操作系统实战45讲：HelloOS运行笔记

Posted 2022-03-29 嵌入式基地

本篇文章主要记录《极客时间-操作系统实战45讲》的第一个实验HelloOS的实现过程。

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1.实验环境：

1.1 系统环境

• Ubuntu 20.04.2.0 LTS
• vmware虚拟机

  1.2 安装编译环境

• 安装汇编编译器

sudo apt-get install nasm

• 安装gcc（该命令会安装包括gcc在内的所有软件）

sudo apt install build-essential

2. HelloOS实现说明

2.1 HelloOS文件构成

• entry.asm
  • 供grub调用的引导程序，用于设置CPU工作模式与工作环境，并调用C语言编写的main函数

• main.c

  • 打印字符串

    #include "vgastr.h"
    void main() 
    printf("Hello OS!");
    return;
    

• vgastr.c / vgastr.h

  • 实现在显示屏上输出信息

    
    void _strwrite(char *string) 
    char *p_strdst = (char *)(0xb8000);  //指向显存开始的地址
    while(*string) 
    *p_strdst = *string++;
    p_strdst += 2;  //每两个字节对应一个字符，其中一个字节是字符的ASCII码，另一个字节为字符的的颜色值
    
    return;
    

  void printf(char *fmt, ...)
  _strwrite(fmt);
  return;
  

• hello.lds

  • 链接器脚本，用于指导链接过程，设定不同程序段的布局

    ENTRY(_start)
    OUTPUT_ARCH(i386)
    OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
    SECTIONS
    
    . = 0x200000;
    __begin_start_text = .;
    .start.text : ALIGN(4)  *(.start.text) 
    __end_start_text = .;
    
    __begin_text = .;
    .text : ALIGN(4)  *(.text) 
    __end_text = .;
    
    __begin_data = .;
    .data : ALIGN(4)  *(.data) 
    __end_data = .;
    
    __begin_rodata = .;
    .rodata : ALIGN(4)  *(.rodata) *(.rodata.*) 
    __end_rodata = .;
    
    __begin_kstrtab = .;
    .kstrtab : ALIGN(4)  *(.kstrtab) 
    __end_kstrtab = .;
    
    __begin_bss = .;
       .bss : ALIGN(4)  *(.bss) 
    __end_bss = .;
    

• Makefile
  • 编译脚本

    2.2 屏幕显示说明

    若想使用屏幕显示出字符，则需要使用代码对显卡进行控制。

不论是集显、核显、独显，它们都支持VESA标准，该标准有两种工作模式：字符模式与图形模式。这些显卡为了兼容VESA标准，他们都会提供VGABios的固件程序。

2.2.1 显卡的字符模式

在字符模式下，屏幕将会被分为24行，每行80个字符，然后将这24 * 80个字符映射到从0xb8000地址开始的内存中，每两个字节对应一个字符，一个字节对应字符的ASCII码，一个字节对应字符的颜色。

更多关于显卡文本模式下输出字符，可参考下文的chapter 2：点击查看

2.3 部署HelloOS

部署之前，首先了解下HelloOS的引导流程

PC机的BIOS固化在主板上的ROM中，上电后第一条指令就是BIOS固件中的，它负责检测与初始化CPU，内存，主板，之后加载引导设备中的第一个扇区，到0x7c00地址开始的内存空间，然后跳转到0x7c00处执行指令。

本次实验使用的是GRUB引导程序。

2.3.1 准备文件

2.3.1.1 编译HelloOS

• 将生成的HelloOS.bin文件复制到boot文件夹下。（也可将bin文件放置在其他文件夹下，不过一般放在boot中）
  • sudo mv HelloOS.bin /boot/

    2.3.1.2 修改启动项等待时间

• 修改默认启动项的等待时间，打开grub文件，修改GRUB_TIMEOUT参数，默认为10s

  • sudo gedit /etc/default/grub
    
  • 修改之后使用以下命令更新文件设置，该命令会将/boot/grub/grub.cfg文件给初始化，若之前有所修改，则需要再次进行修改
  • sudo update-grub

    2.3.1.3 虚拟机添加启动项

  • 打开grub.cfg文件：sudo gedit /boot/grub/grub.cfg
  • 在文件中插入以下代码
  • 代码之间使用的是空格，不能是tab键或其他字符（tab键将会导致启动时找不到相关命令）

    menuentry HelloOS 
    insmod part_msdos     #GRUB加载分区模块识别分区
    insmod ext2           #GRUB加载ext文件系统模块识别ext文件系统
    set root=hd0,msdos5 #注意boot目录挂载的分区，这是我机器上的情况
    multiboot2 /boot/HelloOS.bin  #GRUB以multiboot2协议加载HelloOS.bin
    boot
    

  • insmod 与 set root说明

  • multiboot2说明
    • 该参数是HelloOS.bin文件存放的路径，该参数设置错误的话，启动HelloOS时将会出现“HelloOS.bin not found”错误
    • boot挂载情况主要分为两种：独立分区单独挂载 与 属于根分区的一部分
    • 使用df -h /boot/ 命令查看boot的挂载情况，也可使用df -h查看所有的挂在
    • 属于根分区的一部分
    • multiboot2 /boot/HelloOS.bin
      
    • 独立分区单独挂载
    • multiboot2 /HelloOS.bin
      

      2.3.1.4 物理机添加启动项

• 参考 2.3.1.3 虚拟机添加启动项 进入grub引导界面，查看磁盘分区信息
  
  • 这里物理机的磁盘分区为gpt方式，修改insmod参数
  • insmod part_gpt
  • 使用ls (hdx,gptx)/或ls (hdx,gptx)/boot/命令进行查找bin文件（前者为单独分区，后者为属于根分区的一部分）
  • 启动代码

    menuentry HelloOS 
    insmod part_gpt #GRUB加载分区模块识别分区
    insmod ext2 #GRUB加载ext文件系统模块识别ext文件系统
    set root=hd0,gpt5 #注意boot目录挂载的分区，这是我机器上的情况
    multiboot2 /HelloOS.bin #GRUB以multiboot2协议加载HelloOS.bin
    boot #GRUB启动HelloOS.bin
    

• msdos与gpt这两种分区的区别：点击查看

  HelloOS运行结果

  
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