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[22613] 2014-04-29_内核代号101—动手写自己的内核

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2014-04-29_内核代号101—动手写自己的内核 内 核 代 号 1 0 1   —   动 手 写 自 己 的 内 核 L i n u x 中 国   2 0 1 4 - 0 4 - 2 9 H i ,   大 家 好 。 在 这 篇 文 章 中 ， 我 们 将 从 零 开 始 ， 动 手 编 写 一 个 可 以 用 G R U B 来 引 导 的 简 单 x 8 6 内 核 ， 该 内 核 会 在 屏 幕 上 打 印 一 条 信 息 ， 然 后 — — 挂 起 ！ 一 个 人 写 一 个 内 核 是 一 件 简 单 的 事 情 X 8 6 机 器 是 怎 样 启 动 的 ？ 机 器 是 怎 样 启 动 的 ？ 在 我 们 思 考 怎 样 写 一 个 内 核 之 前 ， 让 我 们 先 看 一 下 x 8 6 机 器 从 启 动 到 把 控 制 权 交 给 内 核 的 过 程 是 怎 样 的 ： x 8 6   C P U 在 机 器 启 动 之 后 就 会 从 地 址   [ 0 x F F F F F F F 0 ] 处 开 始 执 行 ， 这 个 地 址 就 是 在 3 2 位 寻 址 空 间 中 的 最 后 1 6 个 字 节 处 ， 这 里 存 放 了 一 条 跳 转 指 令 ， 会 跳 转 到 内 存 中 B I O S 代 码 起 始 处 。 接 着 ， c p u 就 开 始 开 始 执 行 B I O S 代 码 块 了 ， B I O S 首 先 会 在 我 们 配 置 好 的 启 动 设 备 序 列 中 ， 通 过 检 查 一 个 特 定 的 魔 数 ， 找 到 第 一 个 可 以 引 导 的 设 备 。 一 旦 B I O S 找 到 一 个 可 以 引 导 的 设 备 后 ， 它 就 会 把 该 设 备 第 一 个 扇 区 的 代 码 复 制 到 物 理 内 存 的 [ 0 x 7 c 0 0 ] 的 位 置 ， 然 后 跳 转 到 这 个 地 址 开 始 执 行 这 一 段 代 码 ， 我 们 习 惯 把 这 一 段 代 码 叫 作 b o o t l o a d e r 。 B o o t l o a d e r 会 将 内 核 代 码 加 载 到 物 理 内 存 [ 0 x 1 0 0 0 0 0 ] 的 位 置 ， [ 0 x 1 0 0 0 0 0 ] 这 个 地 址 是 所 有 x 8 6 机 器 宏 内 核 代 码 的 起 始 地 址 。 我 们 需 要 哪 一 些 工 具 ？ 我 们 需 要 哪 一 些 工 具 ？ *   一 个 x 8 6 构 架 的 计 算 机 *   L i n u x *   N A S M   汇 编 器 *   G C C *   L D ( G N U   连 接 器 ) *   G R U B 源 码 源 码
源 代 码 可 以 在 我 的 G i t h u b 上 找 到 ：   G i t h u b   r e p o s i t o r y   -   m k e r n e l 用 汇 编 代 码 来 编 写 内 核 入 口 用 汇 编 代 码 来 编 写 内 核 入 口 我 们 喜 欢 用 c 来 做 所 有 的 事 情 ， 但 是 我 们 无 可 避 免 地 需 要 用 到 一 点 儿 汇 编 ， 我 们 将 会 写 一 小 段 x 8 6 的 汇 编 代 码 来 作 为 内 核 入 口 ， 这 一 段 汇 编 代 码 会 在 调 用 我 们 的 c 代 码 后 停 止 整 个 程 序 流 程 。 我 们 怎 样 确 认 汇 编 代 码 会 作 为 内 核 的 起 始 点 呢 ？ 我 们 将 用 一 个 连 接 器 脚 本 将 这 些 目 标 文 件 链 接 成 我 们 最 终 的 内 核 程 序 （ 稍 后 解 释 更 多 ） ， 在 连 接 器 脚 本 里 ， 我 们 指 定 了 这 段 二 进 制 代 码 会 被 加 载 到 内 存   [ 0 x 1 0 0 0 0 0 ] 处 。 这 个 地 址 就 是 我 之 前 说 过 的 ， 内 核 所 希 望 的 起 始 地 址 。 