ghaiklor os gcc

Ghaiklor-OS-GCC

这不是一个真实的操作系统。这只是一个简单的操作系统，以教育目的创建。

我关注的主要目标是了解OS如何从头开始工作。从自己的引导扇区开始，硬件和软件中断，自己的驱动程序。

存储库的后缀加上GCC，因为我打算编写另一个带有Rust的简单操作系统。因此，我希望，将会有Ghaiklor-OS-GCC和Ghaiklor-OS-Rustc 。

演示

你好世界

路线图

• 引导部门：
  • 将内核从磁盘读取到内存（完成）
  • 描述全局描述符表（完成）
  • 切换到32位保护模式（完成）
  • 检查CPU是否支持64位长模式并切换到（完成）
  • 如果不支持64位长模式，请退回到32位（完成）
  • 给予内核（完成）执行
• 核心：
  • 汇编中的内核条目，该汇总在C（完成）中调用Extern kernel_main（）
  • 低级别I/O功能： port_byte_in ， port_byte_out和类似（完成）
  • 中断描述符表（完成）
  • 中断服务例程及其映射到IDT（完成）
  • 处理中断请求（IRQ）（完成）
  • 处理可编程间隔计时器的IRQ0（完成）
• 司机：
  • 屏幕驱动程序将打印在屏幕上（完成）
  • 键盘驱动程序收听IRQ1中断并处理（完成）
• 壳：
  • 实施简单的回声外壳（完成）

项目结构

• 引导- 源代码与引导部门有关
• CPU-与特定CPU体系结构相关的源代码
• 驱动程序- 源代码与驱动程序实施有关
• 包括- 常见情况的标头文件
• 内核- 与内核有关的源代码
• LIBC-通用库的源代码

makefile

Ghaiklor-OS-GCC由两个原始二进制格式的文件组成： boot.bin和kernel.bin 。它们位于boot/boot.bin和kernel/kernel.bin中。

boot.bin是通过nasm编译的。 MakeFile接管boot/boot.asm并调用nasm boot/boot.asm -f bin -o boot/boot.bin 。 NASM手柄包括子文件夹本身，因此所有汇编文件都将汇编为二进制文件。没有别的，简单。

kernel.bin是通过交叉补充GCC和LD编译的，您必须安装。看看开发环境部分。安装交叉补偿器后，我们可以从CPU ，驱动程序，包括内核和LIBC文件夹中获取来源。所有.c文件均通过gcc编译。编译的对象文件用于编译内核。然后通过LD -LD ld -o kernel/kernel.bin -Ttext 0x1000 <OBJ_FILES> --oformat binary 。

os-image.bin是编译boot.bin和kernel.bin的助理。 cat boot/boot.bin kernel/kernel.bin > os-image.bin 。

发展环境

我写了bootstrap.sh脚本，您可以运行。它将为您的主机计算机安装所有所需的依赖项。

bash bootstrap.sh

它如何工作？

BIOS

当计算机打开或重置计算机时，它会通过一系列称为Post-Power-onsef-Seft-pest的诊断。该序列最终导致定位可引导设备，例如软盘，CDROM或硬盘。

如果设备分别在字节511和512中带有字节序列0x55 0xAA则可以引导。当BIOS找到这样的引导扇区时，将其加载到0x0000:0x7C00的内存中。

引导部门

引导签名

可引导设备的简单实现：

 jmp $

times 510 - ($ - $$) db 0
dw 0xAA55

$ - $$在CURRENT_POINTER - START_POINTER 。这样，我们正在计算引导记录的时间。之后，我们从中获得510，并填充零，并获得带有引导扇区签名的512字节启动记录。

例如，我们的$ - $$等于100。因此，我们有510 - 100 = 410免费字节。我们用零填充这410个字节。最后两个字节511和512是可引导的签名，我们用dw 0xAA55填充。

完毕！我们拥有可引导设备，可以用您喜欢的任何代码替换jmp $ 。

引导部门实现

实际模式

在开始时，我们的代码正在实际模式下运行。

实际模式是所有X86处理器上都存在的简单16位模式。实际模式是第一个X86模式设计，并被许多早期操作系统使用。出于兼容目的，所有X86处理器都以实际模式开始执行。

在实际模式下有什么好坏？

缺点

• 少于1 MB的RAM可用。
• 没有基于硬件的内存保护（GDT），也没有虚拟内存。
• 没有内置的安全机制来防止越野车或恶意应用。
• 默认的CPU操作数长度仅为16位。
• 与其他CPU模式相比，所提供的内存寻址模式更具限制性。
• 访问超过64K需要使用难以使用的细分寄存器。

优点

• BIOS安装设备驱动程序以控制设备并处理中断。
• BIOS功能为操作系统提供了高级API功能的高级集合。
• 由于缺乏可以检查的描述表和较小的寄存器，内存访问更快。

由于实际模式存在许多局限性和问题，我们需要切换到受保护的模式。

受保护模式

自80286以来，受保护模式是现代英特尔处理器的主要操作模式。它允许使用多个虚拟地址空间，每个地址空间最多具有4 GB的可寻址内存。

由于由BIOS初始化的CPU以实际模式开始，因此切换到受保护模式可防止您使用大多数BIOS中断。在切换到受保护模式之前，您必须禁用中断，包括NMI，启用A20线并加载全局描述符表。

用于切换到受保护模式的算法：

 cli
lgdt [ gdt_descriptor ]
mov eax , cr0
or eax , 0x1
mov cr0 , eax
jmp CODE_SEG:init_pm

切换到PM的实现

全局描述符表

但是，我们可以走得更远...

