我要开动了!

いただきます!

上一节中你已经大概了解了 EOS 究竟是如何被编译的, 甚至已经自己实现了用于构建 EOS 的 Makefile. 虽然, 在理解原理的基础上, 直接复制使用教程中提供的 Makefile 也没什么不妥.

但是聪明的你再一次发现: 我们在上一节中构建得到的 EOS 引导程序和内核是无法直接被虚拟机启动的. 你应该还记得, 在本章的第一节中, 你已经使用 QEMU 和 Bochs 分别启动了 EOS, 那时你使用的是一个名为 floppy.img 的软盘镜像.

本节中我们将研究如何生成这个可以用来引导 EOS 的软盘镜像.

软盘上的 EOS

如果你曾经阅读过其他的一些简易操作系统的源代码, 或者相关的书籍 (“30 天自制操作系统”, “Orange‘S” 等), 你会发现在许多 toy OS 的实现中, 作者都不约而同的选择了软盘这一介质作为系统的载体. 因为软驱相对于其他设备来说更好控制, 尤其是在引导程序大小限定在一个扇区内 (512 字节) 的时候.

事实上, 自行实现操作系统的引导程序往往是一个费力不讨好的活计. 于是在更多的 toy OS 中, 人们选择利用现成的工具进行引导 (例如 GRUB); 在现实世界中, 操作系统也大多依赖 UEFI 引导, 而非传统的 MBR.

试一试: 将 EOS 改成使用 GRUB 引导, 这样你也许就可以轻松的在物理机上运行这个操作系统了!

当然, 这可能有点难. 如果想挑战一下, 你可以参考 OSDev Wiki.

那么当一个软盘插入计算机, 用户按下开机键以后, BIOS 是如何知道要从这个软盘启动操作系统的呢? BIOS 会首先检查软盘的第一个扇区, 如果其最后两个字节分别是 0x55, 0xaa, 则 BIOS 就知道: 这个软盘的第一个扇区中存放了引导程序, 应当将这个扇区加载到内存的指定位置 (0x7c00) 并执行. 之后的事情就由存储在软盘第一个扇区内的程序负责了.

在 EOS 中, boot.bin 就是那个存储在第一个扇区内的, 最初的引导程序. 除了这个文件会直接被写入软盘扇区, 其余的两个文件 loader.bin 和 kernel.dll 则会以文件的形式, 存入软盘上的 FAT12 文件系统中. 至于 libkernel.a, 如果你还有印象的话, 这个文件是给用户应用程序用的, 暂时和 EOS 的软盘镜像无关.

制作软盘镜像

在目前的 OS lab 环境当中, 我们可以使用 dd 命令来创建一个空的软盘镜像. 在此之前你需要先执行 make, 确保 build 目录中已经生成了 EOS 相关的文件:

dd if=build/boot.bin of=build/floppy.img bs=512 count=1
dd if=/dev/zero of=build/floppy.img bs=512 seek=1 skip=1 count=2879

这两条命令完成的操作也很简单. dd 命令会按照用户指定的选项, 将输入拷贝到输出. 第一条命令实际上就是将输入文件 (if) build/boot.bin 直接拷贝到了输出文件 (of) build/floppy.img 中, 指定单次拷贝 512 字节 (一个扇区的大小), 拷贝 1 次.

第二条命令的作用是把软盘镜像的剩余部分用 0x00 填满. 因为 3.5 英寸软盘的容量是 1440 KB (1.44 MB), 按照一个扇区 512 字节来算, 刚好 2880 个扇区. 因为我们已经用 build/boot.bin 填充了第一个扇区, 所以这次要跳过 1 个扇区把剩下的 2879 个扇区填满. 这样, 我们最后就得到了一个空的软盘镜像. 不要担心这个镜像不会被系统识别, 因为在其第一个扇区中已经包括了 FAT12 文件系统的一些关键信息了.