汇 编 代 码 如 下 ： ; ; k e r n e l . a s m b i t s   3 2       ; n a s m   d i r e c t i v e   -   3 2   b i t s e c t i o n   . t e x t   g l o b a l   s t a r t e x t e r n   k m a i n                   ; k m a i n   i s   d e f i n e d   i n   t h e   c   f i l e   s t a r t :     c l i         ; b l o c k   i n t e r r u p t s     c a l l   k m a i n     h l t         ; h a l t   t h e   C P U 第 一 行 指 令   b i t 3 2   不 是 x 8 6 汇 编 指 令 ， 它 是 一 条 N A S M   指 令 ， 指 定 n a s m 汇 编 器 产 生 3 2 位 的 程 序 ， 这 条 语 句 并 不 是 必 不 可 少 的 ， 但 加 上 它 是 一 个 好 的 编 程 习 惯 。 第 二 行 是 t e x t 段 ( 代 码 段 ) 的 开 始 ， 在 这 里 存 放 着 我 们 的 代 码 块 。 g l o b a l 是 另 外 一 个 N A S M 指 令 ， 用 将 一 个 符 号 设 置 为 全 局 符 号 。 这 样 做 连 接 器 才 会 知 道 符 号 s t a r t 在 哪 儿 开 始 ， s t a r t 是 我 们 程 序 的 入 口 地 址 。 k m a i n 是 我 们 定 义 在 k e r n e l . c 文 件 中 的 函 数 ， e x t e r n 关 键 字 声 明 了 该 函 数 定 义 在 别 的 文 件 中 。 到 这 里 ， 我 们 的 函 数 s t a r t 调 用 k m i a n 函 数 之 后 就 会 使 用 h l t 指 令 将 C P U 挂 起 , 中 断 会 c p u 从 h l t   指 令 中 唤 醒 ， 我 们 要 在 挂 起 之 前 用 c l i 指 令 来 关 闭 系 统 的 中 断 响 应 ， c l i 指 令 是 清 除 中 断 ( c l e a r - i n t e r r u p t s ) 的 缩 写 。 用 用 C 实 现 的 内 核 实 现 的 内 核 在 k e r n l e . a s m 中 ， 我 们 调 用 了 k m a i n ( ) 函 数 ， 所 以 我 们 的 c 代 码 将 会 在 k m a i n ( ) 中 开 始 运 行 : / * *     k e r n e l . c * / v o i d   k m a i n ( v o i d ) {   c h a r   * s t r   =   " m y   f i r s t   k e r n e l " ;   c h a r   * v i d p t r   =   ( c h a r * ) 0 x b 8 0 0 0 ;     / / v i d e o   m e m   b e g i n s   h e r e .   u n s i g n e d   i n t   i   =   0 ;   u n s i g n e d   i n t   j   =   0 ;   / / c l e a r   a l l   w h i l e ( j   <   8 0   *   2 5   *   2 )   {     / / b l a n k   c h a r a c t e r     v i d p t r [ j ]   =   '   ' ;     / / a t t r i b u t e - b y t e :   l i g h t   g r e y   o n   b l a c k   s c r e e n       v i d p t r [ j + 1 ]   =   0 x 0 7 ;           j   =   j   +   2 ;   }   j   =   0 ;   w h i l e ( s t r [ j ]   ! =   ' 0 ' )   {     v i d p t r [ i ]   =   s t r [ j ] ;     v i d p t r [ i + 1 ]   =   0 x 0 7 ;     + + j ;     i   =   i   +   2 ;   }   r e t u r n ; } 我 们 的 内 核 首 先 会 清 空 整 个 屏 幕 ， 然 后 打 印 出 字 符 串 。 首 先 ， 我 们 用 一 个 v i d p t r 指 针 ， 指 向 地 址 [ 0 x b 8 0 0 0 ]   ,   这 个 地 址 是 保 护 模 式 下 显 存 的 起 始 地 址 。 