assembly - 如何为我的引导加载程序制作内核？

Question

我正在尝试制作自己的自定义操作系统，我的代码需要一些帮助。
这是我的 bootloader.asm :

[ORG 0x7c00]

start:
    cli
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov ss, ax
    mov es, ax
    mov [BOOT_DRIVE], dl
    mov bp, 0x8000
    mov sp, bp
    mov bx, 0x9000
    mov dh, 5
    mov dl, [BOOT_DRIVE]
    call load_kernel
    call enable_A20
    call graphics_mode
    lgdt [gdtr]
    mov eax, cr0
    or al, 1
    mov cr0, eax
    jmp CODE_SEG:init_pm

[bits 32]
init_pm:
    mov ax, DATA_SEG
    mov ds, ax
    mov ss, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax

    mov ebp, 0x90000
    mov esp, ebp

    jmp 0x9000

[BITS 16]
graphics_mode:
    mov ax, 0013h
    int 10h
    ret

load_kernel:
                        ; load DH sectors to ES:BX from drive DL
    push dx             ; Store DX on stack so later we can recall
                        ; how many sectors were request to be read ,
                        ; even if it is altered in the meantime
    mov ah , 0x02       ; BIOS read sector function
    mov al , dh         ; Read DH sectors
    mov ch , 0x00       ; Select cylinder 0
    mov dh , 0x00       ; Select head 0
    mov cl , 0x02       ; Start reading from second sector ( i.e.
                        ; after the boot sector )
    int 0x13            ; BIOS interrupt
    jc disk_error       ; Jump if error ( i.e. carry flag set )
    pop dx              ; Restore DX from the stack
    cmp dh , al         ; if AL ( sectors read ) != DH ( sectors expected )
    jne disk_error      ; display error message
    ret
disk_error :
    mov bx , ERROR_MSG
    call print_string
    hlt

[bits 32]
    ; prints a null - terminated string pointed to by EDX
print_string :
    pusha
    mov edx , VIDEO_MEMORY ; Set edx to the start of vid mem.
print_string_loop :
    mov al , [ ebx ] ; Store the char at EBX in AL
    mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH
    cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so
    je print_string_done ; jump to done
    mov [edx] , ax ; Store char and attributes at current
        ; character cell.
    add ebx , 1 ; Increment EBX to the next char in string.
    add edx , 2 ; Move to next character cell in vid mem.
    jmp print_string_loop ; loop around to print the next char.
print_string_done :
    popa
    ret ; Return from the function

[bits 16]
; Variables 
ERROR_MSG db "Error!" , 0
BOOT_DRIVE: db 0
VIDEO_MEMORY equ 0xb8000
WHITE_ON_BLACK equ 0x0f

%include "a20.inc"
%include "gdt.inc"

times 510-($-$$) db 0
db 0x55
db 0xAA

我用这个编译它:

nasm -f bin -o boot.bin bootloader.asm

这是 内核.c :

call_main(){main();}
void main(){}

我用这个编译它:

gcc -ffreestanding -o kernel.bin kernel.c

进而:

cat boot.bin kernel.bin > os.bin

我想知道我做错了什么，因为当我用 QEMU 测试时它不起作用。有人可以提供一些改进的提示 kernel.c所以我不必使用 call_main() 函数？

测试时我使用:

qemu-system-i386 -kernel os.bin

我的其他文件

a20.inc :

   enable_A20:
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
call a20_bios
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
call a20_keyboard
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
call a20_fast
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
mov bx, [ERROR]
call print_string
   enabled:
ret


  check_a20:
pushf
push ds
push es
push di
push si

cli

xor ax, ax ; ax = 0
mov es, ax

not ax ; ax = 0xFFFF
mov ds, ax

mov di, 0x0500
mov si, 0x0510

mov al, byte [es:di]
push ax

mov al, byte [ds:si]
push ax

mov byte [es:di], 0x00
mov byte [ds:si], 0xFF

cmp byte [es:di], 0xFF

pop ax
mov byte [ds:si], al

pop ax
mov byte [es:di], al

mov ax, 0
je check_a20__exit

mov ax, 1

 check_a20__exit:
pop si
pop di
pop es
pop ds
popf

ret

    a20_bios:
mov ax, 0x2401
int 0x15
ret

    a20_fast:
in al, 0x92
or al, 2
out 0x92, al
ret

    [bits 32]
    [section .text]

