关于os的一些整理：第二篇：1、系统内核

写道

使用C语言编写，gcc编译，ld链接。编写内核程序虽然看着和编写普通应用，会涉及到汇编，很多硬件外设和架构相关的东西，可能大家觉得很多需要汇编来实现。

尽可能选择C的方式去实现吧。

 

 

系统内核

系统上电后经引导程序引导后加载内核程序正式进入内核程序。进入内核程序首先进行一系列内核初始化工作。

 

低端内存

一般我们说的低端内存指的是0x00000~0xfffff这1M内存区间，x86在实模式下，或者早期的8086/8088,都只能访问到这1M内存区间。低端内存存放这很多重要的数据，当然在操作系统进入保护模式后，可能并不会使用到这些数据，也就不需要了。但在进入保护模式之前，比如还处于实模式下，系统还在引导阶段，没有这些数据是万万不行的。

 

可以确定的是，低端内存是主内存(RAM) 低于1M的那块内存区间。也不一定规定那1M完整的都是低端内存，有时候通常是低于640K的那块内存。我们可以通过两个BIOS中断可以知道低端内存的大小。

 

int 0x12

可以通过12H中断来获取低端内存的大小。

 

另一个还可以通过15H中断获取：

Int 15/AX=E820h

这个中断也可以获取低端内存的大小。

 

 

 

高端内存

 

高端内存就是除了地段内存这1M的内存区间外，高于1M的其余内存空间

 

系统内核可以加载到低端内存去执行吗？

 

内核加载到低端内存还是高端内存？

 

 

内核加载的位置

内核可以加载到低端内存或者高端内存

 

 

 

内核在什么时候加载？

最直接的方式就是在引导扇区的引导程序中去加载内核。这在内核程序比较小的时候是可以的，直接通过Int 13/AH=02h中断就可以把内核加载进来。

 

但是在这种情况下，如果内核程序是pe格式，如exe程序，或者elf格式，内核加载进来后还需要解析内核程序格式，设置各个段寄存器和偏移量，以便能够到正确的位置执行代码段指令和访问数据段数据和堆栈信息，这样的话，在引导扇区可能无法容纳这么多的代码了。

 

如果内核程序比较大了，现在在引导程序中是无法直接加载内核程序的。

 

在实模式下通过Int 13/AH=02h中断加载内核的时候，该中断有些限制，如“attempted DMA across 64K boundary or >80h sectors”，所以当内核程序比较大了，再加上内核加载的位置，很容易就碰到这种情况。如果使用其他中断或者其他方式加载内核的话，比如使用Int 13/AH=42h中断加载内核，这是个扩展中断，并不是所有的BIOS都支持该中断, 可能有些老的遗留BIOS并不支持扩展中断，目前看在Bochs下是支持该扩展中断，Bochs下的BIOS也支持该中断，但通过Int 13/AH=41h/BX=55AAh无法检查软盘是否支持扩展中断，Int 13/AH=41h/BX=55AAh在指定drive的时候只能指定硬盘的驱动器号：DL = drive (80h-FFh)。通过端口使用LBA或者CHS加载内核的话，只能通过硬盘加载，无法通过软盘进行加载。

 

内核加载方式

 

Int 13/AH=02h

 

Int 13/AH=42h

这是个扩展中断，可以通过Int 13/AH=41h/BX=55AAh检查BIOS是否支持扩展中断。

 

disk address packet

结构说明：

Format of disk address packet:

 

Offset  Size    Description     (Table 00272)

00h    BYTE    size of packet (10h or 18h)

01h    BYTE    reserved (0)

02h    WORD    number of blocks to transfer (max 007Fh for Phoenix EDD)

04h    DWORD   -> transfer buffer

08h    QWORD   starting absolute block number

(for non-LBA devices, compute as

(Cylinder*NumHeads + SelectedHead) * SectorPerTrack +

SelectedSector - 1

10h    QWORD   (EDD-3.0, optional) 64-bit flat address of transfer buffer;

 

used if DWORD at 04h is FFFFh:FFFFh

 

其中：

04h    DWORD   -> transfer buffer

以及

10h    QWORD   (EDD-3.0, optional) 64-bit flat address of transfer buffer;

 

used if DWORD at 04h is FFFFh:FFFFh

指定的是物理地址。

 

结构定义：

 

// disk address packet
// see Int 13/AH=42h for details.
// 
// EDD also called Enhanced Disk Drive
typedef struct 
{
  // size of packet. 
  // 
  // it must be 0x10 or 0x18. since struct disk_address_packet 
  // is designed to be compatible with EDD-3.0, so the 
  // size of struct is 24(0x18), the field p_edd_buffer
  // (64-bit flat address of transfer buffer for EDD-3.0) 
  // is optional when the size of packet set to be 0x10.
  u1 p_size;

  u1 p_reserved; // reserved.
  u2 p_block_num;

  // transfer buffer
  // segment:offset
  u2 p_buffer_offset;
  u2 p_buffer_base;

  u8 p_start_block_number;

  // it's optional when the size of packet is 0x10, and it's needed when the size 
  // of packet is 0x18. it's just for EDD-3.0
  u8 p_edd_buffer;
} disk_address_packet;

注意：p_buffer和p_edd_buffer指定的是物理地址。

 

#define DISK_ADDRESS_PACKET_SIZE 0x10
#define EDD_DISK_ADDRESS_PACKET_SIZE 0x18

 