屏 幕 的 文 本 内 容 对 应 着 的 内 存 空 间 中 一 个 内 存 段 ， 即 屏 幕 的 输 出 输 出 映 射 到 了 内 存 中 地 址 [ 0 x b 8 0 0 0 ] 的 地 方 ， 整 个 屏 幕 共 支 持 2 5 行 ， 每 行 8 0 个 A S C I I 字 符 。 在 文 本 内 存 中 每 一 个 字 符 由 1 6 b i t s ( 2 个 字 节 ) 表 示 ， 这 不 像 我 们 以 前 使 用 8 b i t s 来 定 义 。 其 中 第 一 个 字 节 是 该 字 符 的 A S C I I 码 ， 第 二 个 字 节 是 属 属 性 字 节 性 字 节 ，   它 描 述 了 字 符 的 表 现 形 式 ， 包 括 了 字 符 颜 色 等 属 性 。 为 了 在 黑 色 的 背 景 下 打 印 绿 色 字 符 ’ s ‘ ， 我 们 将 字 符 ’ s ‘ 放 在 显 存 中 的 第 一 个 字 节 ， 接 着 将 [ 0 x 0 2 ] 放 在 第 二 个 字 节 中 ,   其 中   0 表 示 黑 色 背 景 ， 2 表 示 绿 色 前 景 。
下 面 是 不 同 颜 色 的 定 义 ： 1 .   0   -   B l a c k ,   1   -   B l u e ,   2   -   G r e e n ,   3   -   C y a n ,   4   -   R e d ,   5   -   M a g e n t a ,   6   -   B r o w n ,   7   -   L i g h t   G r e y , 8   -   D a r k   G r e y ,   9   -   L i g h t   B l u e ,   1 0 / a   -   L i g h t   G r e e n ,   1 1 / b   -   L i g h t   C y a n ,   1 2 / c   -   L i g h t   R e d ,   1 3 / d   -   L i g h t   M a g e n t a ,   1 4 / e   -   L i g h t   B r o w n ,   1 5 / f   –   W h i t e .   在 我 们 的 内 核 中 ， 我 们 将 字 符 颜 色 设 置 为 灰 色 ， 将 背 景 颜 色 设 定 为 黑 色 ， 因 此 我 们 的 属 性 字 节 的 值 是 [ 0 x 0 7 ] . 在 第 一 个 w h i l e 循 环 中 ， 程 序 将 属 性 值 为 [ 0 x 0 7 ] 的 空 格 字 符 ( ‘   ’ ) 写 到 整 个 屏 幕 中 ( 共 2 5 行 ， 每 行 8 0 个 字 符 ) ， 这 样 就 会 将 整 个 屏 幕 清 空 了 。 在 第 二 个 w h i l e 循 环 中 ， 我 们 将 n u l l 结 尾 的 字 符 串   “ m y   f i r s t   k e r n e l ”   ， 从 显 存 的 起 始 处 开 始 写 入 。 这 样 字 符 串 就 打 印 在 屏 幕 上 了 链 接 部 分 链 接 部 分 我 们 用 N A S M ， G C C 分 别 将 k e r n a l e . a s m ， ， k e r n e l . c 编 译 成 目 标 文 件 ， 接 着 将 这 些 目 标 文 件 链 接 成 一 个 可 引 导 的 内 核 程 序 。 我 们 指 定 l d 连 接 器 按 照 我 们 脚 本 规 定 来 进 行 链 接 。 / * *     l i n k . l d * / O U T P U T _ F O R M A T ( e l f 3 2 - i 3 8 6 ) E N T R Y ( s t a r t ) S E C T I O N S   {       .   =   0 x 1 0 0 0 0 0 ;       . t e x t   :   {   * ( . t e x t )   }       . d a t a   :   {   * ( . d a t a )   }       . b s s     :   {   * ( . b s s )     }   } 脚 本 指 定 了 输 出 格 式 为   3 2 位 的 E L F 文 件 格 式 .   E L F （ E x e c u t a b l e   a n d   L i n k a b l e   F o r m a t ） 是 x 8 6 构 架 的 类 U n i x 系 统 标 准 的 二 进 制 格 式 。 E N T R Y   接 收 一 个 参 数 。 它 指 定 了 可 执 行 文 件 的 入 口 符 号 。 