1 任务
为了学习计算机底层和os，我给自己布置了一个任务：在x86硬件上，使用c和nasm来显示一张bmp图片。完成这个任务，前后估计花了2个月的业余时间。
这个任务涉及了很多知识点，包括：启动区、保护模式、nasm汇编、c和nasm汇编互调、ld链接、硬盘io读取、显卡调色板模式、bmp图片格式、bios中断指令、c指针操作内存、borch虚拟机、binutils工具集、makefile等。
2 环境
ubuntu
borchs
nasm和 c
PS：ｃ代码遵循google的C++ 风格指南，使用gnu99标准。
3步骤
3.1 生成一个10M的硬盘镜像
bximage是borchs软件包的一个小工具，可以用于生成硬盘或软盘镜像。打开终端，输入：bximage。按照如下图所示的，一步一步地操作。
最终会在当前目录下，生成一个名为10M.img的文件。
3.2 准备一张320*200的bmp图片
为简单起见，屏幕的分辨率使用320*200。因此我们的bmp图片的大小320*200。我准备了一张图片，如下，这是我家主子的靓照。
将文件命名为cat-666.bmp，然后写入到#201扇区
dd if=src/cat-ham.bmp of=10M.img bs=512 seek=201 conv=notrunc
3.3 引导区
引导区位于启动盘的#0扇区，为计算机启动后首次执行的代码。为简单起见，我们的引导区仅完成以下功能：
- 设置vga模式设置显示模式为320*200。
- 配置了配置了5个gdt表项，用作程序运行的内存空间。
- 跳入32位保护模式。
- 读取内核至内存0x100000
- 跳至内核入口。
具体代码如下：boot.asm
1 ;设置堆栈段和栈指针 2 mov eax, cs 3 mov ss, eax 4 mov sp, 0x7c00 5 6 7 set_vga: 8 mov ax, 0x0013 ;;0x0013为 320*200*8bit 9 int 0x10 ;int 0x10 10 11 set_gdt: 12 ;GDT 开始于 0x7e00 13 mov ax, 0x7e00 14 mov bx, ax; 15 16 ; null_descriptor，这是处理器的要求 17 mov dword [bx + 0x00], 0x00000000 18 mov dword [bx + 0x04], 0x00000000 19 20 ; code 启动区 21 mov dword [bx + 0x08], 0x7c0001ff ;base:0x7c00，limit: 1ff，512B 22 mov dword [bx + 0x0c], 0x00409A00 ;粒度为1B， 23 24 ; code kernel 25 mov dword [bx + 0x10], 0x000000ff ; base: 0x10_0000, limit:0xff，1MB 26 mov dword [bx + 0x14], 0x00c09a10 ; 粒度为4KB， 27 28 ; data 29 mov dword [bx + 0x18], 0x0000ffff ;base: 0, limit:0xf_ffff, 4GB 30 mov dword [bx + 0x1c], 0x00cf9200 ;粒度为4KB， 31 32 ; stack 33 mov dword [bx + 0x20], 0x7a00fffe ; base: 0x7a00, limit：0xfffe 34 mov dword [bx + 0x24], 0x00cf9600 ; 粒度为4KB， 35 36 ;初始化描述符表寄存器 GDTR 37 mov word [cs: gdt_desc + 0x7c00], 39 ;描述符表的界限 38 lgdt [cs: gdt_desc + 0x7c00] 39 40 in al, 0x92 ;南桥芯片内的端口 41 or al, 0000_0010B 42 out 0x92, al ;打开A20 43 44 cli ;中断机制尚未工作 45 46 mov eax, cr0 47 or eax, 1 48 mov cr0, eax ;设置PE位 49 50 ;以下进入保护模式 ... 51 jmp dword 0x0008: mode32_start ;16位的描述符选择子：32位偏移 52 53 54 55 [bits 32] 56 mode32_start: 57 mov eax, 0x0018 ;加载数据段选择子 58 mov es, eax; 59 mov ds, eax; 60 61 62 ; 读取内核，并且跳入。读取200个扇区至 0x10_0000 63 read_kernel: 64 mov dx, 0x1f2; 65 mov al, 200 ; 200个扇区 66 out dx, al ; 67 68 mov dx, 0x1f3 ; 69 mov al ,0x01 ; 1号扇区（第2个扇区）, zero-based 70 out dx, al; 71 72 mov dx, 0x1f4 ; 73 mov al, 0x00 ; 74 out dx, al ; 75 76 mov dx, 0x1f5 ; 77 mov al, 0x00; 78 out dx, al; 79 80 mov dx, 0x1f6 ; 81 mov al, 0xe0 ; 82 out dx, al ; 83 84 ; ask for read 85 mov dx, 0x1f7 ; 86 mov al, 0x20 ; 87 out dx, al ; 88 89 ; wait for finish 90 mov dx, 0x1f7 ; 91 _rk_wait: 