人體汽肛 - 風馳電掣, 人車一體: 作業系統之前的程式 (0)

the 1st edition: 20120506
the 2nd edition: 20150918
the 3rd edition: 20221207

environment: x86 32bit pc

本篇文章介紹在 pc 上寫所謂的「開機程式」, 這是在 legacy BIOS 的環境, UEFI 就不是這樣了。可能有點過時, 不過有些觀念還是可以在應用在其他平台, ex: arm。

uefi 的「開機程式」寫法請參考:
http://descent-incoming.blogspot.tw/search/label/uefi
https://descent-incoming.blogspot.com/search/label/uefi%20os%20loader

作業系統之前的程式有個很威的英文名詞 bare metal program, 什麼意思? 就是字面上的意思, 不另外解釋了。但它不見得是 pc 開機的第一隻程式, BIOS/UEFI 才是 pc 上開機時跑的的一支程式, 你可能覺得有些失落, 但沒辦法, 除非你打算寫 BIOS/UEFI。和你想像中的「開機程式」可能有些不同, 不過就算是 arm 平台的機器, 也有類似的東西, 通常會有一個 rom code 才是所謂的一開機執行的程式, 一般開發者是碰不到這塊的。

相關文章:

這是我在 mosut 分享的主題。介紹一下在作業系統之前的程式 (僅僅印出個字串)。寫一個作業系統之前的程式就和在作業系統下很類似, 不過有幾點要注意。

bootloader hello world 被載入的位址是 0x7c00, 也就是從這裡開始執行。
510, 511 byte 必須是 0xaa, 0x55 結尾。
不能大於 512 byte, 其實扣掉 0x11, 0x55 2 byte, 只能有 510 byte。
沒有 printf 可以用, 得使用 bios call 或是寫入 video ram 來完成螢幕的輸出, 或是使用 com1 來輸出訊息。

可以使用組合語言, 還有大家很熟悉的 c/c++ 語言來寫這樣的練習程式, 其他可用的語言我就不知道了, 我只實作過這幾種語言。不過使用 toolchain 的方式和在作業系統下有點不同。也就是說, 程式的寫法是一樣的, 但是使用 compiler 產生執行檔的方式是不一樣的。而使用 C 語言只是展示用, 實際上一個 bootloader 要完成的事情可能無法使用 C 語言來完成, 因為很容易就超過 512 byte。

bh.asm

 1  org 07c00h   ; 告訴編譯器程序加載到 7c00 處
 2  mov ax, cs
 3  mov ds, ax
 4  mov es, ax
 5  call DispStr   ; 使用顯示字元串例程
 6  jmp $   ; 無限循環
 7 DispStr:
 8  mov ax, BootMessage
 9  mov bp, ax   ; ES:BP = 串位址
10  mov cx, 16   ; CX = 串長度
11  mov ax, 01301h  ; AH = 13,  AL = 01h
12  mov bx, 000ch  ; 頁號為 0(BH = 0) 黑底紅字 (BL = 0Ch, 高亮)
13  mov dl, 0
14  int 10h   ; 10h 號中斷
15  ret
16 BootMessage:  db "Hello, NASM!"
17 times  510-($-$$) db 0 ; 填充剩下的空間，使生成的二進制程式碼恰好為 512 字節
18 dw  0xaa55    ; 結束標誌

bh.asm 是用 nasm 的 bootloader 程式 (from Orange's 一個作業系統的實現 p 1-3), bh.asm 的組合語言是 intel 語法, 使用 nasm 產生 bootloader 的可執行檔很簡單。

nasm bh.asm -o bh.asm.bin

bh.asm L1 的註解不算精確, 應該是告訴 linker 這個程式需要計算的位址以 0x07c00 為基準去計算。把它載入 0x07c00 可以正常執行, 載入到其他位址可能會有問題。

bh.asm.bin 為 512 byte 的執行檔, 寫入軟碟第 1 個磁區即可。把軟碟放入開機後即可看到 Hello, NASM!