    a20_keyboard:
    cli

    call    a20wait
    mov     al,0xAD
    out     0x64,al

    call    a20wait
    mov     al,0xD0
    out     0x64,al

    call    a20wait2
    in      al,0x60
    push    eax

    call    a20wait
    mov     al,0xD1
    out     0x64,al

    call    a20wait
    pop     eax
    or      al,2
    out     0x60,al

    call    a20wait
    mov     al,0xAE
    out     0x64,al

    call    a20wait
    sti
    ret

    a20wait:
    in      al,0x64
    test    al,2
    jnz     a20wait
    ret


    a20wait2:
    in      al,0x64
    test    al,1
    jz      a20wait2
    ret

gdt.inc :

 gdt_start:
dd 0                ; null descriptor--just fill 8 bytes    dd 0 

 gdt_code:
dw 0FFFFh           ; limit low
dw 0                ; base low
db 0                ; base middle
db 10011010b            ; access
db 11001111b            ; granularity
db 0                ; base high

 gdt_data:
dw 0FFFFh           ; limit low (Same as code)
dw 0                ; base low
db 0                ; base middle
db 10010010b            ; access
db 11001111b            ; granularity
db 0                ; base high
  end_of_gdt:

  gdtr: 
dw end_of_gdt - gdt_start - 1   ; limit (Size of GDT)
dd gdt_start            ; base of GDT

   CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start
   DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start

Answer 1

有很多问题，但总的来说，您的汇编代码确实有效。我写了一个 StackOverflow 答案，里面有关于 general bootloader development 的提示。 .

不要假设段寄存器设置正确

您问题中的原始代码没有设置 SS 堆栈段寄存器。我给出的提示 #1 是:

When the BIOS jumps to your code you can't rely on CS,DS,ES,SS,SP registers having valid or expected values. They should be set up appropriately when your bootloader starts.

如果你需要 ES，它也应该被设置。尽管在您的代码中似乎并非如此(我稍后将讨论的 print_string 函数除外)。

正确定义 GDT

阻止您进入保护模式的最大错误是您在 gdt.inc 中设置了全局描述符表 (GDT):

gdt_start:
    dd 0                ; null descriptor--just fill 8 bytes    dd 0

每个全局描述符需要 8 个字节，但 dd 0仅定义 4 个字节(双字)。它应该是:

gdt_start:
    dd 0                ; null descriptor--just fill 8 bytes    
    dd 0

实际上看起来第二个 dd 0被意外添加到上一行注释的末尾。

在 16 位实模式下不要使用 32 位代码

你写了一些 print_string代码，但它是 32 位代码:

[bits 32]
    ; prints a null - terminated string pointed to by EBX
print_string :
    pusha
    mov edx , VIDEO_MEMORY ; Set edx to the start of vid mem.
print_string_loop :
    mov al , [ ebx ] ; Store the char at EBX in AL
    mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH
    cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so
    je print_string_done ; jump to done
    mov [edx] , ax ; Store char and attributes at current
        ; character cell.
    add ebx , 1 ; Increment EBX to the next char in string.
    add edx , 2 ; Move to next character cell in vid mem.
    jmp print_string_loop ; loop around to print the next char.
print_string_done :
    popa
    ret ; Return from the function

您在 16 位代码中调用 print_string 作为错误处理程序，因此您在此处所做的操作可能会强制重新启动计算机。您不能使用 32 位寄存器和寻址。可以通过一些调整将代码制作为 16 位:

    ; prints a null - terminated string pointed to by EBX
print_string :
    pusha
    push es                   ;Save ES on stack and restore when we finish

    push VIDEO_MEMORY_SEG     ;Video mem segment 0xb800
    pop es
    xor di, di                ;Video mem offset (start at 0)
print_string_loop :
    mov al , [ bx ] ; Store the char at BX in AL
    mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH
    cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so
    je print_string_done ; jump to done
    mov word [es:di], ax ; Store char and attributes at current
        ; character cell.
    add bx , 1 ; Increment BX to the next char in string.
    add di , 2 ; Move to next character cell in vid mem.
    jmp print_string_loop ; loop around to print the next char.