92 in al,dx ; 93 and al, 0x88 ; 94 cmp al, 0x08 ; 95 jnz _rk_wait ; 96 97 ;read data to bx 98 mov ebx, 0x10_0000 ; 99 mov cx, 256 * 200 ; n * 256; 100 mov dx, 0x1f0 ; 101 102 _rk_read_loop: 103 in ax, dx; 104 mov word[ebx], ax; ; 每次读2个字节 105 add ebx, 2; 106 loop _rk_read_loop ; 107 108 ; jump to kernel, 段选择子 109 jmp dword 0x0010:0 110 111 112 hlt; 113 114 115 ;------------------------------------------------------------------------------- 116 gdt_desc: dw 0 117 dd 0x00007e00 ; GDT的物理地址，刚好在启动区之后 118 ;------------------------------------------------------------------------------- 119 times 510-($-$$) db 0 120 db 0x55, 0xaa
编译
nasm boot.asm -f bin -o boot.bin
写入到硬盘镜像（写入到#0扇区）
dd if=boot.bin of=10M.img bs=512 count=1 conv=notrunc
3.4 bmp文件的结构
BMP文件格式，又称为Bitmap（位图）或是DIB(Device-Independent Device，设备无关位图)，是Windows系统中广泛使用的图像文件格式。其结构如下图所示：
参考：https://www.cnblogs.com/kingmoon/archive/2011/04/18/2020097.html
参考bmp的结构定义，编写如下头文件：bmp.h
1 #ifndef _OS_BMP_H_ 2 #define _OS_BMP_H_ 3 4 #include <stdint.h> 5 6 typedef struct { 7 /** 8 * 文件类型, 9 */ 10 char type[2]; 11 12 /** 13 * 位图大小 14 */ 15 uint32_t size; 16 17 /** 18 * 保留位 19 */ 20 uint16_t reserved1; 21 22 /** 23 * 保留位 24 */ 25 uint16_t reserved2; 26 27 /** 28 * 图像数据偏移量 29 */ 30 uint32_t off_bits; 31 32 } __attribute__ ((packed)) BitMapFileHeader; 33 34 /** 35 * 信息头 36 */ 37 typedef struct { 38 /** 39 * BitMapFileHeader 字节数 40 */ 41 uint32_t size; 42 43 /** 44 * 位图宽度 45 */ 46 uint32_t width; 47 48 /** 49 * 位图高度，正位正向，反之为倒图 50 */ 51 uint32_t height; 52 53 /** 54 * 为目标设备说明位面数，其值将总是被设为1 55 */ 56 uint16_t planes; 57 58 /** 59 * 说明比特数/象素，为1、4、8、16、24、或32。 60 */ 61 uint16_t bit_count; 62 63 /** 64 * 图象数据压缩的类型没有压缩的类型：BI_RGB 65 */ 66 uint32_t compression; 67 68 /** 69 * 图像数据区大小，以字节为单位 70 */ 71 uint32_t image_size; 72 73 /** 74 * 水平分辨率 75 */ 76 uint32_t x_pixel_per_meter; 77 78 /** 79 * 垂直分辨率 80 */ 81 uint32_t y_pixel_per_meter; 82 83 /** 84 * 位图实际使用的彩色表中的颜色索引数 85 */ 86 uint32_t color_used; 87 88 /** 89 * 对图象显示有重要影响的索引数，0都重要。 90 */ 91 uint32_t color_important; 92 } __attribute__ ((packed)) BitMapInfoHeader; 93 94 /* 95 * 颜色结构体 96 */ 97 typedef struct { 98 /** 99 * 100 */ 101 uint8_t blue; 102 103 /** 104 * 105 */ 106 uint8_t green; 107 108 /** 109 * 110 */ 111 uint8_t red; 112 113 /** 114 * 保留值 115 */ 116 uint8_t reserved; 117 118 } __attribute__ ((packed)) RGB; 119 120 #endif //_OS_BMP_H_
代码说明：
- 定义了3个结构体BitMapFileHeader（文件头）、 BitMapInfoHeader（位图信息头）、RGB（颜色）
