Hacking 《自己动手写操作系统》Chapter 1&2

——Writing x86 PC Bootloader With Free Software

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今天在看一本书，《自己动手写操作系统》（于渊，电子工业出版社），虽然很欢迎这样一本详尽介绍怎样写操作系统的书出现，但看完前两章后对作者的某些做法很不以为然。比如使用 Windows 作为开发平台，采用商业虚拟机作为测试平台，不是每个人都买得起这些软件的（我们要在心中牢固树立使用盗版软件就是犯罪的观念 X-D）。

我这篇文章的目的就是为了展示 Linux/Free Software 的强大，不使用任何商业软件，不用自己写的任何工具，使用免费的工具链，照样可以完成而且更高效地完成《自己动手写操作系统》前两章的 demo。

当然我也希望这篇文章为推动 Linux 和 Free Software 的发展出一点力，比如让部分读者（尤其是 EE 和 CS 学生）看完这篇文章后舍弃瘟都死，投身到 Linux 和 Free Software 阵营中来，或者《自己动手写操作系统》的作者在下一版(如果有的话)中完全使用 Free Software 来做 demo。

好了，下面开始，先介绍一下需要使用的工具。
操作系统：Ubuntu 7.04 Feisty，平台: i386 PC。
使用工具：gcc, binutils(as, ld, objcopy), dd, make, hexdump, vim, virtualbox。
上面所说的工具中，除了 virtualbox 虚拟机，剩下的工具在任何能用做开发环境的 Linux 版本上都是默认安装的。VirtualBox 也是遵从 GPL 协议的开源软件，可以从这里 [href: http://www.virtualbox.org ]下载。Ubuntu 只需要 sudo apt-get install virtualbox 安装即可。

首先，我们看第一个示例代码：
[wbyang@solrex-PC loader]$ more boot.asm
org 07c00h ; 告诉编译器程序加载到7c00处
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
call DispStr ; 调用显示字符串例程
jmp $ ; 无限循环
DispStr:
mov ax, BootMessage
mov bp, ax ; ES:BP = 串地址
mov cx, 16 ; CX = 串长度
mov ax, 01301h ; AH = 13, AL = 01h
mov bx, 000ch ; 页号为0(BH = 0) 黑底红字(BL = 0Ch,高亮)
mov dl, 0
int 10h ; 10h 号中断
ret
BootMessage: db "Hello, OS world!"
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩下的空间，使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 0xaa55 ; 结束标志
此段代码使用 Intel 格式的汇编语言写成，本也是用同样开源的 NASM 编译，但是鉴于很少有人在 Linux 下使用此汇编语法，它在 Linux 平台上的扩展性和可调试性都不好(GCC 不兼容)，而且不是采用 Linux 平台上编译习惯，所以我把它改成了使用 GNU tool chain 去编译连接。这样的话，对以后使用 GNU Toolchain 编写其它体系结构的 bootloader 也有帮助，毕竟 NASM 没有 GAS 用户多。

上面的汇编文件可以用 AT&T 风格改写为：
[wbyang@solrex-PC loader]$ more boot.S
.code16 ;使用16位模式汇编(GAS 默认认为 .S 文件是 pure 32-bits i386 code)
.text ;代码段开始(为 link script 做定位)
mov %cs,%ax
mov %ax,%ds
mov %ax,%es
call DispStr ;调用显示字符串例程
INF: jmp INF ;无限循环(GAS 没有 $ 作为当前行标号的约定)
DispStr:
mov $BootMessage, %ax
mov %ax,%bp ; ES:BP = 串地址
mov $16,%cx ; CX = 串长度
mov $0x1301,%ax ; AH = 13, AL = 01h
mov $0x00c,%bx ; 页号为0(BH = 0) 黑底红字(BL = 0Ch,高亮)
mov $0,%dl
int $0x10 ; 10h 号中断
ret
BootMessage:.ascii "Hello, OS world!"
.org 510 ; 填充到 510 字节，使生成的二进制代码恰好为512字节
.word 0xaa55 ; 结束标志

但有一个问题, NASM 可以直接使用 nasm boot.asm -o boot.bin 将 boot.asm 编译成 bin 文件，GAS 不能。但是 GAS 的不能恰好给开发者一个机会去分步地实现这个过程，使编译更为灵活。下面请看 link script 和 Makefile：
[wbyang@solrex-PC loader]$ more solrex_x86.ld
SECTIONS
{
. = 0x7c00;
.text :
{
_ftext = .; //告诉链接器程序加载到内存的7c00处
} = 0
}

