The Real Hello World

The Real Hello World 

В этой статье мы напишем... собственную мини-ОС. Да да, создадим свою собственную операционную систему. Правда система будет грузиться с дискеты и выводить знакомое Hello World, но согласитесь, это произведет впечатление и на вас, и на ваших друзей. Ведь именно Вы создадите СВОЮ

мини-ОС.

1. Идея (hello.c)

Изучение нового языка программирования начинается, как правило, с написания простенькой программы, выводящей на экран краткое приветствие типа "Hello World!". Например, для C это будет выглядить приблизительно так.

main()

{

printf("Hello World!\n");

}

Показательно, но совершенно не интересно. Программа, конечно работает, режим защищенный, но ведь для ее функционирования требуется ЦЕЛАЯ операционная система. А что если написать такой "Hello World", для которого ничего не надо. Вставляем дискетку в компьютер, загружаемся с нее и ..."Hello World". Можно даже прокричать это приветствие из защищенного режима.

Сказано - сделано. С чего бы начать?.. Набраться знаний, конечно. Для этого очень хорошо полазить в исходниках Linux и Thix. Первая система всем хорошо знакома, вторая менее известна, но не менее полезна.

Подучились? ... Понятно, что сперва надо написать загрузочный сектор для нашей мини-опрерационки (а ведь это именно мини-операционка). Поскольку процессор грузится в 16-разрядном режиме, то для созджания загрузочного сектора используется ассемблер и линковщик из пакета bin86. Можно, конечно, поискать еще что-нибудь, но оба наших примера используют именно его и мы тоже пойдет по стопам учителей. Синтаксис этого ассемблера немколько странноватый, совмещающий черты, характерные и для Intel и для AT&T (за подробностями направляйтесь в Linux-Assembly-HOWTO), но после пары недель мучений можно привыкнуть.

2. Загрузочный сектор (boot.S)

Сознательно не буду приводить листингов программ. Так станут понятней основные идеи, да и вам будет намного приятней, если все напишите своими руками.

Для начала определимся с основными константами.

START_HEAD = 0 - Головка привода, которою будем использовать.

START_TRACK = 0 - Дорожка, откуда начнем чтение.

START_SECTOR = 2 - Сектор, начиная с которого будем считывать наше ядрышко.

SYSSIZE = 10 - Размер ядра в секторах (каждый сектор содержит 512 байт)

FLOPPY_ID = 0 - Идентификатор привода. 0 - для первого, 1 - для второго

HEADS = 2 - Количество головок привода.

SECTORS = 18 - Количество дорожек на дискете. Для формата 1.44 Mb это количество равно 18.

В процессе загрузки будет происходить следующее. Загрузчик BIOS считает первый сектор дискеты, положит его по адресу 0000:0x7c00 и передаст туда управление. Мы его получим и для начала переместим себя пониже по адресу 0000:0x600, перейдем туда и спокойно продолжим работу. Собственно вся наша работа будет состоять из загрузки ядра (сектора 2 - 12 первой дорожки дискеты) по адресу 0x100:0000, переходу в защищенный режим и скачку на первые строки ядра. В связи с этим еще несколько констант:

BOOTSEG = 0x7c00 - Сюда поместит загрузочный сектор BIOS.

INITSEG = 0x600 - Сюда его переместим мы.

SYSSEG = 0x100 - А здесь приятно расположится наше ядро.

DATA_ARB = 0x92 - Определитель сегмента данных для дескриптора

CODE_ARB = 0x9A - Определитель сегмента кода для дескриптора.

Первым делом произведем перемещение самих себя в более приемлемое место.

cli

xor ax, ax

mov ss, ax

mov sp, #BOOTSEG

mov si, sp

mov ds, ax

mov es, ax

sti

cld

mov di, #INITSEG

mov cx, #0x100

repnz

movsw

jmpi go, #0 ; прыжок в новое местоположение

загрузочного сектора на метку go

Теперь необходимо настроить как следует сегменты для данных (es, ds) и для стека. Это конечно неприятно, что все приходится делать вручную, но что делать. Ведь нет никого в памяти компьютера, кроме нас и BIOS.