- 需要特别注意的是，在类型定义中加入了__attribute__ ((packed))修饰。它的作用就是告诉编译器取消结构体在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐，是GCC特有的语法。不加入这个的话，会导致程序在读取bmp数据时发生错位。
３.5 io操作
在这个任务中需要直接操作硬件，比如读取硬盘扇区、端口读写、打开中断、读取eflags标志等，这部分功能的代码将使用nasm来编写，然后导出相应的方法让c来调用。
nasm代码如下：x86.asm
;数据区 [section .data] ; ;代码区 [section .text] ; global read_sector; global io_hlt ; ; global io_in8; global io_in16; global io_in32; global io_out8; global io_out16; global io_out32; ; global io_read_eflags; global io_write_eflags; ; global io_cli; global io_sti; ; ;功能 : 读取一个扇区 ;入口 : 无 ;出口 : 无 ;堆栈使用: 无 ;全局变量: ;函数签名：void read_sector(int sector, int dst); read_sector: mov ecx, [esp + 4] ;参数1：sector mov ebx, [esp + 8] ;参数2：dst mov dx, 0x1f2 ; mov al, 0x01 ;1 sector out dx, al ; mov dx, 0x1f3 ; mov al, cl ;0-7 out dx, al ; mov dx, 0x1f4 ; mov al, ch ;8-15 out dx, al mov dx, 0x1f5 ; mov al, 0x00 ;16-23 out dx, al ; mov dx, 0x1f6 ; mov al, 0xe0 ; out dx, al ; ; ask for read mov dx, 0x1f7 ; mov al, 0x20 ; out dx, al ; ; wait for finish mov dx, 0x1f7 ; _rs_wait: in al, dx ; and al, 0x88 ; cmp al, 0x08 ; jnz _rs_wait ; ;read data to bx mov cx, 256 ; mov dx, 0x1f0 ; _rs_read_loop: in ax, dx ; mov word[ebx], ax ; add ebx, 2 ; loop _rs_read_loop ; ret ; ;功能 : 挂起 ;入口 : 无 ;出口 : 无 ;堆栈使用: 无 ;全局变量: ;函数签名：void io_hlt(void); io_hlt: hlt ; ret; ;功能 : 读取 eflags ;函数签名： int read_eflags(void); io_read_eflags: pushfd ;将 eflags 压入栈 pop eax ;将 eflags 弹出并保存至eax ret ;功能 : 往端口写入1个字节 ;函数签名： void io_out8(int port, int value); io_out8: mov edx, [esp + 4] ;参数1: port mov al, [esp + 8] ;参数2：value out dx, al ret ;功能 : 从端口读取1个字节 ;函数签名：uint8_t io_in8(int port); io_in8: mov edx, [esp + 4] ;参数1: port mov eax, 0 ;将数据置为0，防止干扰 in al, dx ; ret ;功能 : 从端口读取2个字节 ;函数签名：uint16_t io_in16(int port); io_in16: mov edx, [esp + 4] ;参数1: port mov eax, 0 ;将数据置为0，防止干扰 in ax, dx ; ret ;功能 : 从端口读取4个字节 ;函数签名：uint32_t io_in32(int port); io_in32: mov edx, [esp + 4] ;参数1: port mov eax, 0 ;将数据置为0，防止干扰 in eax, dx ; ret ;功能 : 往端口写入2个字节 ;函数签名： void io_out16(int port, int value); io_out16: mov edx, [esp + 4] ;参数1: port mov al, [esp + 8] ;参数2：value out dx, ax ret ;功能 : 往端口写入4个字节 ;函数签名： void io_out32(int port, int value); io_out32: mov edx, [esp + 4] ;参数1: port mov al, [esp + 8] ;参数2：value out dx, eax ret ;功能 : 关闭中断 ;函数签名： void io_cli(void); io_cli: cli ; clean interrupt flag ret ;功能 : 打开中断 ;函数签名： void io_sti(void); io_sti: sti ; set interrupt flag ret ;功能 : 写入 eflags ;函数签名： void write_eflags(int flags); io_write_eflags: mov eax, [esp + 4] ;参数1：eflags push eax ;将参数 eflags压入栈中 popfd ;从栈中弹出eflags的值并将之写入到 EFLAGS 寄存器 ret
