JamesM's kernel development tutorials - 1. díl

Nastavení prostředí
Překlad jednoho z nejlepších tutoriálů pro začínající OS vývojáře od Jamese Molloye (www.jamesmolloy.co.uk).

Chtěl bych poděkovat Jamesi Molloyovi, který mi dovolil jeho tutoriál(y) přeložit. Tuším, že se tak stanou vůbec prvními svého druhu na českém Internetu.

Kontakt na autora:

• www.jamesmolloy.co.uk – autorův „internetový domov“, najdete zde jednak tutoriály v originálním anglickém podání, jednak „Jimix“ – jádro psané v C++
• james<at>jamesmolloy.co.uk – emaily na tuto adresu pište prosím POUZE v angličtině.

Potřebujeme základ pro návrh a tvorbu našeho jádra. Budu předpokládat, že používáte systém *nix s programovacími nástroji GNU. Pokud byste chtěli používat systém Windows, budete se muset poohlédnout buďto po cygwin (což je kolekce programů, snažící se emulovat *nix) nebo po DJGPP. Žádný z nich vám ovšem nezaručí funkčnost makefilů a příkazů použitých v tomto seriálu.

Struktura adresáře

Takto vypadá můj adresář:

tutorial
 |
 +-- src
 |
 +-- docs

Všechny zdrojové kódy přijdou do src a všechna vaše dokumentace (budete psát dokumentaci? ;) ) by měla přijít do docs.

Kompilace

Příklady v tutoriálu byste měli úspěšně zkompilovat se sadou programovacích nástrojů GNU (gcc, ld, gas, atd). Zdrojáky v assembleru jsou napsány syntaxí Intel, která je (můj osobní názor) o mnoho čitelnější než AT&T syntaxe používaná GNU AS. Budete tedy potřebovat i Netwide Assembler.

Tento tutoriál se nezabývá programováním bootloaderu. K nahrávání našeho jádra budeme používat GRUB. K tomu potřebujeme obraz diskety s přednahraným GRUBem. Existují sice tutoriály zabývající se touto problematikou, ale já jsem naštestí vytvořil standardní obraz, který naleznete zde. Zkopírujte ho do vašeho tutorial (nebo jak jste si ho pojmenovali) adresáře.

Spuštění

Svoje jádro nemůžete testovat na počítači se zavedeným operačním systémem. Naneštěstí vám počítač bez OS nedokáže říct, kde došlo k chybě (i když vy samozřejmě napíšete absolutně bezchybný kód hned napoprvé, že?) Tady se nabízí bochs - open-source x86-64 emulátor. Když se něco nepovede, bochs vám to poví a navíc uloží stav procesoru, což je velice užitečné. Taktéž ho spustíte či restartujete daleko rychleji než opravdový počítač. Moje příklady na něm budou perfektně fungovat.

Bochs

Abyste zprovoznili bochs, potřebujete jeho konfigurační soubor (bochsrc.txt). Shodou okolností se dále jeden nachází!

Budtě opatrní s umístěním souborů biosu. Zdá se, že se mění během instalace, a pokud jste si bochs kompilovali sami, je velice pravděpodobné, že soubory nebudete mít. Pokuste se je vygooglit - kromě jiných si je můžete stáhnout i z oficiálních stránek bochsu.

megs: 32
romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest, address=0xf0000
vgaromimage: /usr/share/bochs/VGABIOS-elpin-2.40
floppya: 1_44=/dev/loop0, status=inserted
boot: a
log: bochsout.txt
mouse: enabled=0
clock: sync=realtime
cpu: ips=500000

Užitečné scripty

Několik úkonů budeme provádět velmi často - vytvářet (kompilovat a linkovat) projekt a přenášet výsledné jádro na náš obraz diskety.

Makefile

# Makefile pro JamesM's kernel tutorials.
# Pravidla pro C a C++ jsou defaultně nastaveny.
# Jediné, co musíme změnit, jsou parametry pro assembler, 
# jelikož používáme NASM namísto GNU AS

SOURCES=boot.o

CFLAGS=
LDFLAGS=-Tlink.ld
ASFLAGS=-felf

all: $(SOURCES) link

clean:
	-rm *.o kernel

link:
	-ld $(LDFLAGS) -o kernel $(SOURCES)

.s.o:
	nasm $(ASFLAGS) $<

Makefile zkompiluje každý zdroják v SOURCES a pak je zlinkuje dohromady do jediného ELF souboru, kernel. K tomu použije script link.ld:

link.ld

/* link.ld -- linker script pro jádro - zajístí, že všechno přijde na správné místo
 * Originální script převzat z Bran's Kernel Development tutorials:
 * http://www.osdever.net/bkerndev/index.php.
*/

ENTRY(start)
SECTIONS
{
  .text 0x100000 :
  {
    code = .; _code = .; __code = .;
    *(.text)
    . = ALIGN(4096);
  }

  .data :
  {
     data = .; _data = .; __data = .;
     *(.data)
     *(.rodata)
     . = ALIGN(4096);
  }

  .bss :
  {
    bss = .; _bss = .; __bss = .;
    *(.bss)
    . = ALIGN(4096);
  }

  end = .; _end = .; __end = .;
}

Tento script poví LD, jakým způsobem má sestavit obraz jádra. První řádek říká, že startovní pozicí naší "binárky" by měl být symbol start. Následně určíme, aby sekce .text (tam přijde všechen kód) byla přede všemi ostatními a začínala na adrese 0x100000 (1MB). Sekce .data (inicializovaná statická data) a .bss (neinicializovaná statická data) budou hned za .text, každá zarovnaná na začátek stránky (ALIGN(4096)). Linuxovský GCC také často přidává speciální sekci dat: .rodata. Ta je pro read-only inicializovaná data, např. konstanty. Pro jednoduchost ji nacpeme do sekce .data.

update_image.sh

Drobounký script, který přenese naše nové jádro na obraz diskety (Předpokladem k úspešnému provedení scriptu je existence adresáře /mnt). Pozor: budete potřebovat /sbin v $PATH, abyste mohli použít losetup.

#!/bin/bash

sudo losetup /dev/loop0 floppy.img
sudo mount /dev/loop0 /mnt
sudo cp src/kernel /mnt/kernel
sudo umount /dev/loop0
sudo losetup -d /dev/loop0

run_bochs.sh

Tento script připojí "loopback" zařížení, spustí na něm bochs a následně ho opět odpojí.

#!/bin/bash

sudo /sbin/losetup /dev/loop0 floppy.img
sudo bochs -f bochsrc.txt
sudo /sbin/losetup -d /dev/loop0