Ответ 1
Существует ряд проблем, но в целом ваш код сборки работает. Я написал ответ StackOverflow, в котором есть советы по общей загрузке загрузчика.
Не допускайте правильной установки регистров сегментов
В исходном коде вашего вопроса не задан регистр сегментов стека SS. Совет №1, который я даю, это:
Когда BIOS переходит на ваш код, вы не можете полагаться на CS, DS, ES, SS, SP регистры, имеющие действительные или ожидаемые значения. Они должны быть настроены когда ваш загрузчик запускается.
Если вам нужна ES, она также должна быть установлена. Хотя в вашем коде это, похоже, не так (за исключением функции print_string, о которой я расскажу ниже).
Правильно Определите GDT
Самая большая ошибка, которая помешала бы вам перейти в защищенный режим, заключается в том, что вы создали глобальную таблицу дескрипторов (GDT) в gdt.inc, начиная с:
gdt_start:
dd 0 ; null descriptor--just fill 8 bytes dd 0
Каждый глобальный дескриптор должен быть 8 байтов, но dd 0 определяет только 4 байта (двойное слово). Это должно быть:
gdt_start:
dd 0 ; null descriptor--just fill 8 bytes
dd 0
На самом деле кажется, что второй dd 0 был случайно добавлен в конец комментария в предыдущей строке.
Если в 16-разрядном режиме реального режима не использовать 32-битный код
Вы написали код print_string, но это 32-разрядный код:
[bits 32]
; prints a null - terminated string pointed to by EBX
print_string :
pusha
mov edx , VIDEO_MEMORY ; Set edx to the start of vid mem.
print_string_loop :
mov al , [ ebx ] ; Store the char at EBX in AL
mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH
cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so
je print_string_done ; jump to done
mov [edx] , ax ; Store char and attributes at current
; character cell.
add ebx , 1 ; Increment EBX to the next char in string.
add edx , 2 ; Move to next character cell in vid mem.
jmp print_string_loop ; loop around to print the next char.
print_string_done :
popa
ret ; Return from the function
Вы вызываете print_string как обработчик ошибок в 16-разрядном коде, поэтому то, что вы здесь делаете, скорее всего, приведет к перезагрузке компьютера. Вы не можете использовать 32-разрядные регистры и адресацию. Код можно сделать 16-бит с некоторыми настройками:
; prints a null - terminated string pointed to by EBX
print_string :
pusha
push es ;Save ES on stack and restore when we finish
push VIDEO_MEMORY_SEG ;Video mem segment 0xb800
pop es
xor di, di ;Video mem offset (start at 0)
print_string_loop :
mov al , [ bx ] ; Store the char at BX in AL
mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH
cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so
je print_string_done ; jump to done
mov word [es:di], ax ; Store char and attributes at current
; character cell.
add bx , 1 ; Increment BX to the next char in string.
add di , 2 ; Move to next character cell in vid mem.
jmp print_string_loop ; loop around to print the next char.
print_string_done :
pop es ;Restore ES that was saved on entry
popa
ret ; Return from the function
Основное отличие (в 16-разрядном коде) заключается в том, что мы больше не используем 32-разрядные регистры EAX и EDX. Чтобы получить доступ к видеопамяти @0xb8000, нам нужно использовать пару сегментов: offset, которая представляет одно и то же. 0xb8000 может быть представлен как сегмент: смещение 0xb800: 0x0 (вычисляется как (0xb800 < 4) + 0x0) = 0xb8000 физического адреса. Мы можем использовать это знание для хранения b800 в регистре ES и использовать регистр DI в качестве смещения для обновления видеопамяти. Теперь мы используем:
mov word [es:di], ax
Чтобы переместить слово в видеокамеру.
Сборка и связывание ядра и загрузчика
Одна из проблем, возникающих при создании вашего ядра, заключается в том, что вы неправильно генерируете плоское двоичное изображение, которое может быть загружено непосредственно в память. Вместо использования gcc -ffreestanding -o kernel.bin kernel.c я рекомендую сделать это следующим образом:
gcc -g -m32 -c -ffreestanding -o kernel.o kernel.c -lgcc
ld -melf_i386 -Tlinker.ld -nostdlib --nmagic -o kernel.elf kernel.o
objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin
Скомпилирует kernel.c в kernel.o с информацией об отладке (-g). Затем компоновщик принимает kernel.o(32-разрядный ELF файл) и создает исполняемый файл ELF, называемый kernel.elf(этот файл будет полезен, если вы хотите отлаживать ваше ядро). Затем мы используем objcopy, чтобы взять исполняемый файл ELF32 kernel.elf и преобразовать его в плоское двоичное изображение kernel.bin, которое может быть загружено BIOS. Главное отметить, что с опцией -Tlinker.ld мы просим LD (компоновщик) читать параметры из файла linker.ld. Это простой linker.ld, который вы можете использовать для начала работы:
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(main)
SECTIONS
{
. = 0x9000;
.text : { *(.text) }
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) *(COMMON) }
}
Следует отметить, что . = 0x9000 сообщает компоновщику, что он должен создать исполняемый файл, который будет загружен по адресу памяти 0x9000. 0x9000 - это то место, где вы, похоже, поместили ваше ядро в свой вопрос. Остальные строки предоставляют разделы C, которые должны быть включены в ваше ядро для правильной работы.