代码说明：
- 导出函数使用global关键字。比如global read_sector，将导出read_sector函数。
- 函数的参数使用栈来存储，次序为从右到左，使用esp栈指针来访问。
- 所有的函数都放在section .text 中。
- 整型类型的返回值可以放在eax/ax/dx寄存中进行返回。
编译
nasm -f elf -o x86.o x86.asm
为了便于c代码调用上面的代码，我们还需要创建一个头文件：x86.h：
#ifndef _OS_X86_H_ #define _OS_X86_H_ #include <stdint.h> /** * 读取扇区的数据 * @param sector 扇区号。 * @param dst 目标地址 */ void read_sector(int sector, uint8_t *dst); /** * 挂起 */ void io_hlt(); /** * 读取 eflags * @return */ uint32_t io_read_eflags(); /** * 写入 eflags * @param flags */ void io_write_eflags(uint32_t flags); /** * 从端口读取1个字节 * @param port 端口号 * @return 端口上的数据 */ uint8_t io_in8(uint16_t port); /** * 从端口读取2个字节 * @param port 端口号 * @return 端口上的数据 */ uint16_t io_in16(uint16_t port); /** * 从端口读取4个字节 * @param port 端口号 * @return 端口上的数据 */ uint32_t io_in32(uint16_t port); /** * 往端口写入1个字节 * @param port 端口号 * @param value 要写入的值 * @return */ void io_out8(uint16_t port, uint8_t value); /** * 往端口写入2个字节 * @param port 端口号 * @param value 要写入的值 * @return */ void io_out16(uint16_t port, uint16_t value); /** * 往端口写入4个字节 * @param port 端口号 * @param value 要写入的值 * @return */ void io_out32(uint16_t port, uint32_t value); /** * 关闭中断 */ void io_cli(); /** * 打开中断 */ void io_sti(); #endif //_OS_X86_H_
代码说明：
- 函数的签名要跟nasm文件中的保持一致，包括函数名，参数个数、参数类型。
- 在调用的时候跟普通的头文件一样，先引入x86.h，然后调用相应的方法。
３.6 内核代码
在内核代码中，执行以下操作：
- 读取bmp文件所在的起始个扇区。从该扇区数据中取出文件大小，决定要还要继续读几个扇区，接着读完所有扇区。
- 从bmp数据中取出调色板数据，然后用它来更改显卡的调色板。
- 从bmp数据中取出图像数据，写入到图像缓冲区。
代码如下：kernel.c
1 #include <stdint.h> 2 #include "x86.h" 3 #include "bmp.h" 4 5 // 视频缓冲区的内存位置 6 #define VIDEO_BUFFER_MEMORY_LOC 0x0a0000 7 // bmp文件的内存位置 8 #define BMP_FILE_MEMORY_LOC 0x200000 9 // bmp文件所在的起始扇区 10 #define BMP_FILE_SECTOR 201 11 12 int main(void) { 13 // 读扇区的索引， 14 uint32_t sector_read_index = BMP_FILE_SECTOR; 15 // 读文件的索引 16 uint8_t *file_read_index = (uint8_t *) BMP_FILE_MEMORY_LOC; 17 18 // 读取bmp文件所在的第1个扇区 19 read_sector(sector_read_index, file_read_index); 20 file_read_index = file_read_index + 512; 21 sector_read_index++; 22 23 // 文件头 24 BitMapFileHeader *bmp_header = (BitMapFileHeader *) BMP_FILE_MEMORY_LOC; 25 uint32_t file_size = bmp_header->size; 26 27 // 图像数据偏移 28 uint32_t off_bits = bmp_header->off_bits; 29 30 // 需要再读取几个扇区? 