go:

mov ax, #0xF0

mov ss, ax

mov sp, ax ; Стек разместим как 0xF0:0xF0 = 0xFF0

mov ax, #0x60 ; Сегменты для данных ES и DS зададим в 0x60

mov ds, ax

mov es, ax

Наконец можно вывести победное приветствие. Пусть мир узнает, что мы смогли загрузиться. Поскольку у нас есть все-таки еще BIOS, воспользуемся готовой функцией 0x13 прерывания 0x10. Можно конечно презреть его и написать напрямую в видеопамять, но у нас каждый байт команды на счету, а байт таких всего 512. Потратим их лучше на что-нибудь более полезное.

mov cx,#18

mov bp,#boot_msg

call write_message

Функция write_message выгдядит следующим образом

write_message:

push bx

push ax

push cx

push dx

push cx

mov ah,#0x03 ; прочитаем текущее положение курсора,

дабы не выводить сообщения где попало.

xor bh,bh

int 0x10

pop cx

mov bx,#0x0007 ; Параметры выводимых символов :

видеостраница 0, аттрибут 7 (серый на черном)

mov ax,#0x1301 ; Выводим строку и сдвигаем курсор.

int 0x10

pop dx

pop cx

pop ax

pop bx

ret

А сообщение так

boot_msg:

.byte 13,10

.ascii "Booting data ..."

.byte 0

К этому времени на дисплее компьютера появится скромное "Booting data ..." . Это в принципе уже "Hello World", но давайте добьемся чуточку большего. Перейдем в защищенный режим и выведем этот "Hello" уже из программы написаной на C.

Ядро 32-разрядное. Оно будет у нас размещаться отдельно от загрузочного сектора и собираться уже gcc и gas. Синтаксис ассемблера gas соответсвует требованиям AT&T, так что тут уже все проще. Но для начала нам нужно прочитать ядро. Опять воспользуемся готовой функцией 0x2 прерывания 0x13.

recalibrate:

mov ah, #0

mov dl, #FLOPPY_ID

int 0x13 ; производим переинициализацию дисковода.

jc recalibrate

call read_track ; вызов функции чтения ядра

jnc next_work ; если во время чтения не произошло ничего

плохого то работаем дальше

bad_read:

; если чтение произошло неудачно то выводим сообщение об ошибке

mov bp,#error_read_msg

mov cx,7

call write_message

inf1: jmp inf1 ; и уходим в бесконечный цикл.

Теперь нас спасет только ручная перезагрузка

Сама функция чтения предельно простая: долго и нудно заполняем параметры, а затем одним махом считываем ядро. Усложнения начнуться, когда ядро перестанет помещаться в 17 секторах ( то есть 8.5 kb), но это пока только в будущем, а пока вполне достаточно такого молниеносного чтения.

read_track:

pusha

push es

push ds

mov di, #SYSSEG ; Определяем

mov es, di ; адрес буфера для данных

xor bx, bx

mov ch, #START_TRACK ;дорожка 0

mov cl, #START_SECTOR ;начиная с сектора 2

mov dl, #FLOPPY_ID

mov dh, #START_HEAD

mov ah, #2

mov al, #SYSSIZE ;считать 10 секторов

int 0x13

pop ds

pop es

popa

ret

Вот и все. Ядро успешно прочитано и можно вывести еще одно радостное сообщение на экран.

next_work:

call kill_motor ; останавливаем привод дисковода

mov bp,#load_msg ; выводим сообщение

mov cx,#4

call write_message

Вот содержимое сообщения

load_msg:

.ascii "done"

.byte 0

А вот функция остановки двигателя привода.

kill_motor:

push dx

push ax

mov dx,#0x3f2

xor al,al

out dx,al

pop ax

pop dx

ret

На данный момент на экране выведено "Booting data ...done" и лампочка привода флоппи-дисков погашена. Все затихли и готовы к смертельному номеру - прыжку в защищенный режим.

Для начала надо включить адресную линию A20. Это в точности означает, что мы будем использовать 32-разрядную адресацию к данным.

mov al, #0xD1 ; команда записи для 8042

out #0x64, al

mov al, #0xDF ; включить A20

out #0x60, al

Выведем предупреждающее сообщение, о том, что переходим в защищенный режим. Пусть все знают, какие мы важные.

protected_mode:

mov bp,#loadp_msg

mov cx,#25

call write_message

(Сообщение:

loadp_msg:

.byte 13,10

.ascii "Go to protected mode..."