Я рекомендую делать что-то подобное при использовании NASM, а не делать nasm -f bin -o boot.bin bootloader.asm делать это следующим образом:
nasm -g -f elf32 -F dwarf -o boot.o bootloader.asm
ld -melf_i386 -Ttext=0x7c00 -nostdlib --nmagic -o boot.elf boot.o
objcopy -O binary boot.elf boot.bin
Это похоже на компиляцию ядра C. Мы не используем компоновщик script здесь, но мы говорим компоновщику, чтобы произвести наш код, предполагая, что код (загрузчик) будет загружен в 0x7c00.
Для этого вам нужно удалить эту строку из bootloader.asm:
[ORG 0x7c00]
Очистка Ядро (kernel.c)
Измените файл kernel.c следующим образом:
/* This code will be placed at the beginning of the object by the linker script */
__asm__ (".pushsection .text.start\r\n" \
"jmp main\r\n" \
".popsection\r\n"
);
/* Place main as the first function defined in kernel.c so
* that it will be at the entry point where our bootloader
* will call. In our case it will be at 0x9000 */
int main(){
/* Do Stuff Here*/
return 0; /* return back to bootloader */
}
В bootloader.asm мы должны вызывать функцию main (которая будет помещаться в 0x9000), а не переходить на нее. Вместо:
jmp 0x9000
Измените его на:
call 0x9000
cli
loopend: ;Infinite loop when finished
hlt
jmp loopend
Код после вызова будет выполнен, когда возвращается функция C. Это простой цикл, который будет эффективно останавливать процессор и оставаться таким образом на неопределенный срок, поскольку нам некуда вернуться.
Код после внесения всех рекомендуемых изменений
bootloader.asm
[bits 16]
global _start
_start:
cli
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x8000 ; Stack pointer at SS:SP = 0x0000:0x8000
mov [BOOT_DRIVE], dl; Boot drive passed to us by the BIOS
mov dh, 17 ; Number of sectors (kernel.bin) to read from disk
; 17*512 allows for a kernel.bin up to 8704 bytes
mov bx, 0x9000 ; Load Kernel to ES:BX = 0x0000:0x9000
call load_kernel
call enable_A20
; call graphics_mode ; Uncomment if you want to switch to graphics mode 0x13
lgdt [gdtr]
mov eax, cr0
or al, 1
mov cr0, eax
jmp CODE_SEG:init_pm
graphics_mode:
mov ax, 0013h
int 10h
ret
load_kernel:
; load DH sectors to ES:BX from drive DL
push dx ; Store DX on stack so later we can recall
; how many sectors were request to be read ,
; even if it is altered in the meantime
mov ah , 0x02 ; BIOS read sector function
mov al , dh ; Read DH sectors
mov ch , 0x00 ; Select cylinder 0
mov dh , 0x00 ; Select head 0
mov cl , 0x02 ; Start reading from second sector ( i.e.
; after the boot sector )
int 0x13 ; BIOS interrupt
jc disk_error ; Jump if error ( i.e. carry flag set )
pop dx ; Restore DX from the stack
cmp dh , al ; if AL ( sectors read ) != DH ( sectors expected )
jne disk_error ; display error message
ret
disk_error :
mov bx , ERROR_MSG
call print_string
hlt
; prints a null - terminated string pointed to by EDX
print_string :
pusha
push es ;Save ES on stack and restore when we finish
push VIDEO_MEMORY_SEG ;Video mem segment 0xb800
pop es
xor di, di ;Video mem offset (start at 0)
print_string_loop :
mov al , [ bx ] ; Store the char at BX in AL
mov ah , WHITE_ON_BLACK ; Store the attributes in AH
cmp al , 0 ; if (al == 0) , at end of string , so
je print_string_done ; jump to done
mov word [es:di], ax ; Store char and attributes at current
; character cell.
add bx , 1 ; Increment BX to the next char in string.
add di , 2 ; Move to next character cell in vid mem.
jmp print_string_loop ; loop around to print the next char.
