelEntryPointPhyAddr ; 正式进入内核 ; 这行代码是在完成“重新放置内核”后添加的 ;**************************************************************- 1
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Loader.asm —— 正式进入保护模式
LABEL_FILE_LOADED: call KillMotor ; 关闭软驱马达 mov dh, 1 ; "Ready." call DispStrRealMode ; 显示字符串 ; 下面准备跳入保护模式 lgdt [GdtPtr] ; 加载 GDTR cli ; 关中断 ; 打开地址线 A20 in al, 92h or al, 00000010b out 92h, al ; 开启保护模式的开关 mov eax, cr0 or eax, 1 mov cr0, eax ; 跳入保护模式 jmp dword SelectorFlatC:(BaseOfLoaderPhyAddr + LABEL_PM_START)- 1
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通过 DispMemInfo 函数（该函数在这里就不放出来了）得到内存信息，接着就开始编写启动分页机制的代码；
;--------------------------------------------------------------- ; 函数名：SetupPaging ;--------------------------------------------------------------- ; 功能：启动分页机制 ;--------------------------------------------------------------- SetupPaging: ; 根据内存大小计算应初始化多少 PDE 以及多少页表 xor edx, edx mov eax, [dwMemSize] mov ebx, 400000h ; 400000h = 4M = 4096 * 1024, 一个页表对应的内存大小 div ebx mov ecx, eax ; 此时 ecx 为页表的个数，也即 PDE 应该的个数 test edx, edx jz .no_remainder inc ecx ; 若余数不为 0，就增加一个页表 .no_remainder: push ecx ; 暂存页表个数 ; 为简化处理，所有线性地址对应相等的物理地址，并且不考虑内存空洞 ; 首先 初始化页目录 mov ax, SelectorFlatRW mov es, ax mov edi, PageDirBase xor eax, eax mov eax, PageTblBase | PG_P | PG_USU | PG_RWW ; 构建 PDE .1: stosd add eax, 4096 loop .1 ; 再初始化所有页表 pop eax ; 页表个数 mov ebx, 1024 ; 每个页表 1024 个 PTE mul ebx mov ecx, eax ; PTE 个数 = 页表 * 1024 mov edi, PageTblBase ; 此段首地址为 PageTblBase xor eax, eax mov eax, PG_P | PG_USU | PG_RWW ; 构建 PTE .2: stosd add eax, 4096 ; 每一页都指向 4K 的空间 loop .2 mov eax, PageDirBase mov cr3, eax ; 将页目录的物理地址保存到 CR3 寄存器中 mov eax, cr0 or eax, 80000000h ; 设置 CR0 的最高 PG 位为 1，开启分页机制 mov cr0, eax jmp short .3 .3: nop ret- 1
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运行结果参考：P138 - 图 5.7
重新放置内核
我们的任务：根据内核的 Program header table 的信息将所有的 Program Header 复制到内存的正确位置中。
;--------------------------------------------------------------- ; 函数名：InitKernel ;--------------------------------------------------------------- ; 功能：将 KERNEL.BIN 的内容经过整理对其后放到新的位置 ; 遍历每个 Program Header，根据 Program Header 中的信息 ; 来确定把什么放进内存，放到什么位置，以及放多少。 ;--------------------------------------------------------------- InitKernel: xor esi, esi mov cx, word [BaseOfKernelFilePhyAddr + 2Ch] ; ecx <- ELFheader.e_phnum movzx ecx, cx ; 将 cx 扩展到 32 位，赋值给 ecx mov esi, [BaseOfKernelFilePhyAddr + 1Ch] ; esi <- ELFheader.e_phoff add esi, BaseOfKernelFilePhyAddr ; esi <- OffsetOfKernel + ELFheader.e_phoff ; 此时 esi 以及构成了一个物理地址 .Begin: mov eax, [esi + 0] cmp eax, 0 ; 判断该段是否可用，即该段类型是否位 PT_NULL jz .NoAction push dword [esi + 010h] ; size ;\ mov eax, [esi + 04h] ; | add eax, BaseOfKernelFilePhyAddr ; | memcpy((void*)(PHeader.p_vaddr), uchCode + PHeader.p_offset, PHeader.p_filesz) push eax ; src ; | push dword [esi + 08h] ; dst ;/ call MemCpy add esp, 12 .NoAction: add esi, 020h ; esi += ELFheader.e_phentsize 指向下一个 Program Header dec ecx jnz .Begin ret- 1
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Tips： 其中 MemCpy 函数是模仿 C 中的 memcpy() 编写的，用于内存复制。
内核扩充
切换堆栈和 GDT
kernel.asm
SELECTOR_KERNEL_CS equ 8 ; 导入函数 extern cstart ; 导入全局变量 extern gdt_ptr [SECTION .bss] StackSpace resb 2 * 1024 StackTop: ; 栈顶 [section .text] ; 代码段 global _start ; 导出入口点 _start: ; 把 esp 从 LOADER 挪到 KERNEL mov esp, StackTop ; 堆栈在 bss 段中 sgdt [gdt_ptr] ; cstart() 中将会用到 gdt_ptr call cstart ; 在此函数中改变了 gdt_ptr，让它指向新的 GDT lgdt [gdt_ptr] ; 使用新的 GDT jmp SELECTOR_KERNEL_CS:csinit csinit: push 0 popfd ; hlt- 1
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start.c
