Эта статья объясняет как создать минимальное ядро операционной системы, используя стандарт мультизагрузки. По факту, оно будет просто загружаться и печатать OK на экране. В последующих статьях мы расширим его, используя язык программирования Rust.

Я попытался объяснить всё в деталях и оставить код максимально простым, насколько это возможно. Если у вас возникли вопросы, предложения или какие-либо проблемы, пожалуйста, оставьте комментарий или создайте таску ^[1] на GitHub. Исходный код доступен в репозитории ^[2].

Обзор

Когда вы включаете компьютер, он загружает BIOS ^[3] из специальной флэш памяти. BIOS запускает тесты самопроверки и инициализацию аппаратного обеспечения, затем он ищет загрузочные устройства. Если было найдено хотя бы одно, он передаёт контроль загрузчику, который является небольшой частью запускаемого кода, сохранённого в начале устройства хранения. Загрузчик определяет местоположение образа ядра, находящегося на устройстве, и загружает его в память. Ему также необходимо переключить процессор в так называемый защищённый режим ^[4], потому что x86 процессоры по умолчанию стартуют в очень ограниченном реальном режиме ^[5] (чтобы быть совместимыми с программами из 1978).

Мы не будем писать загрузчик, потому что это сам по себе сложный проект (если вы действительно хотите это сделать, почитайте об этом здесь ^[6]). Вместо этого мы будем использовать один из многих испытанных загрузчиков ^[7] для загрузки нашего ядра с CD-ROM. Но какой?

Мультизагрузка

К счастью, есть стандарт загрузчика: спецификация мультизагрузки ^[8]. Наше ядро должно лишь указать, что поддерживает спецификацию и любой совместимый загрузчик сможет загрузить его. Мы будем использовать спецификацию Multiboot 2 (PDF ^[9])
вместе с известным загрузчиком GRUB 2 ^[10].

Чтобы сказать загрузчику о поддержке Multiboot 2, наше ядро должно начинаться с заголовка мультизагрузки, который имеет следующий формат:

В переводе на x86 ассемблер это будет выглядеть так (Intel синтаксис):

section .multiboot_header
header_start:
    dd 0xe85250d6                ; магическое число (multiboot 2)
    dd 0                         ; архитектура 0 (защищённый режим i386)
    dd header_end - header_start ; длина заголовка
    ; контрольная сумма
    dd 0x100000000 - (0xe85250d6 + 0 + (header_end - header_start))

    ; вставьте опциональные `multiboot` тэги здесь

    ; требуюется завершающий тэг
    dw 0    ; тип
    dw 0    ; флаги
    dd 8    ; размер
header_end:

Если вы не знаете x86 ассемблер, то вот небольшая вводная:

• заголовок будет записан в секцию, названную .multiboot_header (нам понадобится это позже),
• header_start и header_end — это метки, которые указывают на месторасположение в памяти, мы используем их, чтобы вычислить длину заголовка,
• dd означает define double (32bit) и dw означает define word (16bit). Они просто выводят указанные 32bit/16bit константы,
• константа 0x100000000 в вычислении контрольной суммы — это небольшой хак, чтобы избежать предупреждений компилятора.

Мы уже можем собрать данный файл (который я назвал multiboot_header.asm) используя nasm.

[loomaclin@loomaclin ~]$ yaourt nasm
1 extra/nasm 2.13.02-1
    An 80x86 assembler designed for portability and modularity
2 extra/yasm 1.3.0-2
    A rewrite of NASM to allow for multiple syntax supported (NASM, TASM, GAS, etc.)
3 aur/intel2gas 1.3.3-7 (3) (0.20)
    Converts assembly language files between NASM and GNU assembler syntax
4 aur/nasm-git 20150726-1 (1) (0.00)
    80x86 assembler designed for portability and modularity
5 aur/sasm 3.9.0-1 (18) (0.61)
    Simple crossplatform IDE for NASM, MASM, GAS, FASM assembly languages
6 aur/yasm-git 1.3.0.r30.g6caf1518-1 (0) (0.00)
    A complete rewrite of the NASM assembler under the BSD License
==> Enter n° of packages to be installed (e.g., 1 2 3 or 1-3)
==> ---------------------------------------------------------
==> 1

[sudo] password for loomaclin: 
resolving dependencies...
looking for conflicting packages...

