assembly 如何为我的 Bootstrap 制作内核?

biswetbf  于 4个月前  发布在  Bootstrap
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我正在尝试制作自己的自定义操作系统,我需要一些代码方面的帮助。这是我的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

字符串
我用这个编译它:

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


这是kernel.c

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


我用这个编译它:

gcc -ffreestanding -o kernel.bin kernel.c


然后:

cat boot.bin kernel.bin > os.bin


我想知道我做错了什么,因为当我用 QEMU 测试时,它不工作。有人能给予一些提示来改进kernel.c,这样我就不必使用call_main()函数了吗?
测试时,我用途:

qemu-system-i386 -kernel os.bin

我的其他文件

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

yvgpqqbh

yvgpqqbh1#

有很多问题,但总的来说,你的汇编代码确实可以工作。我写了一个StackOverflow的答案,其中有一般 Bootstrap 开发的提示。

不要假设段寄存器设置正确

你的问题中的原始代码没有设置 SS 堆栈段寄存器。我给予的提示#1是:
当BIOS跳转到你的代码时,你不能依赖CS,DS,ES,SS,SP寄存器的有效值或期望值。当你的 Bootstrap 启动时,它们应该被适当地设置。
如果你需要 ES,它也应该被设置。尽管在你的代码中似乎不是这样的(除了我稍后讨论的print_string函数)。

正确定义GDT

阻止您进入保护模式的最大错误是,您在 gdt.inc 中设置了全局描述符表(GDT),并以以下开头:

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

字符串
每个全局描述符需要8个字节,但dd 0只定义了4个字节(双字)。它应该是:

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


实际上,第二个dd 0是意外添加到上一行注解的末尾的。

16位真实的模式下不要使用32位代码

你已经写了一些print_string代码,但它是32位代码:

[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


您在16位代码中调用 print_string 作为错误处理程序,因此您在这里所做的可能会强制重新启动计算机。您不能使用32位寄存器和寻址。代码可以通过一些调整变为16位:

; 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


主要区别(在16位代码中)是我们不再使用 EAXEDX 32位寄存器。为了访问视频RAM @ * 0xb 8000 ,我们需要使用表示相同内容的段:偏移对。 0xb 8000 * 可以表示为段:偏移 * 0xb 800:0x 0 *(计算为(0xb 800 <<4)+0x0)= * 0xb 8000 * 物理地址。我们可以使用此知识将 b800 存储在 ES 寄存器中,并使用 DI 寄存器作为偏移来更新视频内存。我们现在用途:使用:

mov word [es:di], ax


把一个字移入视频存储器。

组装链接内核和Bootloader

在构建内核时遇到的一个问题是,你没有正确地生成一个可以直接加载到内存中的平面二进制映像。与其使用gcc -ffreestanding -o kernel.bin kernel.c,我建议这样做:

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


这将使用调试信息将 kernel.c 组装到 kernel.o-g)。然后,链接器将 kernel.o(32位 ELF 二进制)并生成一个名为 kernel.elfELF 可执行文件(如果您想调试内核,这个文件会很方便)。然后,我们使用 objcopy 获取ELF 32可执行文件 kernel.elf,并将其转换为平面二进制映像 * kernel.bin *。可以由BIOS加载。需要注意的一点是,使用-Tlinker.ld选项,我们要求 LD(链接器)从文件 linker.ld 中读取选项。这是一个简单的linker.ld,您可以使用它开始:

OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(main)

SECTIONS
{
    . = 0x9000;
    .text : { *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss  : { *(.bss) *(COMMON) }
}


这里需要注意的是,. = 0x9000告诉链接器它应该产生一个将在内存地址 * 0x 9000 * 加载的可执行文件。0x9000似乎是你在问题中放置内核的地方。其余的行提供了需要包含到内核中才能正常工作的 C 部分。
我建议在使用 NASM 时做一些类似的事情,而不是这样做nasm -f bin -o boot.bin bootloader.asm

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


这类似于编译 C 内核。我们在这里不使用链接器脚本,但我们确实告诉链接器生成我们的代码,假设代码( Bootstrap )将在 * 0x 7 c 00 * 加载。
要做到这一点,你需要从 bootloader.asm删除这一行:

[ORG 0x7c00]

编译内核(kernel.c)

kernel.c 文件修改为:

/* 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 */
}


bootloader.asm 中,我们应该调用main函数(它将被放置在0x 9000处),而不是跳到它。而不是:

jmp 0x9000


将其更改为:

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


调用后的代码将在 C 函数main返回时执行。这是一个简单的循环,它将有效地停止处理器并无限期地保持这种状态,因为我们没有地方可以返回。

完成所有建议更改后的代码

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

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

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

kernel.c

/* 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 */
}

linker.ld

OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(main)

SECTIONS
{
    . = 0x9000;
    .text : { *(.text.start) *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss  : { *(.bss) *(COMMON) }
}

使用QEMU使用DD /DD 2创建磁盘镜像

如果您使用上面的文件,并使用这些命令生成所需的引导加载程序和内核文件(如前所述)

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


您可以使用以下命令生成磁盘映像(在本例中,我们将其设置为软盘大小):

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


这将创建一个大小为5122880字节(1.44 MB软盘的大小)的填充零的磁盘映像。dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 conv=notrunc将 * Boot .bin 写入文件的第一个扇区而不截断磁盘映像。dd if=kernel.bin of=disk.img bs=512 seek=1 conv=notrunckernel.bin 从第二个扇区开始放入磁盘映像。seek=1在写入之前跳过第一个块(bs=512)。
如果你想运行你的内核,你可以在 QEMU 中以软盘驱动器A:(-fda)的形式启动它,如下所示:

qemu-system-i386 -fda disk.img

您还可以使用 QEMU 和GNU调试器(GDB)调试您的32位内核,这些调试信息是我们在使用上述说明编译/组装代码时生成的。

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'


此示例使用远程调试器启动 QEMU,并使用文件disk.img模拟软盘(我们用 DD 创建)。GDB 使用kernel.elf启动(我们用调试信息生成的文件),然后连接到 QEMU,并在 C 中的 function main()处设置断点当调试器最终准备就绪时,你会被提示按<return>继续。幸运的话,你应该在调试器中查看函数 main

yebdmbv4

yebdmbv42#

我想我知道为什么它不工作, Bootstrap 必须理解ISO 9660结构,当你把它放入ISO文件,因为作为一个新兴的文件,不理解ISO文件系统,它不知道内核在哪里,我宁愿你测试原始文件在qemu一起。

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