hb.s

 1 .code16
 2 .text
 3 .global begin
 4 begin:
 5   mov     %cs,%ax
 6   mov     %ax,%ds
 7   mov     %ax,%es
 8   movw    $0xb800, %ax
 9   movw    %ax, %gs
10 
11 
12   mov    $0, %edi    /* Destination */
13   mov    $msg, %esi   /* Source */
14 
15 1:
16   #cmp $0, %ecx
17   cmpb $0, (%esi)
18   jz 2f
19   movb %ds:(%esi), %al
20   inc %esi
21   movb %al, %gs:(%edi)
22   inc %edi
23   movb $0xc, %gs:(%edi)
24   inc %edi
25   dec %ecx
26   jmp 1b
27 2:
28   movb $'E', %gs:(160)
29   jmp .
30 #msg:.ascii "Hello GAS"
31 msg:
32   .asciz "Hello GAS"
33   #.asciz "Hello World"
34 .org 510
35 .word 0xaa55

bh.s 是使用 gas 來完成的 bootloader 程式, 範例的組合語言是 at & t 語法, 使用 gas 產生 bootloader 的可執行檔有點複雜, 除了程式碼本身, 還要一個 linker script, 在連結的時候使用。

hb.s L1 .code16 是告知 gcc 輸出 x86 16 bit 的組合語言, 應該很少人看過這個用法。

as.ld

 1 ENTRY(begin);
 2 SECTIONS
 3 {
 4     . = 0x7C00;
 5     .text : AT(0x7C00)
 6     {
 7         _text = .;
 8         *(.text);
 9         _text_end = .;
10     }
11     .data :
12     {
13         _data = .;
14         *(.bss);
15         *(.bss*);
16         *(.data);
17         *(.rodata*);
18         *(COMMON)
19         _data_end = .;
20     }
21 /*
22     .sig : AT(0x7DFE)
23     {
24         SHORT(0xaa55);
25     }
26 */
27     /DISCARD/ :
28     {
29         *(.note*);
30         *(.iplt*);
31         *(.igot*);
32         *(.rel*);
33         *(.comment);
34 /* add any unwanted sections spewed out by your version of gcc and flags here */
35     }
36 }

產生 bootloader 執行檔的步驟為:

as -o bh.s.o bh.s
ld -Tas.ld -o bh.s.elf bh.s.o
objcopy -O binary bh.s.elf bh.s.bin

bh.s.bin 就是 bootloader 執行檔, 不像 nasm 那麼乾脆是吧! 你一定不喜歡, 不過這樣的學習負擔是有額外的收穫的。下面的 C 語言版本就需要這樣的作法。

cb.c

 1 __asm__(".code16gcc\n");
 2 /*
 3  * c bootloader
 4  */
 5 
 6 void main(const char   *s);
 7 
 8 int bbb=0; // test bss section
 9 
10 void WinMain(void)
11 {
12   main("hello world");
13   while(1);
14 }
15 
16 void main(const char   *s)
17 {
18   while(*s)
19   {
20     __asm__ __volatile__ ("int  $0x10" : : "a"(0x0E00 | *s), "b"(7));
21     s++;
22   }
23 }

很像一般的 C 程式吧! 不過我們有著 windows 才有的 WinMain 和一般 C 的 main, 哪個才是程式開始的地方呢？仍然需要搭配的 linker script, 從以下的 linker script 可以看出, 我們的程式由 WinMain 開始。

l.ld

 1 /* for cb.c */
 2 ENTRY(WinMain);
 3 SECTIONS
 4 {
 5     . = 0x7C00;
 6     .text : AT(0x7C00)
 7     {
 8         _text = .;
 9         *(.text);
10         _text_end = .;
11     }
12     .data :
13     {
14         _data = .;
15         *(.bss);
16         *(.bss*);
17         *(.data);
18         *(.rodata*);
19         *(COMMON)
20         _data_end = .;
21     }
22     .sig : AT(0x7DFE)
23     {
24         SHORT(0xaa55);
25     }
26     /DISCARD/ :
27     {
28         *(.note*);
29         *(.iplt*);
30         *(.igot*);
31         *(.rel*);
32         *(.comment);
33 /* add any unwanted sections spewed out by your version of gcc and flags here */
34     }
35 }

使用以下的步驟來產生 bootloader 執行檔:

gcc -fno-stack-protector -std=c99 -march=i686 -ffreestanding -Wall -c cb.c
ld -Tl.ld -nostdlib -o cb.elf cb.o
objcopy -R .pdr -R .comment -R.note -S -O binary cb.elf cb.bin

最前面提到的第一點: 載入的位址是 0x7c00, 這表示, 在程式裡變數的位址要從 0x7c00 來當作計算標準。nasm 使用 org 07c00h 來達成目的。而 gas 使用 linker script 來完成。C 版本也是一樣。

as.ld L4 . = 0x7C00; 就是告訴 ld 用 0x7c00 來計算位址, 而不是從 0 開始算起。

至於第二點: nasm 使用 bh.asm L17, 18 的方式來產生 0xaa55; gas 使用 bh.s L34, 35 的方法來產生 0xaa55; C 版本則使用 linker script 來產生 0xaa55， l.ld L21 ~ 24