print_string_done :
    pop es                    ;Restore ES that was saved on entry
    popa
    ret ; Return from the function

主要区别(在 16 位代码中)是我们不再使用 EAX 和 EDX 32 位寄存器。为了访问视频 ram @ 0xb8000，我们需要使用表示相同事物的 segment:offset 对。 0xb8000 可以表示为 segment:offset 0xb800:0x0(计算为 (0xb800<<4)+0x0)= 0xb8000 物理地址。我们可以利用这些知识将 b800 存储在 ES 寄存器中，并使用 DI 寄存器作为偏移量来更新显存。我们现在使用:

mov word [es:di], ax

将单词移动到视频内存中。

组装和链接内核和引导加载程序

您在构建内核时遇到的问题之一是您没有正确生成可以直接加载到内存中的平面二进制图像。而不是使用 gcc -ffreestanding -o kernel.bin kernel.c我建议这样做:

gcc -g -m32 -c -ffreestanding -o kernel.o kernel.c -lgcc
ld -melf_i386 -Tlinker.ld -nostdlib --nmagic -o kernel.elf kernel.o
objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin

这将使用调试信息 ( -g ) 将 kernel.c 组装到 kernel.o。然后，链接器获取 kernel.o(32 位 ELF 二进制文件)并生成一个名为 kernel.elf 的 ELF 可执行文件(如果您想调试内核，此文件将很方便)。然后我们使用 objcopy 获取 ELF32 可执行文件 kernel.elf 并将其转换为可由 BIOS 加载的平面二进制镜像 kernel.bin。需要注意的一个关键点是使用 -Tlinker.ld我们要求 LD(linker) 从文件 linker.ld 读取选项。这是一个简单的 linker.ld您可以使用:

OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(main)

SECTIONS
{
    . = 0x9000;
    .text : { *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss  : { *(.bss) *(COMMON) }
}

这里要注意的是 . = 0x9000告诉链接器它应该生成一个可执行文件，该可执行文件将在内存地址 0x9000 处加载。 0x9000是您似乎将内核放在您的问题中的地方。其余的行提供了需要包含到内核中才能正常工作的 C 部分。

我建议在使用 NASM 时做类似的事情，而不是做 nasm -f bin -o boot.bin bootloader.asm这样做:

nasm -g -f elf32 -F dwarf -o boot.o bootloader.asm
ld -melf_i386 -Ttext=0x7c00 -nostdlib --nmagic -o boot.elf boot.o
objcopy -O binary boot.elf boot.bin

这类似于编译 C 内核。我们在这里不使用链接器脚本，但我们确实告诉链接器生成我们的代码，假设代码(引导加载程序)将在 0x7c00 加载。

为此，您需要 删除 这行来自 bootloader.asm :

[ORG 0x7c00]

清理内核 (kernel.c)

将您的 kernel.c 文件修改为:

/* This code will be placed at the beginning of the object by the linker script */    
__asm__ (".pushsection .text.start\r\n" \
         "jmp main\r\n" \
         ".popsection\r\n"
         );

/* Place main as the first function defined in kernel.c so
 * that it will be at the entry point where our bootloader
 * will call. In our case it will be at 0x9000 */

int main(){
    /* Do Stuff Here*/

    return 0; /* return back to bootloader */
}

在 bootloader.asm 中，我们应该调用 main函数(将被放置在 0x9000)而不是跳转到它。代替:

jmp 0x9000

将其更改为:

    call 0x9000
    cli
loopend:                ;Infinite loop when finished
    hlt
    jmp loopend

调用后的代码会在 C 函数 main 返回时执行。这是一个简单的循环，它将有效地停止处理器并无限期地保持这种状态，因为我们无处可去。

进行所有建议更改后的代码

bootloader.asm :

