assembly - ¿Cómo hacer el núcleo para mi gestor de arranque?

operating-system kernel (1)

Estoy tratando de hacer mi propio sistema operativo personalizado y necesito ayuda con mi código. Este es mi bootloader.asm :

[ORG 0x7c00] start: cli xor ax, ax mov ds, ax mov ss, ax mov es, ax mov [BOOT_DRIVE], dl mov bp, 0x8000 mov sp, bp mov bx, 0x9000 mov dh, 5 mov dl, [BOOT_DRIVE] call load_kernel call enable_A20 call graphics_mode lgdt [gdtr] mov eax, cr0 or al, 1 mov cr0, eax jmp CODE_SEG:init_pm [bits 32] init_pm: mov ax, DATA_SEG mov ds, ax mov ss, ax mov es, ax mov fs, ax mov gs, ax mov ebp, 0x90000 mov esp, ebp jmp 0x9000 [BITS 16] graphics_mode: mov ax, 0013h int 10h ret load_kernel: ; load DH sectors to ES:BX from drive DL push dx ; Store DX on stack so later we can recall ; how many sectors were request to be read , ; even if it is altered in the meantime mov ah , 0x02 ; BIOS read sector function mov al , dh ; Read DH sectors mov ch , 0x00 ; Select cylinder 0 mov dh , 0x00 ; Select head 0 mov cl , 0x02 ; Start reading from second sector ( i.e. ; after the boot sector ) int 0x13 ; BIOS interrupt jc disk_error ; Jump if error ( i.e. carry flag set ) pop dx ; Restore DX from the stack cmp dh , al ; if AL ( sectors read ) != DH ( sectors expected ) jne disk_error ; display error message ret disk_error : mov bx , ERROR_MSG call print_string hlt [bits 32] ; prints a null - terminated string pointed to by EDX print_string : pusha mov edx , VIDEO_MEMORY ; Set edx to the start of vid mem. print_string_loop : mov al , [ ebx ] ; Store the char at EBX in AL mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so je print_string_done ; jump to done mov [edx] , ax ; Store char and attributes at current ; character cell. add ebx , 1 ; Increment EBX to the next char in string. add edx , 2 ; Move to next character cell in vid mem. jmp print_string_loop ; loop around to print the next char. print_string_done : popa ret ; Return from the function [bits 16] ; Variables ERROR_MSG db "Error!" , 0 BOOT_DRIVE: db 0 VIDEO_MEMORY equ 0xb8000 WHITE_ON_BLACK equ 0x0f %include "a20.inc" %include "gdt.inc" times 510-($-$$) db 0 db 0x55 db 0xAA

Lo compilo con esto:

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

Esto es kernel.c :

call_main(){main();} void main(){}

Lo compilo con esto:

gcc -ffreestanding -o kernel.bin kernel.c

y entonces:

cat boot.bin kernel.bin > os.bin

Quiero saber qué estoy haciendo mal porque cuando pruebo con QEMU no funciona. ¿Alguien puede dar algunos consejos para mejorar kernel.c para que no tenga que usar la función call_main ()?

Cuando pruebo uso:

qemu-system-i386 -kernel os.bin

Mis otros archivos

a20.inc :

enable_A20: call check_a20 cmp ax, 1 je enabled call a20_bios call check_a20 cmp ax, 1 je enabled call a20_keyboard call check_a20 cmp ax, 1 je enabled call a20_fast call check_a20 cmp ax, 1 je enabled mov bx, [ERROR] call print_string enabled: ret check_a20: pushf push ds push es push di push si cli xor ax, ax ; ax = 0 mov es, ax not ax ; ax = 0xFFFF mov ds, ax mov di, 0x0500 mov si, 0x0510 mov al, byte [es:di] push ax mov al, byte [ds:si] push ax mov byte [es:di], 0x00 mov byte [ds:si], 0xFF cmp byte [es:di], 0xFF pop ax mov byte [ds:si], al pop ax mov byte [es:di], al mov ax, 0 je check_a20__exit mov ax, 1 check_a20__exit: pop si pop di pop es pop ds popf ret a20_bios: mov ax, 0x2401 int 0x15 ret a20_fast: in al, 0x92 or al, 2 out 0x92, al ret [bits 32] [section .text] a20_keyboard: cli call a20wait mov al,0xAD out 0x64,al call a20wait mov al,0xD0 out 0x64,al call a20wait2 in al,0x60 push eax call a20wait mov al,0xD1 out 0x64,al call a20wait pop eax or al,2 out 0x60,al call a20wait mov al,0xAE out 0x64,al call a20wait sti ret a20wait: in al,0x64 test al,2 jnz a20wait ret a20wait2: in al,0x64 test al,1 jz a20wait2 ret