Packages (1) nasm-2.13.02-1

Total Download Size:   0.34 MiB
Total Installed Size:  2.65 MiB

:: Proceed with installation? [Y/n] 
:: Retrieving packages...
 nasm-2.13.02-1-x86_64                                                                                346.0 KiB  1123K/s 00:00 [#############################################################################] 100%
(1/1) checking keys in keyring                                                                                                 [#############################################################################] 100%
(1/1) checking package integrity                                                                                               [#############################################################################] 100%
(1/1) loading package files                                                                                                    [#############################################################################] 100%
(1/1) checking for file conflicts                                                                                              [#############################################################################] 100%
(1/1) checking available disk space                                                                                            [#############################################################################] 100%
:: Processing package changes...
(1/1) installing nasm                                                                                                          [#############################################################################] 100%
:: Running post-transaction hooks...
(1/1) Arming ConditionNeedsUpdate...
[loomaclin@loomaclin ~]$ nasm --version
NASM version 2.13.02 compiled on Dec 10 2017
[loomaclin@loomaclin ~]$ 

Следующая команда произведёт плоский двоичный файл, результирующий файл будет содержать 24 байта (в little endian, если вы работаете на x86 машине):

[loomaclin@loomaclin ~]$ cd IdeaProjects/
[loomaclin@loomaclin IdeaProjects]$ mkdir a_minimal_multiboot_kernel
[loomaclin@loomaclin IdeaProjects]$ cd a_minimal_multiboot_kernel/
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nano multiboot_header.asm
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nasm multiboot_header.asm 
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ hexdump -x multiboot_header
0000000    50d6    e852    0000    0000    0018    0000    af12    17ad
0000010    0000    0000    0008    0000                                
0000018
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ 

Загрузочный код

Чтобы загрузить наше ядро, мы должны добавить код, который сможет вызвать загрузчик. Давайте создадим файл boot.asm:

global start

section .text
bits 32
start:
    ; печатает `OK` на экране
    mov dword [0xb8000], 0x2f4b2f4f
    hlt

Здесь есть несколько новых команд:

• global экспортирует метки (делает их публичными). Метка start будет входной точкой в наше ядро, она должна быть публичной,
• .text секция — это секция по умолчанию для исполняемого кода,
• bits 32 говорит о том, что следующие строки — это 32-битные инструкции. Это необходимо потому что процессор ещё находится в защищённом режиме ^[4], когда GRUB запускает наше ядро. Когда переключимся в Long mode ^[11] в следующей статье, сможем запускать bits 64 (64-битные инструкции),
• mov dword инструкция помещает 32-битную константу 0x2f4b2f4f в адрес памяти b8000 (это выводит OK на экран, объяснено будет в следующих статьях),
• hlt — это инструкция, которая говорит процессору остановить выполнение команд.

После сборки, просмотра и дизассемблирования мы можем увидеть опкоды ^[12] процессора в действии:

[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nano boot.asm
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nasm boot.asm 
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ hexdump -x boot
0000000    05c7    8000    000b    2f4f    2f4b    00f4                
000000b
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ ndisasm -b 32 boot
00000000  C70500800B004F2F  mov dword [dword 0xb8000],0x2f4b2f4f
         -4B2F
0000000A  F4                hlt
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ 

Создание исполняемого файла

Чтобы загрузить наш исполняемый файл позже через GRUB, он должен быть исполняемым ELF файлом. Поэтому необходимо с помощью nasm создать ELF объектные файлы вместо простых бинарников. Для этого мы просто добавляем в аргументы -f elf64.

Для создания самого ELF исполняемого кода мы должны связать объектные файлы. Будем использовать кастомный скрипт для связывания ^[13], называемый linker.ld:

ENTRY(start)

SECTIONS {
    . = 1M;

    .boot :
    {
        /* в начале оставим заголовк мультизагрузки */
        *(.multiboot_header)
    }

    .text :
    {
        *(.text)
    }
}

Переведём что написано на человеческий язык:

• start — это точка входа, загрузчик перейдёт к этой метке после загрузки ядра,
• . = 1M; уставливает адрес загрузки первой секции с 1-го мегабайта, это стандарт расположения для загрузки ядра,
• исполняемая часть имеет две секции: в начале boot и .text после,
• конечная секция .text будет содержать в себе все входящие секции .text,
• секции, именованные как .multiboot_header, будут добавлены в первую выходную секцию (.boot), чтобы они располагались в начале исполняемого кода. Это необходимо, потому что GRUB ожидает найти заголовок мультизагрузки в начале файла.

