操作系统——内核雏形

操作系统——内核雏形

实验目的：

如何生成一个内核，能引导该内核，并进行扩展

实验内容：

1. 汇编和C的互相调用方法
2. ELF文件格式
3. 使用Loader加载ELF文件
4. 如何加载并扩展内核
5. 设计题：修改启动代码，在引导过程中在屏幕上画出一个你喜欢的ASCII图案，并将第三章的内存管理功能代码、你自己设计的中断代码集成到你的kernel文件目录管理中，并建立makefile文件，编译成内核，并引导

实验环境：

VMware+Ubuntu32位

实验步骤：

1.汇编和C的互相调用方法

调用关系示意图如上，我们来看一下代码。


将foo.asm中定义的函数设为global模式，使得可以被调用，同时导入choose函数 int choose(int a ,int b)。

在bar.c中调用myprint函数，并定义choose函数。
编译，链接，运行：

可以发现调用是成功的！

2.ELF文件格式

格式图如上所示，其中我们来分别分析每一个部分的含义和数据结构。
ELF header：

Program header：

Program header描述的是一个段在文件中的位置、大小以及它被放进内存后所在的位置和大
小。如果我们想把一个文件加载进内存的话，需要的正是这些信息。

3.使用Loader加载ELF文件

我们的期望是使用Loader加载ELF文件，在之后肯定是要加载内核文件的。加载一个文件无非就是寻找文件、定位文件、读入内存三个步骤，所以在这次的loader中也是遵循这个步骤。

和之前实验的思路是类似的，只不过我们这次寻找的是kernel.bin文件。
在这里我们先随便写一个简单的kernel.asm文件来测试一下：

就是，现实一个字母K罢了。
我们来跑一跑这个loader程序


可以看见是成功的，因为出现了ready. 字符

4.如何加载并扩展内核

在上一步骤中，我们已经把kernel加载进了内存，但要想使内核运行并移交控制权，我们还需要先进入保护模式。
进入保护模式的代码已经很常见了，如下所示:

但与之前不一样的是，之前大多数描述符的段基址都是运行时计算后填入相应位置的，此时我们不需要这样了，因为我们自己加载了loader，已经确定了段地址并定义为了BaseOfLoader，所以在Loader中出现的变量的物理地址可以由下公式计算：
标号物理地址 = BaseOfLoader * 10h + 标号的偏移
于是我们将BaseOfLoader定义在一个文件里：

我们直接用了一个宏BaseOfLoaderPhyAddr来表示BaseOfLoader * 10h，当然是为了方便啦。
保护模式的代码如下，仅仅只是打印一个字符P

运行一下：

看到P，证明跳入保护模式成功。
成功跳入保护模式之后，我们获得内存信息、开启分页操作、最终整理内核并移交控制权。
获得内存信息是我们之前实验的内容，我们使用15h中断来完成，代码如下：

当然我们不能比之前的实验差，所以我们也把他加载进显存并打印：

和之前的代码基本就是从第三章中拿来直接使用的，别忘了将调用的函数DispInt,DispStr等包含在32位代码段中。
得到内存信息后，启动分页。

运行：

在之前的基础上出现了第三章那样的内存信息。
内存信息获取成功，分页开启成功，接下来我们将内存中的kernel程序整理，并移交控制权。
别忘了，我们的内核程序是一个elf程序，elf程序的program header table字段是有重要含义的，让我再来复习一下。



之前说到，我们要整理kernel程序，也就是说我们要把之前导入内存的代码整理到一个指定位置，这里我们需要使用memcpy函数。

具体实现如下：

但是，由于ld生成的可执行文件中p_vaddr的值较大，在这里超过我们的内存范围，所以我们需要修改一下ld指令时的参数。

解决了内存的问题之后，我们就可以向内核交出控制权了。

运行一下试试:

可以看到，出现了K字符。证明此时内核成功运行了！
接下来我们来进行内核扩展，先跑一下代码看看结果：

可以看到最下面一行出现一行字符串，但其实并没有那么简单。

首先，在Kliba.asm中定义了一个函数disp_str，用来打印字符串，并且将这个函数导出。
然后在kernel.asm中引入刚刚定义的函数，并将kernel，kliba，string，start链接成kernel.bin并挂载，作为真正的内核程序。
这个代码不仅定义了函数，还使用memcpy函数切换了堆栈和GDT，和之前仅仅打印一个字符的代码相比复杂了许多，但并没有花费很大精力，可见内核的扩展在C语言的帮助下已经简单了许多了。

5. 设计题：修改启动代码，在引导过程中在屏幕上画出一个你喜欢的ASCII图案，并将第三章的内存管理功能代码、你自己设计的中断代码集成到你的kernel文件目录管理中，并建立makefile文件，编译成内核，并引导

1）画出一个ASCII图案
在引导的时候，让他打印两个由字符构成的表情，调用一个打印函数打印如下定义的字符串：

函数还是使用的例子程序中提供的，结果如下：

打印其他的应该是差不多的，就是要记得构造好这个字符的形状。

2）Kernel扩展
扩展原理很简单，主要是中断处理程序的编写问题。之前我们的实验中有过类似的步骤，我们可以直接调用当时的函数。

当然，这里我们不再使用键盘中断，而是使用时钟中断，所以记得修改初始化的值：

其他地方与例子程序没什么很大差别，我们来看一下中断处理程序部分：

为了减少代码修改，我直接把整个函数复制进来了。。。
也就是说，遇到时钟中断的时候，我们的屏幕将根据时钟中断的“节奏”来打印字符串，在一段时间之后的截图如下：

看上去其实挺吓人的，但是从代码实现的角度来说应该是成功了吧。

实验问题：

1.汇编和C的调用方法是怎样的？

将汇编中定义的函数定义为global形式进行导出，将需要使用的函数进行导入；C语言在使用函数之前进行定义。在编译过程中先生成.o文件，并链接所有.o文件成为新文件，作为可执行程序，这个程序既包含汇编文件中的函数也包含C语言中的参数。

2.描述ELF文件格式以及作用

ELF header：用来定义ELF文件各信息，例如Program header table个数与偏移地址。
Program header table：


描述的是一个段在文件中的位置，位置、大小以及它被放进内存后所在的位置和大小。如果我们想把一个文件加载进内存的话，需要的正是这些信息。

3.如何从Loader引导ELF的原理

从Loader引导ELF文件需要经过几个步骤：寻找文件、定位文件、读入内存、转交控制权，其中前三个步骤与是否为ELF文件关系不大，对于要读入内存的文件来说都是需要经过这三个步骤的；最后一个步骤转交控制权则是根据ELF文件头与Program header table中的信息，将内存中的段进行整合并执行、转交控制权。

4.一个内核要能基本使用应该扩展哪些功能，怎么扩展

一个内核是在保护模式中被引导、运行，从实验的角度上说，内核需要接管电脑的控制权，管理计算机上运行的所有程序、进行的所有操作，所以至少应该具有中断管理，线程管理，地址空间和进程间通信等功能。

5.怎么管理内核文件目录？

在之前实验中我们的文件都是散落在一个文件夹里，编译生成的文件也是很混乱，最痛苦的是每次编译、挂载都有很多指令要打。所以我们需要使用make指令来管理内核文件目录。
目前为止我们可以整理成如下所示的结构：

然后，在a.img的路径下添加makefile文件，完成编译、链接、挂载的任务，最后启动bochs则可以达到目的。

Makefile如上所示，使用如上所述的方法和工具则可以很好的管理内核文件和目录。