gdt.inc :

gdt_start: dd 0 ; null descriptor--just fill 8 bytes dd 0 gdt_code: dw 0FFFFh ; limit low dw 0 ; base low db 0 ; base middle db 10011010b ; access db 11001111b ; granularity db 0 ; base high gdt_data: dw 0FFFFh ; limit low (Same as code) dw 0 ; base low db 0 ; base middle db 10010010b ; access db 11001111b ; granularity db 0 ; base high end_of_gdt: gdtr: dw end_of_gdt - gdt_start - 1 ; limit (Size of GDT) dd gdt_start ; base of GDT CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start

Hay una serie de problemas, pero en general su código de ensamblaje funciona. He escrito una respuesta de que tiene consejos para el desarrollo general del cargador de arranque .

No asuma que los registros de segmento están configurados correctamente

El código original en su pregunta no estableció el registro del segmento de pila SS . Consejo # 1 que doy es:

Cuando el BIOS salta a su código, no puede confiar en que los registros CS, DS, ES, SS, SP tengan valores válidos o esperados. Deben configurarse adecuadamente cuando se inicia el gestor de arranque.

Si necesita ES, también debe configurarse. Aunque en su código no parece ser el caso (excepto en la función print_string que discutiremos más adelante).

Defina correctamente el GDT

El error más grande que le habría impedido llegar al modo protegido fue que configuró la tabla de descriptores globales (GDT) en gdt.inc comenzando con:

gdt_start: dd 0 ; null descriptor--just fill 8 bytes dd 0

Cada descriptor global debe tener 8 bytes, pero dd 0 define solo 4 bytes (palabra doble). Debería ser:

gdt_start: dd 0 ; null descriptor--just fill 8 bytes dd 0

En realidad, parece que el segundo dd 0 se agregó accidentalmente al final del comentario en la línea anterior.

Cuando esté en modo real de 16 bits, no use código de 32 bits

Ha escrito un código print_string pero es un código de 32 bits:

[bits 32] ; prints a null - terminated string pointed to by EBX print_string : pusha mov edx , VIDEO_MEMORY ; Set edx to the start of vid mem. print_string_loop : mov al , [ ebx ] ; Store the char at EBX in AL mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so je print_string_done ; jump to done mov [edx] , ax ; Store char and attributes at current ; character cell. add ebx , 1 ; Increment EBX to the next char in string. add edx , 2 ; Move to next character cell in vid mem. jmp print_string_loop ; loop around to print the next char. print_string_done : popa ret ; Return from the function

Llama a print_string como un controlador de errores en el código de 16 bits, por lo que lo que está haciendo aquí probablemente obligará a reiniciar la computadora. No puede usar los registros y el direccionamiento de 32 bits. El código se puede hacer de 16 bits con algunos ajustes:

; prints a null - terminated string pointed to by EBX print_string : pusha push es ;Save ES on stack and restore when we finish push VIDEO_MEMORY_SEG ;Video mem segment 0xb800 pop es xor di, di ;Video mem offset (start at 0) print_string_loop : mov al , [ bx ] ; Store the char at BX in AL mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so je print_string_done ; jump to done mov word [es:di], ax ; Store char and attributes at current ; character cell. add bx , 1 ; Increment BX to the next char in string. add di , 2 ; Move to next character cell in vid mem. jmp print_string_loop ; loop around to print the next char. print_string_done : pop es ;Restore ES that was saved on entry popa ret ; Return from the function

La principal diferencia (en el código de 16 bits) es que ya no usamos registros EAX y EDX de 32 bits. Para acceder al video ram @ 0xb8000 , necesitamos usar un segmento: par compensado que represente lo mismo. 0xb8000 se puede representar como segmento: desplazamiento 0xb800: 0x0 (Calculado como (0xb800 << 4) + 0x0) = 0xb8000 dirección física. Podemos usar este conocimiento para almacenar b800 en el registro ES y usar el registro DI como compensación para actualizar la memoria de video. Ahora usamos:

mov word [es:di], ax

Para mover una palabra al video ram.