[bits 16]

global _start
_start:
    cli
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x8000      ; Stack pointer at SS:SP = 0x0000:0x8000
    mov [BOOT_DRIVE], dl; Boot drive passed to us by the BIOS
    mov dh, 17          ; Number of sectors (kernel.bin) to read from disk
                        ; 17*512 allows for a kernel.bin up to 8704 bytes
    mov bx, 0x9000      ; Load Kernel to ES:BX = 0x0000:0x9000

    call load_kernel
    call enable_A20

;   call graphics_mode  ; Uncomment if you want to switch to graphics mode 0x13
    lgdt [gdtr]
    mov eax, cr0
    or al, 1
    mov cr0, eax
    jmp CODE_SEG:init_pm

graphics_mode:
    mov ax, 0013h
    int 10h
    ret

load_kernel:
                        ; load DH sectors to ES:BX from drive DL
    push dx             ; Store DX on stack so later we can recall
                        ; how many sectors were request to be read ,
                        ; even if it is altered in the meantime
    mov ah , 0x02       ; BIOS read sector function
    mov al , dh         ; Read DH sectors
    mov ch , 0x00       ; Select cylinder 0
    mov dh , 0x00       ; Select head 0
    mov cl , 0x02       ; Start reading from second sector ( i.e.
                        ; after the boot sector )
    int 0x13            ; BIOS interrupt
    jc disk_error       ; Jump if error ( i.e. carry flag set )
    pop dx              ; Restore DX from the stack
    cmp dh , al         ; if AL ( sectors read ) != DH ( sectors expected )
    jne disk_error      ; display error message
    ret
disk_error :
    mov bx , ERROR_MSG
    call print_string
    hlt

; prints a null - terminated string pointed to by EDX
print_string :
    pusha
    push es                   ;Save ES on stack and restore when we finish

    push VIDEO_MEMORY_SEG     ;Video mem segment 0xb800
    pop es
    xor di, di                ;Video mem offset (start at 0)
print_string_loop :
    mov al , [ bx ] ; Store the char at BX in AL
    mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH
    cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so
    je print_string_done ; jump to done
    mov word [es:di], ax ; Store char and attributes at current
        ; character cell.
    add bx , 1 ; Increment BX to the next char in string.
    add di , 2 ; Move to next character cell in vid mem.
    jmp print_string_loop ; loop around to print the next char.

print_string_done :
    pop es                    ;Restore ES that was saved on entry
    popa
    ret ; Return from the function

%include "a20.inc"
%include "gdt.inc"

[bits 32]
init_pm:
    mov ax, DATA_SEG
    mov ds, ax
    mov ss, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax

    mov ebp, 0x90000
    mov esp, ebp

    call 0x9000
    cli
loopend:                                ;Infinite loop when finished
    hlt
    jmp loopend

[bits 16]
; Variables
ERROR            db "A20 Error!" , 0
ERROR_MSG        db "Error!" , 0
BOOT_DRIVE:      db 0

VIDEO_MEMORY_SEG equ 0xb800
WHITE_ON_BLACK   equ 0x0f

times 510-($-$$) db 0
db 0x55
db 0xAA

gdt.inc :

gdt_start:
    dd 0                ; null descriptor--just fill 8 bytes
    dd 0

gdt_code:
    dw 0FFFFh           ; limit low
    dw 0                ; base low
    db 0                ; base middle
    db 10011010b        ; access
    db 11001111b        ; granularity
    db 0                ; base high

gdt_data:
    dw 0FFFFh           ; limit low (Same as code)
    dw 0                ; base low
    db 0                ; base middle
    db 10010010b        ; access
    db 11001111b        ; granularity
    db 0                ; base high
end_of_gdt:

gdtr:
    dw end_of_gdt - gdt_start - 1   ; limit (Size of GDT)
    dd gdt_start        ; base of GDT

    CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start
    DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start

a20.inc :

enable_A20:
    call check_a20
    cmp ax, 1
    je enabled
    call a20_bios
    call check_a20
    cmp ax, 1
    je enabled
    call a20_keyboard
    call check_a20
    cmp ax, 1
    je enabled
    call a20_fast
    call check_a20
    cmp ax, 1
    je enabled
    mov bx, [ERROR]
    call print_string
enabled:
    ret

check_a20:
    pushf
    push ds
    push es
    push di
    push si

    cli
    xor ax, ax ; ax = 0
    mov es, ax
    not ax ; ax = 0xFFFF
    mov ds, ax
    mov di, 0x0500
    mov si, 0x0510
    mov al, byte [es:di]
    push ax
    mov al, byte [ds:si]
    push ax
    mov byte [es:di], 0x00
    mov byte [ds:si], 0xFF
    cmp byte [es:di], 0xFF
    pop ax
    mov byte [ds:si], al
    pop ax
    mov byte [es:di], al
    mov ax, 0
    je check_a20__exit
    mov ax, 1