print_string_done :
pop es ;Restore ES that was saved on entry
popa
ret ; Return from the function
%include "a20.inc"
%include "gdt.inc"
[bits 32]
init_pm:
mov ax, DATA_SEG
mov ds, ax
mov ss, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ebp, 0x90000
mov esp, ebp
call 0x9000
cli
loopend: ;Infinite loop when finished
hlt
jmp loopend
[bits 16]
; Variables
ERROR db "A20 Error!" , 0
ERROR_MSG db "Error!" , 0
BOOT_DRIVE: db 0
VIDEO_MEMORY_SEG equ 0xb800
WHITE_ON_BLACK equ 0x0f
times 510-($-$$) db 0
db 0x55
db 0xAA
gdt.inc
gdt_start:
dd 0 ; null descriptor--just fill 8 bytes
dd 0
gdt_code:
dw 0FFFFh ; limit low
dw 0 ; base low
db 0 ; base middle
db 10011010b ; access
db 11001111b ; granularity
db 0 ; base high
gdt_data:
dw 0FFFFh ; limit low (Same as code)
dw 0 ; base low
db 0 ; base middle
db 10010010b ; access
db 11001111b ; granularity
db 0 ; base high
end_of_gdt:
gdtr:
dw end_of_gdt - gdt_start - 1 ; limit (Size of GDT)
dd gdt_start ; base of GDT
CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start
DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start
a20.inc
enable_A20:
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
call a20_bios
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
call a20_keyboard
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
call a20_fast
call check_a20
cmp ax, 1
je enabled
mov bx, [ERROR]
call print_string
enabled:
ret
check_a20:
pushf
push ds
push es
push di
push si
cli
xor ax, ax ; ax = 0
mov es, ax
not ax ; ax = 0xFFFF
mov ds, ax
mov di, 0x0500
mov si, 0x0510
mov al, byte [es:di]
push ax
mov al, byte [ds:si]
push ax
mov byte [es:di], 0x00
mov byte [ds:si], 0xFF
cmp byte [es:di], 0xFF
pop ax
mov byte [ds:si], al
pop ax
mov byte [es:di], al
mov ax, 0
je check_a20__exit
mov ax, 1
check_a20__exit:
pop si
pop di
pop es
pop ds
popf
ret
a20_bios:
mov ax, 0x2401
int 0x15
ret
a20_fast:
in al, 0x92
or al, 2
out 0x92, al
ret
[bits 32]
[section .text]
a20_keyboard:
cli
call a20wait
mov al,0xAD
out 0x64,al
call a20wait
mov al,0xD0
out 0x64,al
call a20wait2
in al,0x60
push eax
call a20wait
mov al,0xD1
out 0x64,al
call a20wait
pop eax
or al,2
out 0x60,al
call a20wait
mov al,0xAE
out 0x64,al
call a20wait
sti
ret
a20wait:
in al,0x64
test al,2
jnz a20wait
ret
a20wait2:
in al,0x64
test al,1
jz a20wait2
ret
kernel.c
/* This code will be placed at the beginning of the object by the linker script */
__asm__ (".pushsection .text.start\r\n" \
"jmp main\r\n" \
".popsection\r\n"
);
/* Place main as the first function defined in kernel.c so
* that it will be at the entry point where our bootloader
* will call. In our case it will be at 0x9000 */
int main(){
/* Do Stuff Here*/
return 0; /* return back to bootloader */
}
linker.ld
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(main)
SECTIONS
{
. = 0x9000;
.text : { *(.text.start) *(.text) }
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) *(COMMON) }
}
Создание образа диска с использованием DD/отладки с QEMU
Если вы используете файлы выше и создаете необходимые файлы загрузчика и ядра с помощью этих команд (как упоминалось ранее)
nasm -g -f elf32 -F dwarf -o boot.o bootloader.asm
ld -melf_i386 -Ttext=0x7c00 -nostdlib --nmagic -o boot.elf boot.o
objcopy -O binary boot.elf boot.bin
gcc -g -m32 -c -ffreestanding -o kernel.o kernel.c -lgcc
ld -melf_i386 -Tlinker.ld -nostdlib --nmagic -o kernel.elf kernel.o
objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin
Вы можете создать образ диска (в этом случае мы сделаем его размером с дискету) с помощью следующих команд:
dd if=/dev/zero of=disk.img bs=512 count=2880
dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 conv=notrunc
dd if=kernel.bin of=disk.img bs=512 seek=1 conv=notrunc
Это создает образ с нулевым заполнением размером 512 * 2880 байт (размер дискеты 1,44 мегабайта). dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 conv=notrunc записывает boot.bin в первый сектор файла без обрезания образа диска. dd if=kernel.bin of=disk.img bs=512 seek=1 conv=notrunc помещает kernel.bin в образ диска, начиная со второго сектора. Перед записью seek=1 пропускает первый блок (bs = 512).
Если вы хотите запустить ядро, вы можете запустить его в качестве флоппи-дисковода A: (-fda) в QEMU следующим образом:
qemu-system-i386 -fda disk.img
Вы также можете отлаживать свое 32-битное ядро с помощью QEMU и GNU Debugger (GDB) с информацией об отладке, которую мы сгенерировали при компиляции/сборке кода с приведенными выше инструкциями.
qemu-system-i386 -fda disk.img -S -s &
gdb kernel.elf \
-ex 'target remote localhost:1234' \
-ex 'layout src' \
-ex 'layout reg' \
-ex 'break main' \
-ex 'continue'
В этом примере запускается QEMU с удаленным отладчиком и эмуляция гибкого диска с использованием файла disk.img (который мы создали с помощью DD). GDB запускается с использованием kernel.elf(файл, который мы сгенерировали с информацией об отладке), затем подключается к QEMU и устанавливает точку останова в функции main() в коде C. Когда окончательный отладчик будет готов, вам будет предложено нажать <return> для продолжения. Если вам повезет, вы должны просматривать функцию main в отладчике.