编写和运行简单的"Hello World"操作系统内核

通常编写一个操作系统内核是一项浩大的工程。但我今天的目标是制作一个简单的内核，用比较方便的方法在虚拟机上验证它能够被grub装载和运行，并且可通过gdb进行调试，为接下去的工作创造一个基础环境。

首先，为了方便运行和调试我们需要一个虚拟机。虚拟机有很多选择，这里用最简单的qemu。

先用dd创建一个文件作为虚拟盘，100MB就可以了：

$ dd if=/dev/zero of=disk.img count=204800 bs=512

然后对这个虚拟磁盘进行分区：

$ fdisk -c=dos disk.img

用命令n创建一个分区就可以了。通常情况下分区的起始扇区是2048（不带选项-c=dos），如果用老式的msdos格式分区表(命令c)，就可以选择从63扇区开始。以前文章里提到63个扇区足够塞下grub的核心映像，所以为了测试下grub就选择了msdos模式。用命令w把变动写入虚拟盘。

把这个分区虚拟成设备文件：

$ sudo losetup -o 32256 /dev/loop1 disk.img

这里指定了起始扇区的偏移量。63个扇区，每个扇区512个字节，总共是32256字节。如果你的分区起始扇区是2048，那么偏移量应该是2048 * 512字节。

格式化：

$ sudo mkfs.ext4 /dev/loop1

挂载起来，这样就可以方便地往里面放kernel和grub需要的配置文件和模块什么的：

$ sudo mount /dev/loop1 /mnt

安装grub：

$ sudo grub-install --boot-directory=/mnt --modules="part_msdos" disk.img

使用qemu来启动虚拟机（我用的是64位系统）：

$ qemu-system-x86_64 -hda disk.img -m 1024 -s &

这时候应该能够看到grub的提示符了。当然现在还没有grub菜单也没有kernel，我们暂时先关掉虚拟机。

接下来可以为grub建立个multiboot启动菜单：

$ sudo vi /mnt/grub/grub.cfg

制作菜单命令：

menuentry "Hello" {
　　multiboot (hd0,msdos1)/kernel
　　boot
}

确保数据写回了虚拟盘：

$ sync

这时候如果你再打开虚拟机，应该就可以看到启动菜单了，当然因为还没有kernel，选择菜单项后无法继续，会提示kernel找不到。

 

下一步，我们用c语言从头编写个最简单kernel程序。这个kernel没有实现操作系统的基本功能。但是可以被grub装载和运行。

kernel.c:

/* 在文件里嵌入一个签名。Grub在multiboot时会寻找这个签名 */
#define GRUB_MAGIC 0x1BADB002
#define GRUB_FLAGS 0x0
#define GRUB_CHECKSUM (-1 * (GRUB_MAGIC + GRUB_FLAGS))

struct grub_signature {
    unsigned int magic;
    unsigned int flags;
    unsigned int checksum;
};

struct grub_signature gs __attribute__ ((section (".grub_sig"))) = {
    GRUB_MAGIC,
    GRUB_FLAGS,
    GRUB_CHECKSUM
};

/* 显示字符的函数。因为我们什么库都不能用，只能直接写屏了。0xB8000是VGA彩色字符模式的数据缓存。每个字符用两个字节表示。前一个是Ascii码，后一个代表颜色。 */
void puts( const char *s, int color ){
    volatile char *buffer = (volatile char*)0xB8000;

    while( *s != 0 )  {
        *buffer++ = *s++;
        *buffer++ = color;
    }
}

/* 主函数，程序入口。最后用个死循环，把代码指针困在那里。*/
void main (void) {
    puts("Hello World!", 0x7);
    while (1) {}
}

有必要再写个链接模板，确保编译好的kernel装载在内存地址0x100000，这里是grub代码最后跳转到的区域，从这里我们的kernel接过了接力棒。另外，虽然我用的虚拟机是64位的，但是我需要生成一个32位的kernel，因为做64位的kernel还需要做额外的设置工作，比如从32位保护模式打开long mode，比较麻烦。所以先暂时用32位的kernel。

kernel.ld:

OUTPUT_FORMAT("elf32-i386")
ENTRY(main)
SECTIONS
{
    .grub_sig 0x100000 : AT(0x100000)
    {
        *(.grub_sig)
    }
    .text :
    {
        *(.text)
    }
    .data :
    {
        *(.data)
    }
    .bss :
    {
        *(.bss)
    }
    /DISCARD/ :
    {
        *(.comment)
        *(.eh_frame)
    }
}            

还有一个Makefile，主要是设置一些编译选项。

Makefile:

CC = gcc
LD = ld
CFLAGS = -std=c99 -pedantic -Wall -nostdlib -ffreestanding -m32
LDFLAGS = -T kernel.ld -nostdlib -n -melf_i386
OBJS = kernel.o
.PHONY: all
all: kernel
%.o: %.c
       ${CC} -c ${CFLAGS} $<
kernel: $(OBJS) kernel.ld
       ${LD} ${LDFLAGS} -o kernel ${OBJS}
clean:
       rm -f ${OBJS} kernel

编译生成kernel并放入我们的虚拟盘里：

$ sudo cp kernel /mnt/
$ sync

再次启动虚拟机，在启动菜单里选择multiboot我们的kernel，应该就能看到Hello World!的字符显示在虚拟机屏幕上了。

如果想要调试，可以运行gdb。因为我们在启动qemu的时候使用了-s选项，所以qemu默认会打开tcp端口1234作为gdb调试端口。在gdb中可以使用target remote tcp::1234命令来连接。试试看连接，会发现cpu一直在执行0x100066处的指令。用objdump -D kernel看下kernel的汇编代码：

0010004c <main>:
 10004c:55                   push   %ebp
 10004d:89 e5                mov    %esp,%ebp
 10004f:83 ec 08             sub    $0x8,%esp
 100052:c7 44 24 04 07 00 00 movl   $0x7,0x4(%esp)
 100059:00
 10005a:c7 04 24 68 00 10 00 movl   $0x100068,(%esp)
 100061:e8 a6 ff ff ff       call   10000c <puts>
 100066:eb fe                jmp    100066 <main+0x1a>

0x100066处的指令正好是死循环的那条jmp指令。