check_a20__exit:
    pop si
    pop di
    pop es
    pop ds
    popf
    ret

a20_bios:
    mov ax, 0x2401
    int 0x15
    ret

a20_fast:
    in al, 0x92
    or al, 2
    out 0x92, al
    ret

    [bits 32]
    [section .text]

a20_keyboard:
    cli

    call    a20wait
    mov     al,0xAD
    out     0x64,al
    call    a20wait
    mov     al,0xD0
    out     0x64,al
    call    a20wait2
    in      al,0x60
    push    eax
    call    a20wait
    mov     al,0xD1
    out     0x64,al
    call    a20wait
    pop     eax
    or      al,2
    out     0x60,al
    call    a20wait
    mov     al,0xAE
    out     0x64,al
    call    a20wait
    sti
    ret

a20wait:
    in      al,0x64
    test    al,2
    jnz     a20wait
    ret

a20wait2:
    in      al,0x64
    test    al,1
    jz      a20wait2
    ret

内核.c :

/* This code will be placed at the beginning of the object by the linker script */    
__asm__ (".pushsection .text.start\r\n" \
         "jmp main\r\n" \
         ".popsection\r\n"
         );

/* Place main as the first function defined in kernel.c so
 * that it will be at the entry point where our bootloader
 * will call. In our case it will be at 0x9000 */

int main(){
    /* Do Stuff Here*/

    return 0; /* return back to bootloader */
}

linker.ld

OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(main)

SECTIONS
{
    . = 0x9000;
    .text : { *(.text.start) *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss  : { *(.bss) *(COMMON) }
}

使用 DD 创建磁盘镜像/使用 QEMU 调试

如果您使用上述文件，并使用这些命令生成所需的引导加载程序和内核文件(如前所述)

nasm -g -f elf32 -F dwarf -o boot.o bootloader.asm
ld -melf_i386 -Ttext=0x7c00 -nostdlib --nmagic -o boot.elf boot.o
objcopy -O binary boot.elf boot.bin

gcc -g -m32 -c -ffreestanding -o kernel.o kernel.c -lgcc
ld -melf_i386 -Tlinker.ld -nostdlib --nmagic -o kernel.elf kernel.o
objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin

您可以使用以下命令生成磁盘镜像(在这种情况下，我们将其设为软盘大小):

dd if=/dev/zero of=disk.img bs=512 count=2880
dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 conv=notrunc
dd if=kernel.bin of=disk.img bs=512 seek=1 conv=notrunc

这将创建一个大小为 512*2880 字节(1.44 兆字节软盘的大小)的零填充磁盘镜像。 dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 conv=notrunc将 boot.bin 写入文件的第一个扇区而不截断磁盘镜像。 dd if=kernel.bin of=disk.img bs=512 seek=1 conv=notrunc将 kernel.bin 放入从第二个扇区开始的磁盘镜像中。 seek=1在写入之前跳过第一个块 (bs=512)。

如果你想运行你的内核，你可以像这样在 QEMU 中将它作为软盘驱动器 A: ( -fda ) 启动:

qemu-system-i386 -fda disk.img

您还可以使用 QEMU 和 GNU 调试器 (GDB) 调试您的 32 位内核，其中包含我们在使用上述说明编译/组装代码时生成的调试信息。

qemu-system-i386 -fda disk.img -S -s &
gdb kernel.elf  \
        -ex 'target remote localhost:1234' \
        -ex 'layout src' \
        -ex 'layout reg' \
        -ex 'break main' \
        -ex 'continue'

此示例使用远程调试器启动 QEMU 并使用文件 disk.img 模拟软盘。 (我们用 DD 创建的)。 GDB 使用 kernel.elf(我们使用调试信息生成的文件)启动，然后连接到 QEMU，并在 C 代码中的 main() 函数处设置断点。当调试器最终准备就绪时，系统会提示您按 <return>接着说。幸运的话，您应该可以在调试器中查看 main 函数。