长模式

什么是长模式，为什么要设置它？

由于引入了X86-64处理器，也引入了新模式，称为长模式。长模式基本上是由两种次模式组成的，分别是实际的64位模式和兼容模式（32位）。

我们感兴趣的只是64位模式，因为此模式提供了许多新功能，例如：

• 寄存器扩展到64位（RAX，RCX，RDX等...）;
• 八个新的通用登记册（R8 -R15）；
• 八个新的多媒体寄存器（XMM8 -XMM15）;

在切换到远程模式之前，我们必须检查CPU是否支持此模式。如果CPU不支持延长模式，我们需要退缩到受保护的模式。

检测长度模式是否支持

如果是这样，请切换到长模式

加载内核

所有这些模式都很棒，但是我们不能在512字节中编写操作系统。因此，我们的引导部门必须知道如何从硬盘加载我们的编译内核。

当我们处于实际模式时，我们可以使用BIOS中断从磁盘中读取。在我们的情况下，是INT 13,2 - Read Disk Sectors 。

如何使用它？

 ;; al = number of sectors to read (1 - 128)
;; ch = track/cylinder number
;; cl = sector number
;; dh = head number
;; dl = drive number
;; bx = pointer to buffer
mov ah , 0x02
mov al , 15
mov ch , 0x00
mov cl , 0x02
mov dh , 0x00
mov dl , 0
mov bx , KERNEL_OFFSET_IN_MEMORY
int 0x13

该代码导致从硬盘读取到地址KERNEL_OFFSET_IN_MEMORY 。它读取从第二个部门开始，然后通过地址KERNEL_OFFSET_IN_MEMORY存储它。

由于我们的编译OS映像是引导扇区和内核的串联，并且我们知道我们的引导扇区为512字节，因此我们可以肯定的是，我们的内核始于第二扇区。

成功完成阅读时，我们可以通过我们的KERNEL_OFFSET_IN_MEMORY拨打指令，并对内核进行执行。

 call KERNEL_OFFSET_IN_MEMORY
jmp $

磁盘的实现

有关引导部门的摘要

我们可以在此处绘制有关引导部门的线路。流很简单：

• BIOS将图像视为可引导的图像，因为启动签名；
• 通过INT 13,2将内核从磁盘加载到内存中；
• 切换到受保护的模式；
• 检查我们是否可以将后备转为“保护模式”是否可以切换为长模式；
• 通过简单的call指令对内核进行执行；

在此步骤中，我们的引导部门完成了工作，并开始与内核合作。

您可以通过引导源导航，并尝试获取其工作原理。

核心

组合中的内核进入

当我们通过地址调用指令时，我们可能会遇到一些问题。我们不确定，通过地址的指令是kernel_main() 。解决方案很简单。

我们可以编写一个附加在内核代码开始的子例程。我们的内核kernel_main()的该子例程呼叫的外部功能。当将对象文件链接在一起时，此调用将转换为我们的kernel_main()的呼叫。

 global _start

[bits 32]
[extern kernel_main]

_start:
  call kernel_main
  jmp $

内核输入实现

c中的内核条目

在此步骤中，我们对kernel_main()方法有一个入口点。这就是我们整个内核的入口点。

我认为，很无聊地解释了#include工作原理以及我们的kernel_main()中发生了什么。您可以轻松地遵循我从中调用的方法。

c中的内核条目

建筑

建立引导部门

那是最简单的部分。

我们需要以原始二进制格式构建boot/boot.bin图像。为此，我们将带有特殊标志的nasm汇编器称为。

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

它会导致您可以通过QEMU运行的原始二进制格式。

在此步骤中，我们已经有效编译了引导扇区。

构建内核

除了boot文件夹外，我们还需要从所有文件夹中构建所有源。

所有C文件均通过gcc和Assembly Files通过nasm编译为对象文件：

gcc -g -ffreestanding -Wall -Wextra -fno-exceptions -m32 -std=c11 -c < SOURCE > -o < OBJ_FILE >
nasm < SOURCE > -f elf -o < OBJ_FILE >

它导致所有需要的对象文件链接到原始二进制格式。剩下要做的就是通过ld将它们链接在一起：

ld -o kernel/kernel.bin -Ttext 0x1000 kernel/kernel_entry.o < OBJ_FILES > --oformat binary

请注意， kernel/kernel_entry.o首先是呼叫kernel_main()问题。这样，我们保证将从我们的boot/kernel_entry.asm中调用第一个指令。

毕竟，我们以原始二进制格式编译了内核图像。

构建操作系统图像

由于我们的引导扇区和内核是原始的二进制格式，因此我们可以将它们串联。

cat boot/boot.bin kernel/kernel.bin > os-image.bin

现在，我们可以通过qemu-system-i386运行os-image.bin 。 BIOS试图找到可引导扇区，找出我们的boot/boot.bin并看到签名。开始在boot/boot.bin上执行我们的汇编代码，该代码将我们的kernel/kernel.bin通过int 13,2加载到内存中并执行。

这就是一起工作的方式。随时可以通过该项目导航，谢谢？

执照

麻省理工学院许可证（MIT）

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