之后要怎么办呢? GNU/Linux 中有一对命令叫做 mount 和 umount: 前者可以把刚才的软盘镜像作为文件系统, 挂载到某个实际的目录中去; 后者可以卸载之前已经执行过挂载操作的目录. 你现在可能会觉得一头雾水, 没关系我们先来试一下:

mkdir /tmp/floppy
mount build/floppy.img /tmp/floppy -o loop,fat=12

这条带选项的 mount 命令需要特权, 聪明的你知道应该怎么做. 我们首先建立了一个临时目录 /tmp/floppy, 然后执行了 mount, 将软盘镜像挂载到了新建的目录下. 这时, 任何访问 /tmp/floppy 的操作都会被映射到软盘镜像内的 FAT12 文件系统中去. 也就是说, 我们可以直接把另外两个文件复制到这个目录:

cp build/loader.bin /tmp/floppy
cp build/kernel.dll /tmp/floppy

看起来这些文件只是被复制到了目录内, 实际上并没有, 他们直接被写入到软盘镜像里去了. 这个时候我们可以卸载这个镜像:

umount /tmp/floppy

此时 /tmp/floppy 就变回了正常的目录, 不再和软盘镜像建立联系, 不信你用 ls 命令看一下其中的内容. 至此, 软盘镜像就制作完成了, 好像也挺简单的嘛, 接下来启动试试:

cd ~/eos
bochs -f vm/bochsrc

等等... 这是什么情况?

内核撂挑子不干了

遭遇问题

在实践的过程中遇到问题总是在所难免的, 而且有时候这个问题会比较棘手. 教程作者在设计 OS lab 实验环境的初期也遇到过这个问题, 而且还被卡了一段时间. 但是遇到问题之后一定不要慌, Max Xing 有言: 只要是能被 100% 复现的 bug, 就一定算不上什么 bug.

这个问题和 EOS 内核在初始化 IO 设备驱动时做出的某种假设 (assert 断言) 有关. 你可以试着找出具体原因, 并且修改软盘镜像 (或者 EOS 内核) 来解决这个问题吗?

再制作

好吧, 看来用 dd 和 mount 来制作软盘镜像这条路行不通. 我们假装一切都没有发生过...

败者食尘!

现在我们已经可以实现 EOS 的构建了, 那么如何才能得到一个可以启动的软盘镜像呢? 教程作者为你实现了一个简单的工具, 它可以生成和编辑 FAT12 文件系统的软盘镜像的内容: 这个工具叫做 imgedit, 使用 C++11 编写, 可以在此下载源代码.

写这样一个工具类的小软件并不复杂, 你只需要参考 FAT12 的 spec, 或者一些其他资料即可. 完成后你可以使用一些现成的 FAT12 镜像来对你的程序进行测试, 或者使用刚刚的 dd+mount 创建一系列用于测试的镜像.

将 imgedit 的源码 (src 目录) 放入 eos/util/imgedit 目录中. 为了将其编译为可执行文件, 我们同时在目录内建立一个 Makefile. 目前的 eos 目录结构如下:

eos
├── build
├── src
├── util
│   └── imgedit
│       ├── imgedit.cpp
│       ├── imgedit.h
│       ├── main.cpp
│       └── Makefile
├── vm
├── Makefile
└── License.txt

编辑 eos/util/imgedit/Makefile, 写入以下内容:

SOURCE_DIR := .
TARGET_DIR := build
SOURCES    := $(SOURCE_DIR)/imgedit.cpp
SOURCES    += $(SOURCE_DIR)/main.cpp
HEADERS    := $(SOURCE_DIR)/imgedit.h
TARGET     := $(TARGET_DIR)/imgedit

CXXFLAGS := -O3 -std=c++11 -Wall -Werror

all: $(TARGET)

clean:
	-rm $(TARGET)

$(TARGET): $(SOURCES) $(HEADERS)
	-mkdir $(TARGET_DIR)
	g++ $(CXXFLAGS) $(SOURCES) -o $(TARGET)

你可以直接在 imgedit 目录执行 make, 当然也可以这样:

cd ~/eos
make -C util/imgedit

之后你可以直接用 util/imgedit/build/imgedit 来生成软盘镜像 (路径好长):

util/imgedit/build/imgedit build/floppy.img   \
                           -c build/boot.bin  \
                           build/loader.bin   \
                           build/kernel.dll

这次就可以正常通过软盘镜像启动 EOS 了.