31 int more_sectors = (file_size / 512) - 1; 32 if (file_size % 512 != 0) { 33 more_sectors++; 34 } 35 36 // 读取更多扇区 37 for (int i = 0; i < more_sectors; i++) { 38 read_sector(sector_read_index, file_read_index); 39 sector_read_index++; 40 file_read_index += 512; 41 } 42 43 //*********************调色板设置 ************* 44 // 读取调色板数据 45 // 调色板数据开始于文件偏移 54 46 RGB *palette_index = (RGB *) (BMP_FILE_MEMORY_LOC + 54); 47 // 48 uint32_t eflags = io_read_eflags(); 49 io_cli(); 50 51 // 写入0号调色板 52 io_out8(0x03c8, 0); 53 54 // 写入调色板数据 55 for (int i = 0; i < 256; ++i) { 56 RGB rgb = *palette_index; 57 // 必须除以4，因为 vga 只能显示64色 58 io_out8(0x03c9, rgb.red / 4); 59 io_out8(0x03c9, rgb.green / 4); 60 io_out8(0x03c9, rgb.blue / 4); 61 palette_index++; 62 } 63 64 io_write_eflags(eflags); 65 66 // 位图信息头 67 BitMapInfoHeader *info_header = (BitMapInfoHeader *) (BMP_FILE_MEMORY_LOC + 14); 68 // 数据位数组 69 uint8_t *file_bits = (uint8_t *) (BMP_FILE_MEMORY_LOC + off_bits); 70 // 坐标点的内存地址 71 uint8_t *p = 0; 72 // 73 for (int i = 0; i < info_header->image_size; i++) { 74 // x 坐标 75 int x = i % info_header->width; 76 // y 坐标 77 int y = (info_header->height - 1) - (i / info_header->width); 78 // 点(x,y)的内存地址 79 p = (uint8_t *) (VIDEO_BUFFER_MEMORY_LOC + x + y * info_header->width); 80 *p = *file_bits; 81 file_bits++; 82 } 83 84 // use this to avoid to reset 85 while (1) { 86 io_hlt(); 87 } 88 return 0; 89 }
关键代码说明：
- 在写入调色板之前，eflags要先暂存，然后再回写。
- bmp的数据是从下往上，从左往右存储的，所以显示的时候要反过来。
- 对视频缓冲区内存区域的读写用到了指针。定义一个指针uint8_t *p， p为坐标点的内存地址，然后使用*p = *file_bits来修改该内存的值。
编译
gcc -c-std=gnu99 -fno-stack-protector -m32 -Wall -o kernel.o kernel.c
３.7 链接
链接脚本如下：kernel.ld
1 OUTPUT_FORMAT("elf32-i386") 2 OUTPUT_ARCH(i386) 3 ENTRY(main) 4 5 SECTIONS 6 { 7 . = 0x040000; 8 .text : { 9 *(.text) 10 } 11 .data : { 12 *(.data) 13 } 14 .bss : { 15 *(.bss) 16 } 17 /DISCARD/ : { 18 *(.eh_frame .note.GNU-stack) 19 } 20 } 21 22
脚本说明：
- OUTPUT_FORMAT("elf32-i386") 表示输出格式为efl32 32位格式。
- ENTRY(main) 表示入口函数为main
- /DISCARD/表示忽略.eh_frame段和.note.GNU-stack
链接
ld -s -T kernel.ld -o kernel.out kernel.o x86.o 注意，对象文件(*.o)的次序要正确，否则运行的时候会出错。次序的原则是被依赖的放在后面。
3.8 .text段提取
链接后的文件kernel.out是一个elf类型的文件，它包含了elf头信息、.text、.data等。通过readelf命令可以查看efl文件的结构。
readelf -a kernel.out
命令结果如下：
我们仅需要 .text段 。这个时候通过objcopy来提取kernel.out中的.text段，如下：
objcopy -S -O binary -j .text kernel.out kernel.bin
将kernel.bin写入到硬盘镜像（从#1扇区开始）
dd if=target/kernel.bin of=10M.img bs=512 seek=1 count=200 conv=notrunc
3.9 放入borch虚拟机中运行
配置一个虚拟机，配置如下，bochsrc ：