0x7DFE 是 0x7C00 + 510 得到, 落在 512 最後的 2 byte, 從執行位址 0x7C00 開始算。

20120611 補充 C 語言篇:

模擬器畢竟是模擬器, 在真實的機器上測試果然就有問題了, 需要加入 L14 - L17, 將 %ds, %ss, %sp 設定好才行。

cb.c

 1 __asm__(".code16gcc\n");
 2 /*
 3  * c bootloader
 4  */
 5 
 6 //#define POINTER_TEST
 7 
 8 void main(const char   *s);
 9 
10 int bbb=0; // test bss section
11 
12 void WinMain(void)
13 {
14   __asm__ ("mov  %cs, %ax\n");
15   __asm__ ("mov  %ax, %ds\n");
16   __asm__ ("mov  %ax, %ss\n");
17   __asm__ ("mov  $0xff00, %sp\n");
     ...
35 }
36 
37 #ifndef POINTER_TEST
38 void main(const char   *s)
39 {
40   while(*s)
41   {
42     __asm__ __volatile__ ("int  $0x10" : : "a"(0x0E00 | *s), "b"(7));
43     s++;
44   }
45 }
46 #endif

執行畫面像這樣:

20120726 補充:

身為 c++ 愛好者, 怎麼可以沒有 c++ 版本, 要不是因為 c++ runtime 實在太過複雜, 只好先屈就 c runtime, 我實際上很想用 c++ 來寫 os。

先來看看 c++ 版本, 不知道為什麼 g++ 一定會檢查 main() 的 prototype (加上 -ffreestanding 即可, 這樣 g++ 就不會檢查 main() prototype), 所以無法任意宣告 (一定要 int main(int argc, char** argv)), 我只好將 main 改成 print, 我不知道有無 option 可以關掉這種檢查。其他和 c 版本差不多。

12 extern "C" void WinMain(void)

c++ Mangling 的特性會把 function 重新改名, 使用 L:12 來避免這樣的情形, 因為 linker script 指定 WinMain 當進入點, 要不然自己改 linker script。

用了一個 c++ 的特性, function 的參數可以有預設值, 要不然就和 c 版本沒什麼差別了。

 8 void print(const char   *s, const char *msg="\r\ng++ test");

cppb.cpp

 1 __asm__(".code16gcc\n");
 5 
 7 
 8 void print(const char   *s, const char *msg="\r\ng++ test");
 9 
11 
12 extern "C" void WinMain(void)
13 {
14   __asm__ ("mov  %cs, %ax\n");
15   __asm__ ("mov  %ax, %ds\n");
16   __asm__ ("mov  %ax, %ss\n");
17   __asm__ ("mov  $0xfff0, %sp\n");
25   print("hello cpp");
36   while(1);
37 }
38 
40 void print(const char   *s, const char *msg)
41 {
42 #if 1
43   while(*s)
44   {
45     __asm__ __volatile__ ("int  $0x10" : : "a"(0x0E00 | *s), "b"(7));
46     s++;
47   }
48 #endif
49 #if 1
50   while(*msg)
51   {
52     __asm__ __volatile__ ("int  $0x10" : : "a"(0x0E00 | *msg), "b"(7));
53     msg++;
54   }
55 #endif
56 }

使用以下的步驟來產生 bootloader 執行檔 (linker script 同 c 版本那個):

g++ -m32  -g -Wall -Wextra -Werror -nostdlib -fno-builtin -nostartfiles -nodefaultlibs -fno-exceptions -fno-rtti -fno-stack-protector -c cppb.cpp
ld -m elf_i386 -static -Tl.ld -nostdlib -M -o cppb.elf cppb.o > cb.elf.map
objcopy -R .pdr -R .comment -R.note -S -O binary cppb.elf cppb.bin

ref: http://wiki.osdev.org/C%2B%2B_Bare_Bones

真實機器的執行畫面。

以下方式可以取得本文的程式碼:

git clone git@github.com:descent/simple_os.git
cd simple_os
git checkout origin/cpp_bootloader -b cpp_bootloader

以下的簡報是之前在 mosut 的分享, 也就是這篇文章的主題之一:

ref:
使用 GCC 和 GNU Binutils 编写能在 x86 实模式运行的 16 位代码
X86 Booting Sequence - X86 開機流程小

人體汽肛 - 風馳電掣, 人車一體

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2012年9月12日星期三

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