Давайте создадим ELF объектные файлы и слинкуем их, используя вышеуказанный линкер скрипт:

[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nasm -f elf64 multiboot_header.asm
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nasm -f elf64 boot.asm 
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ ld -n -o kernel.bin -T linker.ld multiboot_header.o boot.o
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ 

Очень важно передать -n (или --nmagic) флаг линкеру, который отключает автоматическое выравнивание секций в исполняемом файле. В противном случае линкер может выравнить страницу секции .boot в исполняемом файле. Если это произойдёт, GRUB не сможет найти заголовок мультизагрузки, потому что он будет находиться уже не в начале.

Воспользуемся командой objdump для того, чтобы вывести секции сгенерированного исполняемого файла и проверить, что .boot секция имеет наименьшее смещение в файле:

[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ objdump -h kernel.bin 

kernel.bin:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .boot         00000018  0000000000100000  0000000000100000  00000080  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  1 .text         0000000b  0000000000100020  0000000000100020  000000a0  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ 

Примечание: команды ld и objdump платформо-зависимы. Если вы работаете не на x86_64 архитектуре, вы нуждаетесь в кросс компиляции binutils ^[14]. После этого воспользуйтесь x86_64‑elf‑ld и x86_64‑elf‑objdump вместо ld и objdump соответственно.

Создание ISO-образа

Все персональные компьютеры, работающие на базе BIOS, знают, как загружаться с CD-ROM, так что нам необходимо создать загружаемый образ CD-ROM, содержащий наше ядро и файлы загрузчика GRUB в единственном файле, называемом ISO ^[15]. Создайте следующую структуру директорий и скопируйте kernel.bin в директорию boot:

isofiles
└── boot
    ├── grub
    │   └── grub.cfg
    └── kernel.bin

grub.cfg указывает имя файла нашего ядра и совместимость с multiboot 2. Выглядит это так:

set timeout=0
set default=0

menuentry "my os" {
    multiboot2 /boot/kernel.bin
    boot
}

Исполняем команды:

[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ mkdir isofiles
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ mkdir isofiles/boot
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ mkdir isofiles/boot/grub
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ cp kernel.bin isofiles/boot/
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nano grub.cfg
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ cp grub.cfg isofiles/boot/grub/

Теперь мы можем создать загружаемый образ, используя следующую команду:

[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ grub-mkrescue -o os.iso isofiles
xorriso 1.4.8 : RockRidge filesystem manipulator, libburnia project.

Drive current: -outdev 'stdio:os.iso'
Media current: stdio file, overwriteable
Media status : is blank
Media summary: 0 sessions, 0 data blocks, 0 data, 7675m free
Added to ISO image: directory '/'='/tmp/grub.jN4u6m'
xorriso : UPDATE : 898 files added in 1 seconds
Added to ISO image: directory '/'='/home/loomaclin/IdeaProjects/a_minimal_multiboot_kernel/isofiles'
xorriso : UPDATE : 902 files added in 1 seconds
xorriso : NOTE : Copying to System Area: 512 bytes from file '/usr/lib/grub/i386-pc/boot_hybrid.img'
ISO image produced: 9920 sectors
Written to medium : 9920 sectors at LBA 0
Writing to 'stdio:os.iso' completed successfully.

Примечание: вызов grub-mkrescue может вызвать проблемы на некоторых платформах. Если она у вас не сработала, попробуйте следующие шаги:

• запустить команду с --verbose,
• удостовериться, что библиотека xorriso установлена (xorriso или libisoburn пакет).

• если вы используете EFI-систему, grub-mkrescue попробует создать EFI образ по умолчанию. Вы можете задать аргумент -d /usr/lib/grub/i386-pc, чтобы избавиться от этого поведения, или установить пакет mtools и получить работающий EFI образ
• на некоторых системах команда названа grub2-mkrescue.

Загрузка

Пришло время загрузить нашу ОС. Для этого воспользуемся QEMU ^[16]:

[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ qemu-system-x86_64 -cdrom os.iso 

(qemu-system-x86_64:10878): Gtk-WARNING **: Allocating size to GtkScrollbar 0x7f2337e5a280 without calling gtk_widget_get_preferred_width/height(). How does the code know the size to allocate?

(qemu-system-x86_64:10878): Gtk-WARNING **: Allocating size to GtkScrollbar 0x7f2337e5a480 without calling gtk_widget_get_preferred_width/height(). How does the code know the size to allocate?

(qemu-system-x86_64:10878): Gtk-WARNING **: Allocating size to GtkScrollbar 0x7f2337e5a680 without calling gtk_widget_get_preferred_width/height(). How does the code know the size to allocate?

Появится окно эмулятора:

Обратите внимание на зелёный текст OK в верхнем левом углу. Если у вас это не работает, посмотрите секцию комментариев.