这个连接脚本的功能就是，在 link 的时候，将程序加载到内存 0x7c00 的位置(BOIS 将 PC 控制权转交给这个位置运行的程序)，相当于 boot.asm 中的 org 07c00h 一句。有人可能觉得麻烦，还需要用一个脚本控制加载地址，但是 《自己动手写操作系统》就给了一个很好的反例：Chapter 1.5 代码 1-2,作者切换调试和运行模式时候需要对代码进行注释，而使用脚本控制，只需要编译时候调用不同脚本进行连接，就能解决这个问题。

这在嵌入式编程中是非常常见的处理方式，使用不同的连接脚本一次 make 生成某个程序分别运行在 board 上和 simulator 上的两个二进制文件 。

相信只要能耐心看到这里的人对下面 Makefile 中的内容都不会陌生。
[wbyang@solrex-PC loader]$ more Makefile
CC=gcc
LD=ld
LDFILE=solrex_x86.ld #使用上面提供的连接脚本 solrex_x86.ld
OBJCOPY=objcopy

all: boot.img

boot.img: boot.bin
@dd if=/dev/zero of=emptydisk.img bs=512 count=2880 #生成空白软盘镜像文件
@dd if=boot.bin of=boot.img bs=512 count=1 #用 bin file 生成对应的镜像文件
@dd if=emptydisk.img of=boot.img skip=1 seek=1 bs=512 count=2879 #在 bin 生成的镜像文件后补上空白，最后成为合适大小的软盘镜像

boot.bin: boot.elf
@$(OBJCOPY) -R .pdr -R .comment -R.note -S -O binary boot.elf boot.bin

boot.elf: boot.o
$(LD) boot.o -o boot.elf -e c -Tsolrex_x86.ld

boot.o: boot.S
$(CC) -c boot.S

clean:
@rm -rf boot.o boot.elf boot.bin boot.img

使用 Makefile，一个是方便，直接就可以生成可引导的软盘镜像文件，二是为了清楚，其间对源文件的任何处理都一清二楚。下面解释一下 Makefile 都做了什么：
第一步， gcc 调用 as 将 boot.S 编译成目标文件 boot.o；
第二步， ld 调用连接脚本 solrex_x86.ld 将 boot.o 连接成可执行文件 boot.elf。
第三步， objcopy 移除 boot.elf 中没有用的 section(.pdf,.comment,.note)，strip 掉所有符号信息，输出为二进制文件 boot.bin。
第四步， dd 使用 boot.bin 生成可引导的软盘镜像 boot.img。

到此，我们使用开源工具链编译生成 bootloader 的过程已经结束，没有使用到任何商业软件，也没有自己写任何转换工具。《自己动手写操作系统》文中提到的 HD-COPY 和 Floopy Writer 都没有使用到。 为了验证也可以先用 hexdump -x -n 512 boot.img 将 boot.img 前 512 个字节打印出来，可以看到 boot.img dump 的内容和附送光盘中的 TINIX.IMG dump 的内容完全相同。这里我们也显然用不到 EditPlus 或者 UltraEdit，即使需要修改二进制码，也可以使用 vim 的 %!xxd 命令进行十六进制编辑。

写得真够累的，那个 virtualbox 就不说了，用法跟 virtualPC 没有什么大差别。安装上以后，新建一个虚拟机，加载 boot.img 光盘镜像到软驱，然后选择虚拟机重新启动，就可以看到红色的：
Hello, OS world!
当然，你如果喜欢的话，可以改成 "F-U_C-K Microsoft!" 不过要注意的一点是，做这件事是需要权限的，要把当前用户加到 vboxusers 组中，否则这个行为无法成功 :-)。

综上，很显然 VirtualPC 也不需要。《自己动手写操作系统》可怜的作者费了半天劲在瘟都死的 VirtualPC 里装 Redhat Linux，解决瘟都死和 Linux 的文件共享问题，解释了一番自己“工欲善其事,必先利其器”的动机，但我实在没看出有一点儿需要瘟都死的原因。瘟都死什么都不能给你，但 Linux 能给你整个世界！