转载注明出处：http://www.cnblogs.com/lucasysfeng/p/4847662.html
上一讲地址：http://www.cnblogs.com/lucasysfeng/p/4846119.html
项目地址：https://github.com/lucasysfeng/lucasOS
上一讲我们介绍了计算机的启动流程，并给出了一份简单的主引导记录代码，此份代码仅仅是显示几个字符，并没有做它本应该做的事--启动内核。本讲我们首先看下内核是如何被启动的，然后写一个简单的内核，用已经实现的主引导记录配合GRUB启动它。
如何启动内核
前一讲我们说到，计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后，会运行事先安装的“启动管理器”bootloader，由用户选择启动哪个内核，之后就会载入内核，将控制权交给内核。GNU GRUB（GRand Unified Bootloader）就是一种bootloader，满足多重引导规范（The Multiboot Specification），GRUB可选择操作系统分区上的不同内核，下图就是GRUB的图形界面：
图 GRUB界面
能够被GRUB启动的内核需要满足两个的条件:
(1) 内核的前8K字节内必须要包含多重引导规范的头信息（Multiboot Header）；
(2) 内核要加载在内存地址的1MB以上。
那么Multiboot Header是什么样子的呢？它必须包含4字节对齐的3个域（还有其他非必须域，我们不讨论），如下：
魔数域（magic）：标志头的魔数，必须等于 0x1BADB002。。
标志域（flag）：是否需要引导程序支持某些特性，我们不关心这些特性，这个标志置为0。
校验域（checksum）：校验等式是否成立（magic + flags + checksum = 0）
本文不讨论GRUB的实现，我们会用前人已经写好的GRUB（笔者会给出），我们要做的是完成符合GRUB启动规范的内核。为了完成这个内核，我们需要写少量的汇编用来在内核中加入Multiboot Header，然后用C语言写内核入口，最后将汇编目标代码和C语言目标代码链接起来生成真正的内核。下面就让我们一步步地完成这些吧！
第一步 汇编入口
1. 汇编代码如下：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
|
; 文件名 boot.asm
; Copyright: www.cnblogs.com/lucasysfeng
MBOOT_MAGIC equ 0x1BADB002 ; multiboot magic域，必须为此值
MBOOT_FLAGS equ 0x00 ; multiboot flag域, GRUB启动时是否要做一些特殊操作
MBOOT_CHECKSUM equ -(MBOOT_MAGIC + MBOOT_FLAGS) ; multiboot checksum域，校验上面两个域是否正确
[BITS 32] ; 以32位编译
section .text
dd MBOOT_MAGIC
dd MBOOT_FLAGS
dd MBOOT_CHECKSUM
dd start
[GLOBAL start]
[EXTERN kernel_main] ; 内核入口函数, EXTERN表明此符号在外部定义
start:
cli ; 禁用中断
call kernel_main ; 调用内核入口函数
jmp $ ; 无限循环
|
在上面汇编中，我们定义了GRUB启动需要的域MBOOT_MAGIC、MBOOT_FLAGS和MBOOT_CHECKSUM，并调用了内核入口函数kernel_main, kernel_main下一节实现。
2. 编译生成目标文件boot.o
# nasm -f elf boot.asm -o boot.o
运行上面命令后会生成目标文件boot.o，-f elf的意思是生成ELF格式的目标代码。
第二步 内核入口
1. 内核代码如下：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
|
/****************************************************
# Copyright(c) www.cnblogs.com/lucasysfeng, all rights reserved
# File : kernel.c
# Author : lucasysfeng
# Description : 内核入口函数
****************************************************/
int
kernel_main()
{
// 显存开始地址
char
*display_buf = (
char
*)0xb8000;
// 清屏
unsigned
int
i = 0;
const
unsigned
int
total = 80 * 25 * 2;
// 一屏25行，每行80个字符，每个字符2个字节
while
(i < total)
{
display_buf[i++] =
' '
;
display_buf[i++] = 0x04;
// 颜色
}
// 显示字符
const
char
*str =
"Hello World, welcome to kernel!"