相关函数声明：

// param 1: drive number
// param 2: start block number and is a logic add-
// ress. 
// param 3: the number of block to read
// param 4,5: the data that read would write to the buff-
// er. segment:offset
// 
// Note: 
// the difference between logic address and physical a-
// ddress is that logic address starting from 0 and ph-
// ysical address starting from 1.
int disk_read_0x42(u1 drive, u8 start_block_number, u2 num, u2 buffer_base, u2 buffer_offset);
// for EDD-3.0
// 
// param 1: drive number
// param 2: start block number and is a logic add-
// ress. 
// param 3: the number of block to read
// param 4: the data that read would write to the buff-
// er. it's a physical address
int edd_disk_read_0x42(u1 drive, u8 start_block_number, u2 num, u8 buffer);

 

disk_read_0x42

int disk_read_0x42(u1 drive, u8 start_block_number, u2 num, u2 buffer_base, u2 buffer_offset)
{
  disk_address_packet packet = {
    .p_size = DISK_ADDRESS_PACKET_SIZE, 
	.p_block_num = num, 
	.p_buffer_base = buffer_base, 
	.p_buffer_offset = buffer_offset, 
	.p_start_block_number = start_block_number
  };

  asm("push %ds");
  asm("mov %ss, %ax");
  asm("mov %ax, %ds");
  asm("movw %0, %%esi" : : "p" (&packet));

  asm("mov $0x42, %ah");
  asm("mov %0, %%dl" : : "m" (drive));

  __kint__(INT13);

  asm("pop %ds");

  asm goto ("jc %l0" : : : : error);
error:
  return 1;
ok:
  return 0;
}

 

00017955850i[BIOS  ] int13_harddisk: function 00, error 07 ! 

 

通过端口方式

 

内核装载程序

为了加载内核，可以通过一个内核装载程序负责将内核程序加载并执行。引导程序只负责加载内核装载程序并执行。

 

内核程序可能是BIN，ELF，EXE，PE等格式，这里涉及到这些格式的内核程序的加载，BIN格式还比较简单，ELF，EXE，PE这些格式的加载比较复杂，关于这些格式的加载在其他章节中会涉及到。

 

关于os的一些整理：第二篇：5、内核EXE格式镜像：

写道

https://www.iteye.com/blog/lobin-2443140

 

 

关于os的一些整理：第二篇：4、内核PE格式镜像：

写道

https://www.iteye.com/blog/lobin-2509989

 

关于os的一些整理：第二篇：6、内核ELF格式镜像：

写道

https://www.iteye.com/blog/lobin-2376969

 

关于os的一些整理：第十篇：程序：

写道

https://www.iteye.com/blog/lobin-2344910

 

 

内核装载程序不大，引导程序可以很容易的将内核装载程序加载进来。

 

typedef struct 
{
  kl_image_format_t k_fmt;

  char *k_opt_hdata;
  char *k_data;

  u2 cs;
  u4 ip;

  u2 ds;

  u2 ss;
  u4 sp;

} kl_image_t;

 

 

内核程序从什么时候开始执行？

引导程序通过一个远跳转到内核程序的入口地址开始执行。这里在编写的时候搞了个链接门的东西用于描述从一个地方跳转到另一个地方去执行。

 

在C程序中的描述大概也就是类似这样：

typedef struct 
{
  u2 offset;
  u2 segment;
} link_gate_descriptor_t;

 

 

内核程序入口

系统启动执行一段时间后，执行到内核程序，调用内核程序入口函数进入内核执行。

入口函数

和c程序入口函数main类似，内核程序也应该有一个入口函数。

如：

void kmain(int argc, char** argv)

{

  ... ...

}

 

内核初始化

 

 

中断初始化

 

 

外设初始化

这里的外设初始化主要是对一些外设及相关控制器做一些基本的初始化设置。如显卡，键盘，鼠标等。

 

初始化显卡

 

设置显示模式

 

文本模式

 

图形模式

 

vga

初始化VGA

 

设置光标属性

 

开启显示光标

通常默认情况下，光标是启用的，如果是禁用状态，比如之前因为其他原因禁用了光标，应该开启显示光标。

 

显示内存设置

 

 

 

 

初始化键盘

检查键盘类型

检查扫描码集

 

设置键盘按键读取方式 

 

初始化鼠标

设置鼠标读取方式

 

 

初始化控制台

初始化显卡

初始化键盘鼠标

初始化控制台输入缓冲 

 

 

初始化磁盘

这里根据系统的引导方式选择对引导的磁盘做一些初始化操作。如通过硬盘引导，则对硬盘做一些初始化操作，如果是通过软盘引导，则对软盘做一些初始化操作。

 

初始化硬盘

 

初始化软盘

 

初始化网卡

 

 

初始化WIFI无线网卡

 

 

 

驱动初始化

 

 

IO初始化

 

 

初始化程序

 

 

初始化分区

对磁盘分区进行初始化。在引导程序中有一块区域用来存放磁盘分区信息。

 

结构

 

显示磁盘分区信息。

 

 

加载文件系统

加载各分区上的文件系统。

 

 

进程初始化调度

 

 

选择任务切换方式

 

 

启动第一个用户程序

 

 

内核程序格式

 

系统内核程序可以以exe形式（PE格式）、ELF格式或者二进制格式提供。

 

PE格式

 

 

ELF格式

 

 

二进制格式

 

 

内核程序以什么样的形式提供

 

系统内核程序可以事先按照指定格式烧录好在安装盘或者镜像程序中提供，或者以文件的形式提供。