Ensamblar y vincular el núcleo y el cargador de arranque

Uno de los problemas que tiene al construir su Kernel es que no genera correctamente una imagen binaria plana que pueda cargarse directamente en la memoria. En lugar de usar gcc -ffreestanding -o kernel.bin kernel.c , recomiendo hacerlo de esta manera:

gcc -g -m32 -c -ffreestanding -o kernel.o kernel.c -lgcc ld -melf_i386 -Tlinker.ld -nostdlib --nmagic -o kernel.elf kernel.o objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin

Esto ensambla kernel.c a kernel.o con información de depuración ( -g ). El enlazador luego toma kernel.o (binario ELF de 32 bits) y produce un ejecutable ELF llamado kernel.elf (este archivo será útil si desea depurar su núcleo). Luego usamos objcopy para tomar el archivo ejecutable ELF32 kernel.elf y convertirlo en una imagen binaria plana kernel.bin que el BIOS puede cargar. Una cosa clave a tener en cuenta es que con la opción -Tlinker.ld le estamos pidiendo al LD (enlazador) que lea las opciones del archivo linker.ld . Este es un linker.ld simple que puede usar para comenzar:

OUTPUT_FORMAT(elf32-i386) ENTRY(main) SECTIONS { . = 0x9000; .text : { *(.text) } .data : { *(.data) } .bss : { *(.bss) *(COMMON) } }

Lo que hay que tener en cuenta aquí es eso . = 0x9000 . = 0x9000 le dice al enlazador que debe producir un ejecutable que se cargará en la dirección de memoria 0x9000 . 0x9000 es donde parece haber colocado su núcleo en su pregunta. El resto de las líneas ponen a disposición las secciones C que deberán incluirse en su núcleo para que funcionen correctamente.

Recomiendo hacer algo similar cuando use NASM, así que en lugar de hacer nasm -f bin -o boot.bin bootloader.asm hágalo de esta manera:

nasm -g -f elf32 -F dwarf -o boot.o bootloader.asm ld -melf_i386 -Ttext=0x7c00 -nostdlib --nmagic -o boot.elf boot.o objcopy -O binary boot.elf boot.bin

Esto es similar a compilar el núcleo C. No usamos un script de enlazador aquí, pero le decimos al enlazador que produzca nuestro código suponiendo que el código (cargador de arranque) se cargará a 0x7c00 .

Para que esto funcione, deberá eliminar esta línea de bootloader.asm :

[ORG 0x7c00]

Limpieza del núcleo (kernel.c)

Modifique su archivo kernel.c para que sea:

/* This code will be placed at the beginning of the object by the linker script */ __asm__ (".pushsection .text.start/r/n" / "jmp main/r/n" / ".popsection/r/n" ); /* Place main as the first function defined in kernel.c so * that it will be at the entry point where our bootloader * will call. In our case it will be at 0x9000 */ int main(){ /* Do Stuff Here*/ return 0; /* return back to bootloader */ }

En bootloader.asm deberíamos llamar a la función main (que se colocará en 0x9000) en lugar de saltar a ella. En lugar de:

jmp 0x9000

Cámbielo a:

call 0x9000 cli loopend: ;Infinite loop when finished hlt jmp loopend

El código después de la llamada se ejecutará cuando vuelva la función principal de C. Es un bucle simple que detendrá efectivamente el procesador y permanecerá así indefinidamente, ya que no tenemos a dónde volver.

Código después de hacer todos los cambios recomendados

bootloader.asm :