.byte 0

)

Пока еще у нас жив BIOS, запомним позицию курсора и сохраним ее в известном месте ( 0000:0x8000 ). Ядро позже заберет все данные и будет их использовать для вывода на экран победного сообщения.

save_cursor:

mov ah,#0x03 ; читаем текущую позицию курсора

xor bh,bh

int 0x10

seg cs

mov [0x8000],dx ;сохраняем в специальном тайнике

Теперь внимание, запрещаем прерывания (нечего отвлекаться во время такой работы) и загружаем таблицу дескрипторов

cli

lgdt GDT_DESCRIPTOR ; загружаем описатель таблицы дескрипторов.

У нас таблица дескрипторов состоит из трех описателей: Нулевой (всегда должен присутствовать), сегмента кода и сегмента данных

.align 4

.word 0

GDT_DESCRIPTOR: .word 3 * 8 - 1 ; размер таблицы

дескрипторов

.long 0x600 + GDT ; местоположение

таблицы дескрипторов

.align 2

GDT:

.long 0, 0 ; Номер 0: пустой

дескриптор

.word 0xFFFF, 0 ; Номер 8:

дескриптор кода

.byte 0, CODE_ARB, 0xC0, 0

.word 0xFFFF, 0 ; Номер 0x10:

дескриптор данных

.byte 0, DATA_ARB, 0xCF, 0

Переход в защищенный режим может происходить минимум двумя способами, но обе ОС , выбранные нами для примера (Linux и Thix) используют для совместимости с 286 процессором команду lmsw. Мы будем действовать тем же способом

mov ax, #1

lmsw ax ; прощай реальный режим. Мы теперь

находимся в защищенном режиме.

jmpi 0x1000, 8 ; Затяжной прыжок на 32-разрядное ядро.

Вот и вся работа загрузочного сектора - немало, но и немного. Теперь мы попрощаемся с ним и направимся к ядру.

В конце ассемблерного файла полезно добавить следующую инструкцию.

.org 511

end_boot: .byte 0

В результате скомпилированный код будет занимать ровно 512 байт, что очень удобно для подготовки образа загрузочного диска.

3. Первые вздохи ядра (head.S)

Ядро к сожалению опять начнется с ассемблерного кода. Но теперь его будет совсем немного.

Мы собственно зададим правильные значения сегментов для данных (ES, DS, FS, GS). Записав туда значение соответствующего дескриптора данных.

cld

cli

movl $(__KERNEL_DS),%eax

movl %ax,%ds

movl %ax,%es

movl %ax,%fs

movl %ax,%gs

Проверим, нормально ли включилась адресная линия A20 простым тестом записи. Обнулим для чистоты эксперимента регистр флагов.

xorl %eax,%eax

1: incl %eax

movl %eax,0x000000

cmpl %eax,0x100000

je 1b

pushl $0

popfl

Вызовем долгожданную функцию, уже написанную на С.

call SYMBOL_NAME(start_my_kernel)

И больше нам тут делать нечего.

inf: jmp inf

4. Поговорим на языке высокого уровня (start.c)

Вот теперь мы вернулись к тому с чего начинали рассказ. Почти вернулись, потому что printf() теперь надо делать вручную. поскольку готовых прерываний уже нет, то будем использовать прямую запись в видеопамять. Для любопытных - почти весь код этой части , с незначительными изменениями, повзаимствован из части ядра Linux, осуществляющей распаковку (/arch/i386/boot/compressed/*). Для сборки вам потребуется дополнительно определить такие макросы как inb(), outb(), inb_p(), outb_p(). Готовые определения проще всего одолжить из любой версии Linux.

Теперь, дабы не путаться со встроенными в glibc функциями, отменим их определение

#undef memcpy

Зададим несколько своих

static void puts(const char *);

static char *vidmem = (char *)0xb8000; /*адрес видеопамати*/

static int vidport; /*видеопорт*/

static int lines, cols; /*количество линий и строк на экран*/

static int curr_x,curr_y; /*текущее положение курсора */

И начнем, наконец, писать код на языке высокого уровня... правда с небольшими ассемблерными вставками.

