#作業系統核心實現（一） 作業系統的學習還是需要落地不能停留在概念上，於是打算模仿並實現作業系統核心，前面一直在做川合秀實先生的《30天自制作業系統》，但是由於它的底層系統是windows，以及講解較為淺顯不能深入瞭解具體的核心執行模式狀態，轉到了劉歡師兄寫的《X86架構作業系統核心實現》上，部落格雖短只有10篇左右，但內容充實，不斷的帶入新的文章新的連結，在做核心的途中也遊覽了許多計算機各方面知識的風景，收益頗豐。 ###開發工具 本次開發使用的都是常見且基礎的工具

• 開發語言為少量的彙編，大部分為C
• 彙編編譯器選擇nasm
• C編譯器採用gcc
• 連結器ld
• 虛擬機器當然是linux下常用的qemu

###開發過程 做事情之前首先要明確我們具體要做什麼，我們要做的是一個從0開始的作業系統，從0指的是從通電的一瞬間開始，首先我們必須要讓計算機能夠載入我們所做的OS，那麼我們不得不瞭解計算機的具體啟動過程。 下面這張圖是我通過閱讀《計算機是如何啟動的》畫出的。

• 這張圖對計算機的啟動過程描述的十分詳細了，細微的地方不再講解，我們的重心是做出一個OS，但有一點我們需要注意，當BIOS讀取裝置第一扇區後,除了常規的直接載入Bootloader外，我們可以選擇使用GRUB（來自GNU的多作業系統啟動程式）來直接載入作業系統核心，因為寫Bootloader需要太多的硬體知識偏離了我們的重心，同時自己動手實現Bootloader會造成與已有OS的不相容。
• GRUB提供了multiboot規範，符合這個協議的作業系統核心能被GRUB識別，並按照定義的規則被載入。 ####開發過程中所用到的指令碼檔案 開發過程中我們需要使用指令碼檔案來幫助進行編譯連結
• 首先是我們熟悉的Makefile，我們需要它來編譯我們的整個核心，而這個Makefile在整個開發過程中幾乎可以全程使用，來看下劉歡師兄所寫的Makefile指令碼。

#!Makefile

C_SOURCES = $(shell find . -name "*.c")
C_OBJECTS = $(patsubst %.c, %.o, $(C_SOURCES))
S_SOURCES = $(shell find . -name "*.s")
S_OBJECTS = $(patsubst %.s, %.o, $(S_SOURCES))

CC = gcc
LD = ld
ASM = nasm

C_FLAGS = -c -Wall -m32 -ggdb -gstabs+ -nostdinc -fno-builtin -fno-stack-protector -I include
LD_FLAGS = -T scripts/kernel.ld -m elf_i386 -nostdlib
ASM_FLAGS = -f elf -g -F stabs

all: $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) link update_image

.c.o:
    @echo 編譯程式碼檔案 $< ...
    $(CC) $(C_FLAGS) $< -o 
 
[email protected]

.s.o:
    @echo 編譯彙編檔案 $< ...
    $(ASM) $(ASM_FLAGS) $<

link:
    @echo 連結核心檔案...
    $(LD) $(LD_FLAGS) $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) -o hx_kernel

.PHONY:clean
clean:
    $(RM) $(S_OBJECTS) $(C_OBJECTS) hx_kernel

.PHONY:update_image
update_image:
    sudo mount floppy.img /mnt/kernel
    sudo cp hx_kernel /mnt/kernel/hx_kernel
    sleep 1
    sudo umount /mnt/kernel

.PHONY:mount_image
mount_image:
    sudo mount floppy.img /mnt/kernel

.PHONY:umount_image
umount_image:
    sudo umount /mnt/kernel

.PHONY:qemu
qemu:
    qemu -fda floppy.img -boot a

.PHONY:bochs
bochs:
    bochs -f tools/bochsrc.txt

.PHONY:debug
debug:
    qemu -S -s -fda floppy.img -boot a &
    sleep 1

前面一部分是一些shell所寫的定位目標檔案，以及gcc與ld的配置，值得一提的是ld的連結命令中-nostdlib 是不連結C語言的標準庫，因為我們目前並沒有函式庫，否則也不能稱之為一個從0的作業系統了，在看程式碼的過程中碰到了patsubst這個函式，這裡它是把.c與.s檔案轉換成了.o檔案，那為什麼可以直接轉換呢？變成.o檔案難道不需要編譯了嗎？Google了一下發現他是替換萬用字元，即只替換字尾，我覺的在這裡把. s與.c檔案都換成.o檔案應該是想劃定範圍，用範圍內的這些專案連結掛載在kernel下的檔案把。最後是一些檔案掛載和虛擬機器qemu的映象製作等。我們應該能注意到.PHONY這個命令，這個命令的意思是告訴Make，總是要執行它後面的命令，也就是說始終認為它後面生成的檔案沒有更新需要生成最新的。

• 接下來是ld連結器的指令碼。這個指令碼主要是告訴ld程式如何構造我們所需的核心映像檔案，此指令碼暫時難以搞懂，我們明白了他的作用就好，其中部分需要在之後的除錯資訊中才能明白，我們先向下接著走。
• 小結：所以我們現在要做的是使用Makefile與ld編譯連結我們的核心檔案，接著使用qemu生成映象檔案，按照Multiboot生成規範格式的引導資訊，同時使用標準ELF格式，GRUB就會將我們所寫的核心正確載入與執行。 當前我們的目錄結構是這樣：

|-- Makefile
`-- scripts
    `-- kernel.ld

####啟動映象 打算在一個虛擬軟盤上放入我們的核心，劉歡師兄部落格中寫到給出了軟盤映象但並沒有找到，所以準備自己先嚐試做一做帶有GRUB的軟盤映像。先明確一下步驟，製作軟盤，接著在這個軟盤上安裝GRUB。

• 製作軟盤在linux下比較簡單，使用dd命令，我們首先建立兩個軟盤映象。

#dd if=/dev/zero of=auxiflp.img bs=512 count=2880;
#dd if=/dev/zero of=bootflp.img bs=512 count=2880;

接著從ftp://alpha.gnu.org/gnu/grub/下載GRUB的編譯好的檔案，當然也可以選擇下原始檔自己編譯後再用。解壓後將stage1，stage2提取出來用，剛才建立的兩個軟盤映象auxiflp.img用來安裝GRUB檔案，bootflp。img是我們最終要得到的引導盤，接著我們要把stage1，stage2寫入auxiflp.img中。

#dd if=stage1 of=auxiflp.img bs=512 count=1;
#dd if=stage2 of=bootflp.img bs=512 seek=1; 

這樣就完成了auxiflp.img。接著我們對bootflp.img進行操作，首先把它格式化為我們常見的FAT12格式，新建資料夾用來掛載軟盤映像等。

#mkfs.vfat -F12 bootflp.img　　     ;
#mkdir floppy　　　　　　　         ;
#mount -o loop bootflp.img floppy  ;    
#mkdir -p floppy/boot/grub  　　　　
#cp stage* floppy/boot/grub  　　  ;

我們現在明確auxiflp.img中裝好了GRUB,bootflp.img已經做好了一切準備，接下來的工作是用auxiflp幫助bootflp.img完成GRUB的安裝，由於對qemu的使用不熟練，此處還在不斷嘗試中。

• 完成了含有GRUB的軟盤製作後，我們可以說做好了所有的鋪墊工作，接下來的就是核心的程式碼工作了。