[bits 16] global _start _start: cli xor ax, ax mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, 0x8000 ; Stack pointer at SS:SP = 0x0000:0x8000 mov [BOOT_DRIVE], dl; Boot drive passed to us by the BIOS mov dh, 17 ; Number of sectors (kernel.bin) to read from disk ; 17*512 allows for a kernel.bin up to 8704 bytes mov bx, 0x9000 ; Load Kernel to ES:BX = 0x0000:0x9000 call load_kernel call enable_A20 ; call graphics_mode ; Uncomment if you want to switch to graphics mode 0x13 lgdt [gdtr] mov eax, cr0 or al, 1 mov cr0, eax jmp CODE_SEG:init_pm graphics_mode: mov ax, 0013h int 10h ret load_kernel: ; load DH sectors to ES:BX from drive DL push dx ; Store DX on stack so later we can recall ; how many sectors were request to be read , ; even if it is altered in the meantime mov ah , 0x02 ; BIOS read sector function mov al , dh ; Read DH sectors mov ch , 0x00 ; Select cylinder 0 mov dh , 0x00 ; Select head 0 mov cl , 0x02 ; Start reading from second sector ( i.e. ; after the boot sector ) int 0x13 ; BIOS interrupt jc disk_error ; Jump if error ( i.e. carry flag set ) pop dx ; Restore DX from the stack cmp dh , al ; if AL ( sectors read ) != DH ( sectors expected ) jne disk_error ; display error message ret disk_error : mov bx , ERROR_MSG call print_string hlt ; prints a null - terminated string pointed to by EDX print_string : pusha push es ;Save ES on stack and restore when we finish push VIDEO_MEMORY_SEG ;Video mem segment 0xb800 pop es xor di, di ;Video mem offset (start at 0) print_string_loop : mov al , [ bx ] ; Store the char at BX in AL mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so je print_string_done ; jump to done mov word [es:di], ax ; Store char and attributes at current ; character cell. add bx , 1 ; Increment BX to the next char in string. add di , 2 ; Move to next character cell in vid mem. jmp print_string_loop ; loop around to print the next char. print_string_done : pop es ;Restore ES that was saved on entry popa ret ; Return from the function %include "a20.inc" %include "gdt.inc" [bits 32] init_pm: mov ax, DATA_SEG mov ds, ax mov ss, ax mov es, ax mov fs, ax mov gs, ax mov ebp, 0x90000 mov esp, ebp call 0x9000 cli loopend: ;Infinite loop when finished hlt jmp loopend [bits 16] ; Variables ERROR db "A20 Error!" , 0 ERROR_MSG db "Error!" , 0 BOOT_DRIVE: db 0 VIDEO_MEMORY_SEG equ 0xb800 WHITE_ON_BLACK equ 0x0f times 510-($-$$) db 0 db 0x55 db 0xAA

gdt.inc :

a20.inc :

kernel.c :

linker.ld

OUTPUT_FORMAT(elf32-i386) ENTRY(main) SECTIONS { . = 0x9000; .text : { *(.text.start) *(.text) } .data : { *(.data) } .bss : { *(.bss) *(COMMON) } }

Crear imagen de disco usando DD / depuración con QEMU

Si utiliza los archivos anteriores y produce el gestor de arranque y los archivos del kernel necesarios con estos comandos (como se mencionó anteriormente)

nasm -g -f elf32 -F dwarf -o boot.o bootloader.asm ld -melf_i386 -Ttext=0x7c00 -nostdlib --nmagic -o boot.elf boot.o objcopy -O binary boot.elf boot.bin gcc -g -m32 -c -ffreestanding -o kernel.o kernel.c -lgcc ld -melf_i386 -Tlinker.ld -nostdlib --nmagic -o kernel.elf kernel.o objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin

Puede producir una imagen de disco (en este caso la haremos del tamaño de un disquete) con estos comandos:

dd if=/dev/zero of=disk.img bs=512 count=2880 dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 conv=notrunc dd if=kernel.bin of=disk.img bs=512 seek=1 conv=notrunc

Esto crea una imagen de disco con relleno cero de tamaño 512 * 2880 bytes (el tamaño de un disquete de 1,44 megabytes). dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 conv=notrunc escribe boot.bin en el primer sector del archivo sin truncar la imagen del disco. dd if=kernel.bin of=disk.img bs=512 seek=1 conv=notrunc coloca kernel.bin en la imagen del disco comenzando en el segundo sector. La seek=1 salta el primer bloque (bs = 512) antes de escribir.

Si desea ejecutar su núcleo, puede iniciarlo como unidad de disquete A: ( -fda ) en QEMU de esta manera:

qemu-system-i386 -fda disk.img

También puede depurar su núcleo de 32 bits utilizando QEMU y el Depurador GNU ( GDB ) con la información de depuración que generamos al compilar / ensamblar el código con las instrucciones anteriores.

qemu-system-i386 -fda disk.img -S -s & gdb kernel.elf / -ex ''target remote localhost:1234'' / -ex ''layout src'' / -ex ''layout reg'' / -ex ''break main'' / -ex ''continue''

Este ejemplo inicia QEMU con el depurador remoto y emula un disquete usando el archivo disk.img (que creamos con DD ). GDB se inicia usando kernel.elf (un archivo que generamos con información de depuración), luego se conecta a QEMU y establece un punto de interrupción en la función main () en el código C. Cuando el depurador finalmente esté listo, se le pedirá que presione <return> para continuar. Con suerte, debería estar viendo la función main en el depurador.