c - 引导加载程序如何在二进制文件中找到 DS 部分

Question

我正在研究内核开发。我有一个引导加载程序，可以将二进制文件加载到内存并运行它。二进制文件由C语言生成，构建过程如下:

i686-elf-gcc -c main.c -o main.o -std=gnu99 -ffreestanding -Wall -Wextra
i686-elf-gcc -m32 -Ttext 0x8000 -o startup.elf -ffreestanding -O2 -nostdlib main.o -lgcc
objcopy -O binary startup.elf startup.bin

i686-elf-gcc 是我的 GCC 交叉编译器。由于我的bootloader有点大，而且我认为这和问题没有关系，所以这里就不展示了。我的引导加载程序将准备保护模式，启用 A20，并为 C 二进制文件设置 4GB 代码/数据描述符表。 C 二进制文件工作正常。我让它清洁屏幕，并打印“Hello World!”，它起作用了。问题是，如果我的 main.c 包含初始化数据部分，它就不能正常工作。例如，如果我将默认的 (X, Y) 坐标设置为 (10, 10)，“Hello World”仍然显示在最左上角。问题是当我将 elf 文件转换为二进制文件时，二进制执行程序可以使用信息(10, 10)。

当我使用hexdump检查二进制文件时，我可以找到数据值。例如，如果我有

uint16_t ds = 0x1234;

我可以在二进制文件中看到0x1234，看起来它并不位于代码部分，而是位于另一个部分。 (例如代码段从 0x0000 开始，但 0x1234 位于很远的 0x2000 处)而且我还发现“main”函数希望将数据部分保存在堆栈中，以便它可以引用。所以我的引导加载程序需要从二进制文件中获取数据部分，并将其推送到堆栈。但是如何找到二进制文件中数据部分的位置和大小呢？如果我的解决方案是错误的，那么如何让引导加载程序加载包含数据部分的可执行文件？

Answer 1

我的问题已经解决了。我的引导加载程序仅从 CD 复制了 1 个扇区(2k 字节)，而我的 C 程序大于 2k，因此未复制初始化值。

为了让问题更清楚，我想更好地解释一下。这是一个例子:

baibin@baibin-Z620:~/workspace/tmp$ cat main.c
#include <stdint.h>

uint16_t ds = 0x1111;
void _start(void) {
        ds++;
}
baibin@baibin-Z620:~/workspace/tmp$ cat Makefile
all:
        i686-elf-gcc -c main.c -o main.o -std=gnu99 -ffreestanding -Wall -Wextra
        i686-elf-gcc -m32 -Ttext 0x8000 -o startup.elf -ffreestanding -nostdlib main.o -lgcc
        objcopy -O binary startup.elf startup.bin
clean:
        @rm main.o startup.*
baibin@baibin-Z620:~/workspace/tmp$ objdump -s -S startup.elf

startup.elf:     file format elf32-i386

Contents of section .text:
 8000 5589e50f b7055090 000083c0 0166a350  U.....P......f.P
 8010 90000090 5dc3                        ....].
Contents of section .eh_frame:
 8018 14000000 00000000 017a5200 017c0801  .........zR..|..
 8028 1b0c0404 88010000 1c000000 1c000000  ................
 8038 c8ffffff 16000000 00410e08 8502420d  .........A....B.
 8048 0552c50c 04040000                    .R......
Contents of section .data:
 9050 1111                                 ..
Contents of section .comment:
 0000 4743433a 2028474e 55292035 2e322e30  GCC: (GNU) 5.2.0
 0010 00                                   .

Disassembly of section .text:

00008000 <_start>:
    8000:       55                      push   %ebp
    8001:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
    8003:       0f b7 05 50 90 00 00    movzwl 0x9050,%eax
    800a:       83 c0 01                add    $0x1,%eax
    800d:       66 a3 50 90 00 00       mov    %ax,0x9050
    8013:       90                      nop
    8014:       5d                      pop    %ebp
    8015:       c3                      ret
baibin@baibin-Z620:~/workspace/tmp$ hexdump -C startup.bin
00000000  55 89 e5 0f b7 05 50 90  00 00 83 c0 01 66 a3 50  |U.....P......f.P|
00000010  90 00 00 90 5d c3 00 00  14 00 00 00 00 00 00 00  |....]...........|
00000020  01 7a 52 00 01 7c 08 01  1b 0c 04 04 88 01 00 00  |.zR..|..........|
00000030  1c 00 00 00 1c 00 00 00  c8 ff ff ff 16 00 00 00  |................|
00000040  00 41 0e 08 85 02 42 0d  05 52 c5 0c 04 04 00 00  |.A....B..R......|
00000050  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00001050  11 11                                             |..|
00001052
baibin@baibin-Z620:~/workspace/tmp$

正如您所看到的，在加载主程序之后，DS预计位于 0x9050 中。如果我的二进制文件仅从 0x0000 加载到 0x0050，则 DS 将无法正确初始化。

<小时/>

Craig Estey 发表评论并提出问题“您是如何发现这个问题的？另外，您是如何解决这个问题的？在您发表回答之前，我一直在考虑数据部分重定位问题。如果您更改了构建命令，为了帮助将来遇到类似问题的其他人，如果您可以编辑您的答案并添加更改后的命令，那就太好了”

这是我对 Craig Estey 问题的答复:

我将验证我的 C 可执行文件在引导加载程序加载后是否正常工作。最简单的方法是在屏幕上显示一些内容。首先，我写了一个非常简单的print()，如下所示:

void print() {
    uint8_t x = 80 / 2;
    uint8_t y = 25 / 2;
    // print hello world;
}

效果很好。屏幕中间打印“hello world”。然后我改进这个功能。我将 x, y 作为静态值移到外面。

uint8_t x = 80 / 2;
uint8_t y = 25 / 2;
void print() {
    // print hello world;
}

我的程序开始出现三次错误。为什么我无法定义 .ds 数据？我使用 objdump 和 hexdump 来检查可执行文件发生了什么。我发现hexdump可以显示二进制中的x，y值，并且偏移量与读取指令相匹配。所以我怀疑我的引导加载程序是否有错误？

是的，我的引导加载程序确实有一个错误。它只读取 CD 上的 1 个扇区，因此这些值未被复制。 CD 的扇区大小为 2k，但 BIOS 只能读取第一个扇区的 512 字节。更重要的是，如果我让x = 0，y = 0，并将它们作为静态值放在外面，你认为会发生什么？天啊，又犯三错了!

x、y将从.ds转为.bss，并且不会包含在elf和二进制中。 (elf只有大小，没有初始化值，因为默认值为0)。

要生成可用的二进制文件，您需要指定如下选项:

objcopy -O binary --set-section-flags .bss=alloc,load,contents startup.elf startup.bin