Резюмируем, что произошло:

1. BIOS загружает загрузчик (GRUB) из виртуального CD-ROM (ISO).
2. Загрузчик прочёл исполняемый код ядра и нашёл заголовок мультизагрузки.
3. Скопировал секцию .boot и .text в память (по адресу 0x100000 и 0x100020).
4. Переместился к точке входа (0x100020, это можно узнать вызвав objdump -f).
5. Ядро вывело на экран текст OK зелёным цветом и остановило процессор.

Вы также можете протестировать это на настоящем железе. Необходимо записать получившийся образ на диск или USB накопитель и загрузиться с него.

Автоматизация сборки

Сейчас необходимо вызывать 4 команды в правильном порядке каждый раз, когда мы меняем файл. Это плохо. Давайте автоматизируем этот процесс, с помощью Makefile ^[17]. Но для начала мы должны создать подходящую структуру директорий чтобы отделить архитектурно-зависимые файлы:

…
├── Makefile
└── src
    └── arch
        └── x86_64
            ├── multiboot_header.asm
            ├── boot.asm
            ├── linker.ld
            └── grub.cfg

Создаём:

[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ mkdir -p src/arch/x86_64
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ cp multiboot_header.asm src/arch/x86_64/
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ cp boot.asm src/arch/x86_64/
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ cp linker.ld src/arch/x86_64/
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ cp grub.cfg src/arch/x86_64/
[loomaclin@loomaclin a_minimal_multiboot_kernel]$ nano Makefile

Makefile должен иметь следующий вид:

arch ?= x86_64
kernel := build/kernel-$(arch).bin
iso := build/os-$(arch).iso

linker_script := src/arch/$(arch)/linker.ld
grub_cfg := src/arch/$(arch)/grub.cfg
assembly_source_files := $(wildcard src/arch/$(arch)/*.asm)
assembly_object_files := $(patsubst src/arch/$(arch)/%.asm, 
    build/arch/$(arch)/%.o, $(assembly_source_files))

.PHONY: all clean run iso

all: $(kernel)

clean:
    @rm -r build

run: $(iso)
    @qemu-system-x86_64 -cdrom $(iso)

iso: $(iso)

$(iso): $(kernel) $(grub_cfg)
    @mkdir -p build/isofiles/boot/grub
    @cp $(kernel) build/isofiles/boot/kernel.bin
    @cp $(grub_cfg) build/isofiles/boot/grub
    @grub-mkrescue -o $(iso) build/isofiles 2> /dev/null
    @rm -r build/isofiles

$(kernel): $(assembly_object_files) $(linker_script)
    @ld -n -T $(linker_script) -o $(kernel) $(assembly_object_files)

# compile assembly files
build/arch/$(arch)/%.o: src/arch/$(arch)/%.asm
    @mkdir -p $(shell dirname $@)
    @nasm -felf64 $< -o $@

Некоторые комментарии (если вы не работали до этого с make, посмотрите makefile туториал ^[17]):

• $(wildcard src/arch/$(arch)/*.asm) выбирает все файлы ассемблера в директории src/arch/$(arch), так что вам не нужно обновлять Makefile при добавлении файлов,
• операция patsubst для assembly_object_files просто переводит src/arch/$(arch)/XYZ.asm в build/arch/$(arch)/XYZ.o,
• таргеты сборки$< и $@ это автоматически выводимые переменные ^[18],
• если вы используете кросс-комплированные binutils ^[14] просто замените ld на x86_64-elf-ld.

Теперь мы можем вызвать make и все обновлённые файлы ассемблера будут скомпилированы и скомпонованы. Команда make iso также создаёт ISO образ, а make run в дополнение запускает QEMU.

Что дальше?

В следующей статье ^[19] мы создадим таблицу страниц и проведем некоторую конфигурацию процессора для переключения в 64-битный long-mode ^[11] режим.

Примечания

1. Формула из таблицы -(magic + architecture + header_length) создает отрицательное значение, которое не влезает в 32 бита. С помощью вычитания из 0x100000000 мы оставляем значение положительным без изменения вычтенного значения. В результате без дополнительного знакового бита результат помещается в 32 бита и компилятор счастлив :)
2. Мы не хотим загружать ядро по офсету 0x0, так как много специфичных областей памяти может быть расположено до метки в 1 мегабайт (для примера, так называемый VGA буфер по адресу 0xb8000, который мы используем чтобы вывести OK на экран).

Автор: Галимов Арсен

Источник ^[20]