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.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.soch.imperium.by