S E C T I O N S   对 我 们 来 讲 是 最 重 要 的 。 在 这 里 ， 我 们 定 义 即 将 生 成 的 可 执 行 文 件 的 布 局 。 我 们 可 以 定 义 各 个 段 链 接 融 合 的 方 式 以 及 放 置 的 位 置 。 在 S E C T I O N S   后 的 花 括 号 中 ， 符 号   ( . )   表 示 的 是 一 个 位 置 计 数 器 。 它 通 常 会 被 初 始 化 为 [ 0 x 0 ] ， ， 作 为 S E C T I O N S   块 的 起 始 地 址   ， 它 的 值 是 可 以 被 修 改 的 。   之 前 我 说 过 ， 内 核 代 码 需 要 在 地 址 [ 0 x 1 0 0 0 0 0 ] 处 ， 所 以 我 们 将 它 修 改 为 [ 0 x 1 0 0 0 0 0 ] 。 接 着 看 下 一 行 的   . t e x t   :   {   * ( . t e x t )   } 星 号 (   *   ) 是 一 个 通 配 符 ， 表 示 所 有 的 文 件 名 。 * ( . t e x t ) 表 示 将 所 有 输 入 文 件 的   . t e x t   段 因 此 ， 按 照 这 个 设 定 ， 连 接 器 将 所 有 目 标 文 件 的 t e x t 段 融 合 到 最 终 可 执 行 文 件 的 t e x t   段 中 ， 即 在 位 置 计 数 器 所 标 识 的 地 址 处   ( [ 0 x 1 0 0 0 0 0 ] ) 。 在 连 接 器 将 处 理 好 输 出 的 t e x t 段 后 ， 地 址 计 数 器 的 值 会 变 为 [ 0 x 1 0 0 0 0 0 ] + t e x t 段 的 长 度 。 类 似 的 ， d a t a 段 和 b s s 段 也 会 相 应 得 融 合 后 放 置 到 地 址 计 数 器 所 标 识 的 位 置 。 G r u b 和 多 重 引 导 和 多 重 引 导 现 在 我 们 已 经 准 备 好 所 有 制 作 内 核 所 需 的 文 件 了 ， 但 我 们 还 有 一 步 工 作 ， 我 们 还 需 要 用 g r u b   B o o t l o a d e r 来 启 动 我 们 的 内 核 。 在 按 照 M u t i l e b o o t   规 范 来 编 译 我 们 的 内 核 后 ， 它 就 可 以 被 G R U B 引 导 了 。 按 照 M u t i l e b o o t   的 规 范 说 明 ， 内 核 必 须 在 起 始 的 8 K B 中 包 含 这 一 个 多 引 导 项 头 （ M u l t i b o o t   h e a d e r ) 。 而 且 ， 这 个 多 引 导 项 头 里 面 必 须 有 3 个 4 字 节 对 齐 的 块 。
一 个 魔 术 块 ： 包 含 了 魔 数 [ 0 x 1 B A D B 0 0 2 ] ， 是 多 引 导 项 头 结 构 的 定 义 值 。 一 个 标 志 块 ： 我 们 不 关 心 这 个 块 的 内 容 ， 我 们 简 单 设 定 为 0 。 一 个 校 检 块 ： 校 检 块 ， 魔 术 块 和 标 志 块 的 数 值 的 总 和 必 须 是 0 。 因 此 ， 我 们 的 内 核 代 码 如 下 ： ; ; k e r n e l . a s m   ; n a s m   d i r e c t i v e   -   3 2   b i t b i t s   3 2 s e c t i o n   . t e x t                 ; m u l t i b o o t   s p e c                 a l i g n   4                 d d   0 x 1 B A D B 0 0 2                         ; m a g i c                 d d   0 x 0 0                                     ; f l a g s                 d d   -   ( 0 x 1 B A D B 0 0 2   +   0 x 0 0 )   ; c h e c k s u m .   m + f + c   s h o u l d   b e   z e r o   g l o b a l   s t a r t e x t e r n   k m a i n                   ; k m a i n   i s   d e f i n e d   i n   t h e   c   f i l e   s t a r t :     c l i         ; b l o c k   i n t e r r u p t s     c a l l   k m a i n     h l t         ; h a l t   t h e   C P U d d   指 令 定 义 了 个 4 字 节 的 双 字 。 