/*функция перевода курсора в положение (x,y). Работа ведется через ввод/вывод в видеопорт*/

void gotoxy(int x, int y)

{

int pos;

pos = (x + cols * y) * 2;

outb_p(14, vidport);

outb_p(0xff & (pos >> 9), vidport+1);

outb_p(15, vidport);

outb_p(0xff & (pos >> 1), vidport+1);

}

/*функция прокручивания экрана. Работает, используя прямую запись в видеопамять*/

static void scroll()

{

int i;

memcpy ( vidmem, vidmem + cols * 2, ( lines - 1 ) * cols * 2 );

for ( i = ( lines - 1 ) * cols * 2; i < lines * cols * 2; i += 2 )

vidmem[i] = ' ';

}

/*функция вывода строки на экран*/

static void puts(const char *s)

{

int x,y;

char c;

x = curr_x;

y = curr_y;

while ( ( c = *s++ ) != '\0' ) {

if ( c == '\n' ) {

x = 0;

if ( ++y >= lines ) {

scroll();

y--;

}

} else {

vidmem [ ( x + cols * y ) * 2 ] = c;

if ( ++x >= cols ) {

x = 0;

if ( ++y >= lines ) {

scroll();

y--;

}

}

}

}

gotoxy(x,y);

}

/*функция копирования из одной области памяти в другую. Заместитель стандартной функции glibc */

void* memcpy(void* __dest, __const void* __src,

unsigned int __n)

{

int i;

char *d = (char *)__dest, *s = (char *)__src;

for (i=0;i<__n;i++) d[i] = s[i];

}

/*функция издающая долгий и протяжных звук. Использует только ввод/вывод в порты поэтому очень полезна для отладки*/

make_sound()

{

__asm__("

movb $0xB6, %al\n\t

outb %al, $0x43\n\t

movb $0x0D, %al\n\t

outb %al, $0x42\n\t

movb $0x11, %al\n\t

outb %al, $0x42\n\t

inb $0x61, %al\n\t

orb $3, %al\n\t

outb %al, $0x61\n\t

");

}

/*А вот и основная функция*/

int start_my_kernel()

{

/*задаются основные параметры */

vidmem = (char *) 0xb8000;

vidport = 0x3d4;

lines = 25;

cols = 80;

/*считывается предусмотрительно сохраненные координаты курсора*/

curr_x=*(unsigned char *)(0x8000);

curr_y=*(unsigned char *)(0x8001);

/*выводится строка*/

puts("done\n");

/*уходим в бесконечный цикл*/

while(1);

}

Вот и вывели мы этот "Hello World" на экран. Сколько проделано работы, а на экране только две строчки

Booting data ...done

Go to proteсted mode ...done

Немного, но и немало. Закричала новая операционная система. Мир с радостью воспринял ее. Кто знает, может быть это новый Linux ...

5. Подготовка загрузочного образа (floppy.img)

Итак, подготовим загрузочный образ нашей системки.

Для начала соберем загрузочный сектор.

as86 -0 -a -o boot.o boot.S

ld86 -0 -s -o boot.img boot.o

Обрежем 32 битный заголовок и получим таким образом чистый двоичный код.

dd if=boot.img of=boot.bin bs=32 skip=1

Соберем ядро

gcc -traditional -c head.S -o head.o

gcc -O2 -DSTDC_HEADERS -c start.c

При компоновке НЕ ЗАБУДБЬТЕ параметр "-T" он указывает относительно которого смещения вести расчеты, в нашем случае поскольку ядро грузится по адресy 0x1000, то и смещение соотетствующее

ld -m elf_i386 -Ttext 0x1000 -e startup_32 head.o start.o -o head.img

Очистим зерна от плевел, то есть чистый двоичный код от всеческих служебных заголовков и комментариев

objcopy -O binary -R .note -R .comment -S head.img head.bin

И соединяем воедино загрузочный сектор и ядро

cat boot.bin head.bin >floppy.img

Образ готов. Записываем на дискетку (заготовьте несколько для экспериментов, я прикончил три штуки) перезагружаем компьютер и наслаждаемся.

cat floppy.img >/dev/fd0

6. Е-мое, что ж я сделал (...)

Здорово, правда? Приятно почувствовать себя будущим Торвальдсом или кем-то еще. Красная линия намечена, можно смело идти вперед, дописывать и переписывать систему. Описанная процедура пока что едина для множества операционных систем, будь то UNIX или Windows. Что напишете Вы? ... не знает не кто. Ведь это будет Ваша система.