1 ############################################################### 2 # Configuration file for Bochs 3 ############################################################### 4 5 # how much memory the emulated machine will have 6 megs: 32 7 8 # filename of ROM images 9 romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest 10 vgaromimage: file=/usr/local/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest 11 12 # what disk images will be used 13 #floppya: 1_44=a.img, status=inserted 14 ata0-master: type=disk, mode=flat, path="10M.img", cylinders=20, heads=16, spt=63 15 16 # choose the boot disk. 17 #boot: floppy 18 boot: disk 19 20 21 # where do we send log messages? 22 # log: bochsout.txt 23 # disable the mouse 24 mouse: enabled=0 25 26 # enable key mapping, using US layout as default. 27 keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map 28 29
关键配置说明：
- megs: 32 表示内存为32M
- boot: disk 表示从硬盘启动
- ata0-master: path="10M.img", 设置了硬盘镜像的路径
- vgaromimage: file=VGABIOS-lgpl-latest 表示显卡的rom镜像为VGABIOS-lgpl-latest，如果设置错误，显示就会不正常。
- keyboard_mapping: enabled=1, 用于设置键盘布局，这里采用美式键盘布局。
启动虚拟机
bochs -q
效果如下：
3.10 makefile
用makefile将上面零散的命令整合一下。脚本如下，Makefile:
1 .PHONY : all clean run install 2 3 CFLAGS = -std=gnu99 -fno-stack-protector -m32 -Wall 4 5 all: target/boot.bin target/kernel.bin install 6 7 target/boot.bin : src/boot.asm 8 nasm src/boot.asm -f bin -o target/boot.bin 9 10 target/kernel.bin : target/kernel.out 11 objcopy -S -O binary -j .text target/kernel.out target/kernel.bin 12 13 target/x86.o : src/x86.asm 14 nasm -f elf -o target/x86.o src/x86.asm 15 16 target/kernel.o : src/kernel.c 17 gcc -c $(CFLAGS) -o target/kernel.o src/kernel.c 18 19 # x86.o要放到最后，否则会无法运行 20 target/kernel.out : target/kernel.o target/x86.o 21 ld -s -T kernel.ld -o target/kernel.out target/kernel.o target/x86.o 22 23 24 25 install : 26 # #0扇区 27 dd if=target/boot.bin of=10M.img bs=512 count=1 conv=notrunc 28 # #1 ~ #200 扇区 29 dd if=target/kernel.bin of=10M.img bs=512 seek=1 count=200 conv=notrunc 30 # #201扇区开始 31 dd if=src/cat-666.bmp of=10M.img bs=512 seek=201 conv=notrunc 32 33 34 run : 35 make all 36 bochs -q 37 38 39 clean : 40 -rm target/*.bin 41 -rm target/*.o 42 -rm target/*.out 43 44 45 46
脚本说明：
- 将源文件放到src目录下，将目标文件放到target目录下。
- make run 为运行。
- make install 为安装。
- make clean 为清理。
3.11 内存和硬盘布局
内存布局
|
物理地址 |
内容 |
|
0x7c00 ~ 0x7dff |
启动区 |
|
0x7e00~ 0x7eff |
gdt |
|
0x100000~0x1fffff |
内核，大小1M。 |
|
0x200000开始 |
图片。 |
|
0x0a0000-0xaf9ff |
图像缓冲区 |
硬盘布局
|
扇区 |
内容 |
|
#0 |
boot.bin |
|
#1 ~ #200 |
kernel.bin |
|
#201 |
cat-6666.bmp |
4 参考资料
- 《x86汇编语言 从实模式到保护模式》
- 《Linux0.11内核完全注释》
- 《30天自制操作系统》
- 《一步一步学习linux汇编语言程序设计》
- 《xv6》
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