生 成 内 核 生 成 内 核 我 们 现 在 开 始 将 k e r n e l . a s m 和 k e r n e l . c 编 译 成 目 标 文 件 ， 接 着 将 它 们 根 据 我 们 的 连 接 器 脚 本 的 设 定 链 接 到 一 起 ： n a s m   - f   e l f 3 2   k e r n e l . a s m   - o   k a s m . o 启 动 N A S M 汇 编 器 将 k e r n e l . a s m 编 译 成 E L F - 3 2 位 格 式 的 目 标 文 件 。 g c c   - m 3 2   - c   k e r n e l . c   - o   k c . o - c 选 项 告 知 G C C 编 译 器 在 将 源 文 件 编 译 成 目 标 文 件 后 ， 不 要 对 它 们 进 行 链 接 。 l d   - m   e l f _ i 3 8 6   - T   l i n k . l d   - o   k e r n e l   k a s m . o   k c . o 启 动 链 接 器 ， 根 据 我 们 的 链 接 脚 本 生 成 一 个 名 为 k e r n e l 的 可 执 行 的 文 件 。 配 置 配 置 g r u b ， 启 动 内 核 ， 启 动 内 核 G R U B   需 要 以 k e r n e l - 的 形 式 来 命 名 内 核 程 序 ， 所 以 ， 我 将 它 重 名 为 k e r n e l - 7 0 1 . 接 着 将 它 放 在 / b o o t 目 录 下 ， 这 一 步 需 要 你 需 要 拥 有 超 级 用 户 权 限 才 能 够 进 行 操 作 。 在 你 的 G R U B 配 置 文 件 g r u b . c f g 中 加 上 一 个 引 导 入 口 ， 如 下 ： t i t l e   m y K e r n e l   r o o t   ( h d 0 , 0 )   k e r n e l   / b o o t / k e r n e l - 7 0 1   r o 如 果 存 在 一 个 “ h i d d e n m e n u ” 的 指 令 ， 记 得 要 把 它 移 除 掉 。 重 启 电 脑 ， 你 就 能 够 看 到 你 的 内 核 也 在 启 动 选 择 项 列 表 中 了 。 选 择 启 动 它 之 后 ， 结 果 如 下 ：
成 功 显 示 出 来 了 。 ” 这 是 你 的 内 核 “ ” 不 ， 是 你 的 内 核 “ 。 P S : *   建 议 你 在 虚 拟 机 中 进 行 你 所 有 内 核 h a c k i n g 。 *   在 一 些 新 的 发 行 版 中 ， 使 用 了 g r u b 2 作 为 默 认 的 b o o t l o a d e r ， 你 需 要 向 下 面 这 样 来 配 置 你 的 配 置 文 件 。 （ 感 谢   R u b é n   L a g u n a 提 供 了 g r u b 2 的 配 置 ） m e n u e n t r y   ' k e r n e l   7 0 0 1 '   {   s e t   r o o t = ' h d 0 , m s d o s 1 '   m u l t i b o o t   / b o o t / k e r n e l - 7 0 0 1   r o } *   如 果 你 想 用 q e m u 模 拟 器 代 替 G R U B 来 启 动 你 的 内 核 程 序 的 话 ， 你 可 以 怎 么 做 ： q e m u - s y s t e m - i 3 8 6   - k e r n e l   k e r n e l 原 文 链 接 ：   A r j u n   S r e e d h a r a n   翻 译 ：   极 客 范   -   何 伟 寰 译 文 链 接 ：   h t t p : / / w w w . g e e k f a n . n e t / 8 6 6 3 / 本 文 地 址 ： h t t p : / / l i n u x . c n / a r t i c l e - 2 9 2 6 - 1 . h t m l
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