;
for
(i = 0;
'\0'
!= *str;)
{
display_buf[i++] = *(str++);
display_buf[i++] = 0x04;
}
return
0;
}
|
0xb8000h是显存开始的地址，读者可以看第一讲（http://www.cnblogs.com/lucasysfeng/p/4846119.html）“实模式内存地址空间分布”那张图，找到0xb8000h这个地址。从0xb8000h这个地址开始，每2个字节表示一个字符，前一个字节是字符的ASCII码，后一个字节是这个字符的颜色和属性，颜色和属性此处先不用关心。这段C代码的其余部分相信读者都能看得懂，我就不过多解释了。
2. 编译生成目标文件kernel.o
# gcc -m32 -c -o kernel.o kernel.c
运行上面命令后，目标文件kernel.o就生成了。
第三步 生成内核
上面讲到了能被GRUB启动的内核需要满足的条件：
(1) 内核的前8K字节内必须要包含多重引导规范的头信息（Multiboot Header）；
(2) 内核要加载在内存地址的1MB以上。
我们将头信息放在了汇编生成的目标文件boot.o中，因此我们需要将boot.o和kernel.o链接到一起生成真正的kernel,并且这个真正的内核要加载到1MB内存上，为此，我们需要下面的链接脚本和命令(关于链接脚本的使用自行google)：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
|
/***************************
* 文件名: link.ld
***************************/
ENTRY(start)
SECTIONS
{
. = 0x100000;
.text :
{
*(.text)
. = ALIGN(4096);
}
.data :
{
*(.data)
*(.rodata)
. = ALIGN(4096);
}
}
|
我们用ld命令链接目标文件boot.o和kernel.o，指明使用链接脚本link.ld:
# ld -T link.ld -m elf_i386 -nostdlib boot.o kernel.o -o kernel
运行上面命令后，会生成我们要启动的真正的内核kernel，那么这个kernel是否满足GRUB启动规范呢？我们可以通过反汇编来看一下：
# objdump -d kernel | head -n30
结果如下图所示，我们看到100000了吗，这个就是.text段起始的地址即1M，看到02 b0 ad 1b 00 00了吗，这个就是GRUB魔数域1b ad b0 02（大小端问题，反向存储）
第四步 将内核拷贝到软盘镜像
我们这里不制作软盘镜像，而是使用已经制作好的软盘镜像，镜像名称lucasOS.img，已经放在github上了。我们也无需制作GRUB，这个软盘镜像已经包含了GRUB.我们要做的是把内核文件kernel拷贝到软盘镜像lucasOS.img中。
1. 获取lucasOS.img软盘镜像。
lucasOS目录下的lucasOS.img就是我们要的软盘镜像。
# git clone https://github.com/lucasysfeng/lucasOS.git
2. 创建挂载点。
# sudo mkdir /mnt/lucasOS
3. 挂载软盘镜像。
注意把lucasOS.img改为你的lucasOS.img所在路径。
# sudo mount lucasOS.img /mnt/lucasOS
4. 把内核文件拷贝到软盘镜像中。
注意把kernel改为你的kernel所在路径。
# sudo cp kernel /mnt/lucasOS/kernel
5. 卸载软盘镜像。
# sudo umount /mnt/lucasOS
第五步 启动内核
上一讲我们用软盘镜像启动了一个空的虚拟机，下面用同样地操作启动虚拟机，要记得把软盘镜像lucasOS.img从ubuntu拷贝到windows下。这里我们使用VMware创建虚拟机，当然也可以使用其他软件创建虚拟机。
1. 创建空的虚拟机，去掉开机从CD/DVD启动选项。
2. 网络选择host-only模式。
3. 选择从软盘驱动，路径选择已经拷贝到windows下的镜像lucasOS.img.
4. 开启虚拟机电源，看到如下的画面（约停留2s），恭喜你，GRUB成功了！
5. GRUB启动成功后，会自动载入内核，出现下面画面，恭喜你，载入内核成功！
好了，至此，我们完成了内核的启动流程，下一讲我们开始内核之旅！
代码获取
本系列GitHub地址 https://github.com/lucasysfeng/lucasOS，用下面命令获取代码:
# git clone https://github.com/lucasysfeng/lucasOS.git
本讲的代码是code/chapter2，笔者已经将上面的命令集成到Makefile中了，读者只需进入目录，按ReadMe.txt说明执行即可，有问题请留言。