写下第一个linux内核

Hello World!

让我们编写一个简单的内核，可以在X86系统上加载GRUB引导程序。此内核将在屏幕上显示一条消息，然后挂起。

`x86`机器是如何启动的呢？

先看看机器如何启动并将控制转移到内核：

x86CPU 在物理地址[0xFFFFFFF0]处开始执行。实际上，它是32位地址空间的最后16个字节。该地址只含一条地址跳转指令，指向BIOS复制自身的内存中的地址。

因此，BIOS代码开始执行，BIOS首先按照配置过的引导设备顺序搜寻可引导设备，它会检查某个magic number去确定设备是否可引导。

一旦BIOS找到可引导设备，它就会从物理地址[0x7c00]处开始将设备第一个扇区的内容复制到RAM中。然后然后跳转到该地址并执行刚刚加载的代码——此代码称为引导加载程序。

接着，引导加载程序将内核加载到物理地址[0x100000]，地址[0x100000]用作x86计算机上所有大内核的起始地址。

我们需要什么？

一台x86的计算机
Linux
NASM汇编程序
gcc
ld (GNU Linker)
grub

源代码

在 **mkernel**中

使用汇编语言写程序入口

我们习惯用C语言编写所有的内容，但是我们无法避免一点儿汇编语言。我们将用x86汇编语言编写一个小文件，作为我们内核的起点。我们所有的汇编文件将会调用一个外部函数，我们将用C语言编写，然后暂停程序流。

那么我们如何确保此汇编代码作为内核的起点呢？

我们将使用链接脚本来链接目标文件以生成最终的内核可执行文件(后面会详细说明)。在此链接脚本文件中，我们将明确指定我们希望将二进制文件加载到地址[0x100000]。正如我们之前所说的那样，这个地址是内核预期的地方。因此，引导加载程序将负责触发内核的入口。

以下是汇编代码：

;;kernel.asmbits 32                ;nasm directive(指令) - 32位section .textglobel startextern kmain           ;kmain is defined in the c filestart:cli                ;block interruptscall kmainhlt                ;CPU暂停

第一个指令bits 32不是x86汇编指令，它是NASM汇编程序的第一个指令，它指定应该在32位处理器上运行代码。在我们的实例中这并非强制要求，但这里包含它确实是个好习惯。

第二行开始文本部分(aka代码部分)，这是我们放置所有代码的部分。

global是另一个将源代码中的符号设置为全局变量的NASM指令，这样，链接器知道符号开始的位置，这恰好是我们的切入点。

kmain是我们将在kernel.c文件中定义的函数，extern声明该函数在其他地方声明。

然后，我们有start函数，它调用kmain函数并使用hlt指令暂停CPU，而中断可以从hlt指令中唤醒CPU，所以我们事先使用cli指令禁用中断，而cli是clear-interrupts的缩写。

C语言部分的kernel

在文件kernel.asm中，我们调用了函数kmain()，所以我们的C代码将开始在kmain()处执行

/** kernel.c*/
void kmain(void)
{char *str="my first kernel";char *vidptr=(char*)0xb8000;  //video mem begins hereunsigned int i = 0;unsigned int j = 0;// clear allwhile(j<80 * 25 * 2){//blank charactervidptr[j] = ''; //attribute-byte：黑色屏幕上的浅灰色vidptr[j+1] = 0x07;j += 2;}j = 0;while(str[j] != '\0'){vidptr[i] = str[j];vidptr[i+1] = 0x07;++j;i += 2;}return;
}

我们所有的内核都会清除屏幕并写入字符串"my first kernel"。

首先，我们创建一个指向地址[0xb8000]的指针vidpri，这个地址是保护模式下video memory的开始。屏幕的文本内存只是我们地址空间中的一块内存，而屏幕的输入/输出从[0xb8000]开始，支持25行，每行包含80个ascii字符。

在该文本缓存中每个字符元素由16位(2字节)表示，而不是我们熟知的8位(1字节)。第一个字节应该有ASCII中的有的字符，第二个字节是属性字节。这描述了字符的格式，包括颜色等属性。

要在黑色背景上打印绿色字符s，我们将字符s存储在video memory地址的第一个字节，将值[0x02]存储在第二个字节，0表示黑色背景，2表示绿色背景

可以查看下表中的不同颜色：

0 - Black, 1 - Blue, 2 - Green, 3 - Cyan, 4 - Red, 5 - Magenta, 6 - Brown, 7 - Light Grey, 8 - Dark Grey, 9 - Light Blue, 10/a - Light Green, 11/b - Light Cyan, 12/c - Light Red, 13/d - Light Magenta, 14/e - Light Brown, 15/f – White.