#include "type.h" #include "const.h" #include "protect.h" PUBLIC void* memcpy(void* pDst, void* pSrc, int iSize); PUBLIC void* disp_str(char* pszInfo); PUBLIC u8 gdt_ptr[6]; // 0~15:Limit 16~47:Base PUBLIC DESCRIPTOR gdt[GDT_SIZE]; PUBLIC void cstart() { disp_str("\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n" "-----\"cstart\" begins-----\n"); // 将 LOADER 中的 GDT 复制到新的 GDT 中 memcpy(&gdt, (void*)(*((u32*)(&gdt_ptr[2]))), *((u16*)(&gdt_ptr[0])) + 1); // gdt_ptr[6] 共 6 个字节：0~15:Limit 16~47:Base。用作 sgdt/lgdt 的参数。 u16* p_gdt_limit = (u16*)(&gdt_ptr[0]); u32* p_gdt_base = (u32*)(&gdt_ptr[2]); *p_gdt_limit = GDT_SIZE * sizeof(DESCRIPTOR) - 1; *p_gdt_base = (u32)&gdt; }- 1
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函数介绍：
void *memcpy(void*dest, const void *src, size_t n);作用： 由src指向地址为起始地址的连续n个字节的数据复制到以destin指向地址为起始地址的空间内，是用指针进行操作的。
Makefile 整理代码文件，使其结构化
我懒了…
添加中断处理
需要完成的工作：
- 设置 8259A。
- 建立 IDT。
各种头文件：
const.h：添加 8259A 的端口。protecth：添加中断向量、描述符等。proto.h：函数声明。type.h：添加函数指针。
设置 8259A：
kernel\i8259A.c使用 C 语言完成初始化。初始化 IDT： start.c
PUBLIC void cstart() { ... // idt_ptr[6] 共 6 个字节：0~15:Limit 16~47:Base。用作 sgdt/lgdt 的参数。 u16* p_idt_limit = (u16*) (&idt_ptr[0]); u32* p_idt_base = (u32*) (&idt_ptr[2]); *p_idt_limit = IDT_SIZE * sizeof(GATE) - 1; *p_idt_base = (u32) &idt; ... }- 1
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先设置 IDT，然后接下来在 kernel.asm 中加载 IDT。
_start: ... lidt [idt_ptr] ; 注册 IDT ...- 1
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现在 IDT 已经加载完毕，但其内容是空的，因此需要进行填充。
/** * 初始化 IDT 描述符 * parms：编号、描述符类型、对应的中断例程、特权级 */ PRIVATE void init_idt_desc(unsigned char vector, u8 desc_type, int_handler handler, unsigned char privilege) { GATE * p_gate = &idt[vector]; u32 base = (u32) handler; p_gate -> offset_low = base & 0xFFFF; p_gate -> selector = SELECTOR_KERNEL_CS; p_gate -> dcount = desc_type | (privilege << 5); p_gate -> attr = desc_type | (privilege << 5); p_gate -> offset_high = (base >> 16) & 0xFFFF; }- 1
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PUBLIC void init_prot() { // ... init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 0, DA_386IGate, hwint00, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 1, DA_386IGate, hwint01, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 2, DA_386IGate, hwint02, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 3, DA_386IGate, hwint03, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 4, DA_386IGate, hwint04, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 5, DA_386IGate, hwint05, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 6, DA_386IGate, hwint06, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ0 + 7, DA_386IGate, hwint07, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 0, DA_386IGate, hwint08, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 1, DA_386IGate, hwint09, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 2, DA_386IGate, hwint10, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 3, DA_386IGate, hwint11, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 4, DA_386IGate, hwint12, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 5, DA_386IGate, hwint13, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 6, DA_386IGate, hwint14, PRIVILEGE_KRNL); init_idt_desc(INT_VECTOR_IRQ8 + 7, DA_386IGate, hwint15, PRIVILEGE_KRNL); }- 1
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异常
ld: i386 architecture of input file ‘hello. o’ is incompatible with i386:x86-64 output
查看架构：
$ ld -m elf ld: 无法辨认的仿真模式: elf 支持的仿真： elf_x86_64 elf32_x86_64 elf_i386 elf_iamcu elf_l1om elf_k1om i386pep i386pe- 1
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根据选择对应架构开始链接：
$ ld -m elf_i386 -s hello.o -o hello- 1
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linux进程杀不死
- 原文地址：https://blog.csdn.net/qq_43098197/article/details/126777854