更新 Makefile

由于我们已经可以完整构建 EOS 内核, 并生成最终的可引导镜像, 我们可以更新一下之前 eos 目录中的那个 Makefile, 实现一键构建+启动 EOS:

--- Makefile
+++ Makefile
@@ -20,6 +20,8 @@
 KERNEL_TARGETS := $(patsubst $(KERNEL_SRC_DIR)/%.c, $(OBJ_DIR)/%.o, $(wildcard $(KERNEL_SRC_DIR)/**/*.c))
 KERNEL_TARGETS += $(patsubst $(KERNEL_SRC_DIR)/%.c, $(OBJ_DIR)/%.o, $(wildcard $(KERNEL_SRC_DIR)/**/**/*.c))
 KERNEL_TARGETS += $(patsubst $(KERNEL_SRC_DIR)/%.asm, $(OBJ_DIR)/%.o, $(wildcard $(KERNEL_SRC_DIR)/**/**/*.asm))
+FLOPPY_FILES := $(TARGET_DIR)/loader.bin
+FLOPPY_FILES += $(TARGET_DIR)/kernel.dll

 # C compiler
 CFLAGS := $(DEBUG_ARG)
@@ -39,19 +41,38 @@
 LDFLAGS += --out-implib $(TARGET_DIR)/libkernel.a
 LD = $(CROSS_PREFIX)ld $(LDFLAGS)

-.PHONY: all kernel clean
+# virtual machine
+VMFLAGS := -q
+VMFILE = vm/bochsrc
+VM = bochs $(VMFLAGS)
+QEMUFLAGS := -drive
+QEMU = qemu-system-i386 $(QEMUFLAGS)
+
+# utilities
+UTIL_DIR = $(TOP_DIR)/util
+IMGEDIT_DIR = $(UTIL_DIR)/imgedit
+IMGEDIT = $(IMGEDIT_DIR)/build/imgedit

-all: $(TARGET_DIR)/boot.bin $(TARGET_DIR)/loader.bin kernel
+.PHONY: all kernel run runvm clean
+
+all: kernel $(TARGET_DIR)/floppy.img

 kernel: $(TARGET_DIR) $(OBJ_DIR) $(LST_DIR) $(TARGET_DIR)/kernel.dll

+run: all
+	-$(VM) -f $(VMFILE)
+
+runvm: all
+	-$(QEMU) file=$(TARGET_DIR)/floppy.img,if=floppy,format=raw
+
 clean:
+	$(MAKE) -C $(IMGEDIT_DIR) clean
 	-rm -rf $(OBJ_DIR)/*
 	-rm -rf $(LST_DIR)/*
+	-rm -f $(FLOPPY_FILES)
 	-rm -f $(TARGET_DIR)/boot.bin
-	-rm -f $(TARGET_DIR)/loader.bin
-	-rm -f $(TARGET_DIR)/kernel.dll
 	-rm -f $(TARGET_DIR)/libkernel.a
+	-rm -f $(TARGET_DIR)/floppy.img

 # directories
 $(TARGET_DIR):
@@ -80,3 +101,11 @@
 $(TARGET_DIR)/%.bin: $(KERNEL_SRC_DIR)/boot/%.asm
 	nasm $(DEBUG_ARG) -o $@ -l $(LST_DIR)/$(basename $(notdir $<)).lst $<

+# floppy image
+$(TARGET_DIR)/floppy.img: $(TARGET_DIR)/boot.bin $(FLOPPY_FILES) $(IMGEDIT)
+	$(IMGEDIT) $@ -c $< $(FLOPPY_FILES)
+
+# imgedit
+$(IMGEDIT):
+	$(MAKE) -C $(IMGEDIT_DIR)
+

此时如果想一键构建+启动, 只需要:

make run

如果你需要用 QEMU 来启动, 可以:

make runvm