在我们的内核中，我们将在黑色背景上使用浅灰色字符，所以我们的属性字节值必须为[0x07]

在第一个while循环中，程序在25行80列中写入[0x07]属性的空白字符，这样可以清除屏幕。

在第二个while循环中，空终止字符串"my first kernel"的字符被写入video memory块中，每个字符有[0x07]的属性字节。

一波操作之后，这将在屏幕中显示字符串。

链接部分

我们将使用NASM将kernel.asm链接到目标文件中，然后使用GCC编译kernel.c成为另一个目标文件，现在，我们的工作是将这些对象链接到一个可执行引导内核。

因此，我们使用显示链接脚本器，它可以作为参数传递给ld(我们的链接器)

/** link.ld*/
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(start)
SECTIONS
{. = 0X100000;.text : { *(.text)}.data : { *(.data)}.bss  : { *(.bss)}
}

首先，我们将输出的格式设置为32位可执行可链接格式(ELF)，ELF是x86架构上类Unix系统的标准二进制文件格式。

ENTRY有一个参数，他指定我们可执行文件入口的symbol name

SECTIONS使我们最终要的地方，在这里我们定义可执行文件的布局。我们可以指定如何合并不同的部分以及每个部分放置在哪里。

在SECTIONS语句后面的大括号内，"句点’.’ '"表示位置计数器，位置计数器在SECTION语句的开头总是始终初始化为[0x0]，可以通过给它分配新值以修改它。

记住，早些时候，我告诉过你，内核的代码应该在地址[0x100000]开始，因此，我们将位置计数器设置为[0x100000]

看下一行.text : { *(.text) }，星号"*"是一个匹配任何文件名的通配符，因此，表达式*(.text)表示来自所有输入文件的所有.text输入部分。

因此，链接器在位置计数器地址处将目标文件的所有文本部分合并到可执行文件中。因此，我们可执行文件的代码部分从[0x100000]开始。

链接器放置文本输出部分后，位置计数器的值变为[0x100000]+文本输出部分的大小。

类似地，data和bss部分被合并到位置计数器的接下来的值所表示的地址处。

Grub与多重引导

现在，我们已经准备好构建内核的所有文件，但是，由于我们希望使用Grub引导加载程序引导内核，因此还有一步之遥。

已经有一个给不同使用引导加载程序的x86内核的标准，称为"多重引导规范(Multiboot specification)"。

如果我们的内核符合"多重引导规范"，那么GRUB将仅加载我们的内核。

根据规范，内核必须在其8千字节内包含引导头(也就是Multiboot header)。

此外，Multiboot header必须包含三个(align 4)的字段：

a magic field：包含magic number [0x1BADB002]，以识别引导头
a flags field：我们不关心此字段，只是简单地将其设置为0
a checksum field：当加上前两个字段时，该字段必须为0

所以我们的kernel.asm文件改为：

;;kernel.asm
;nasm directive - 32 bit
bits 32
section .text;multiboot specalign 4dd 0x1BADB002             ;magicdd 0x00                   ;flagsdd - (0x1BADB002 + 0x00)  ;checksum. m+f+c should be zero
global startextern kmain                      ;kmain is define in the c filestart:cli                           ;block interruptscall kmainhlt

dd指令定义了大小为4字节的双精度变量。

构建内核

我们现在将使用kernel.asm和kernel.c创建目标文件，然后使用我们的链接脚本链接。

nasm -f elf32 kernel.asm -o kasm.o

这条指令将运行汇编程序以ELF-32格式创建目标文件kasm.o

gcc -m32 -c kernel.c -o kc.o

-c选项确保在编译之后，链接不会隐式发生

ld -m elf_i386 -T link.ld -o kernel kasm.o kc.o

这条指令将使用我们的链接脚本运行链接器并生成名为kernel的可执行文件。

配置GRUB并运行内核

GRUB要求您的内核名称为kernel-<version>的格式，所以，我们得重命名内核，重命名为kernel-701

现在将它放置到/boot目录中，你需要root权限才可以执行此操作。

在GRUB的配置文件grub.cfg中，添加一个条目：

title mykernelroot (hd0, 0)kernel /boot/kernel-701 ro

不要忘记删除指令hiddenmenu(如果存在的话)，重启计算机，您将获得列出内核名称的列表选择。

选择你新建的内核，你讲看到：

这就是你的内核！！！

PS：

建议您使用虚拟机来进行内核游戏
要在grub2（linux新发行版的默认引导程序）上运行，你的配置应该是这样的：

menuentry 'kernel 7001' {set root='hd0,msdosl'multiboot /boot/kernel-70001 ro
}

此外，如果要在qemu仿真器上运行内核而不是使用GRUB启动，可以通过一下方式执行此操作：

qemu-system-i386 -kernel kernel

这是英文原版地址：https://download.csdn.net/download/haozihuang/11264520