Программирование -> C / C++ -> The Real "Hello World"

The Real "Hello World"

Stanislav Ievlev, linux.ru.net

1. Идея (hello.c)

Изучение нового языка программирования начинается, как правило, с написания простенькой программы, выводящей на экран краткое приветствие типа "Hello World!". Например, для C это будет выглядить приблизительно так.

main()
{
printf("Hello World!\n");
}

Показательно, но совершенно не интересно. Программа, конечно работает, режим защищенный, но ведь для ее функционирования требуется ЦЕЛАЯ операционная система. А что если написать такой "Hello World", для которого ничего не надо. Вставляем дискетку в компьютер, загружаемся с нее и ..."Hello World". Можно даже прокричать это приветствие из защищенного режима.

Сказано - сделано. С чего бы начать?.. Набраться знаний, конечно. Для этого очень хорошо полазить в исходниках Linux и Thix. Первая система всем хорошо знакома, вторая менее известна, но не менее полезна.

Подучились? ... Понятно, что сперва надо написать загрузочный сектор для нашей мини-опрерационки (а ведь это именно мини-операционка). Поскольку процессор грузится в 16-разрядном режиме, то для созджания загрузочного сектора используется ассемблер и линковщик из пакета bin86. Можно, конечно, поискать еще что-нибудь, но оба наших примера используют именно его и мы тоже пойдет по стопам учителей. Синтаксис этого ассемблера немколько странноватый, совмещающий черты, характерные и для Intel и для AT&T (за подробностями направляйтесь в Linux-Assembly-HOWTO), но после пары недель мучений можно привыкнуть.

2. Загрузочный сектор (boot.S)

Сознательно не буду приводить листингов программ. Так станут понятней основные идеи, да и вам будет намного приятней, если все напишите своими руками.

Для начала определимся с основными константами.

START_HEAD = 0 - Головка привода, которою будем использовать.

START_TRACK = 0 - Дорожка, откуда начнем чтение.

START_SECTOR = 2 - Сектор, начиная с которого будем считывать наше ядрышко.

SYSSIZE = 10 - Размер ядра в секторах (каждый сектор содержит 512 байт)

FLOPPY_ID = 0 - Идентификатор привода. 0 - для первого, 1 - для второго

HEADS = 2 - Количество головок привода.

SECTORS = 18 - Количество дорожек на дискете. Для формата 1.44 Mb это количество равно 18.

В процессе загрузки будет происходить следующее. Загрузчик BIOS считает первый сектор дискеты, положит его по адресу 0000:0x7c00 и передаст туда управление. Мы его получим и для начала переместим себя пониже по адресу 0000:0x600, перейдем туда и спокойно продолжим работу. Собственно вся наша работа будет состоять из загрузки ядра (сектора 2 - 12 первой дорожки дискеты) по адресу 0x100:0000, переходу в защищенный режим и скачку на первые строки ядра. В связи с этим еще несколько констант:

BOOTSEG = 0x7c00 - Сюда поместит загрузочный сектор BIOS.

INITSEG = 0x600 - Сюда его переместим мы.

SYSSEG = 0x100 - А здесь приятно расположится наше ядро.

DATA_ARB = 0x92 - Определитель сегмента данных для дескриптора

CODE_ARB = 0x9A - Определитель сегмента кода для дескриптора.

Первым делом произведем перемещение самих себя в более приемлемое место.

   cli
   xor     ax, ax
   mov     ss, ax
   mov     sp, #BOOTSEG
   mov     si, sp
   mov     ds, ax
   mov     es, ax
   sti
   cld
   mov     di, #INITSEG
   mov     cx, #0x100
   repnz
   movsw
   jmpi    go, #0      ;  прыжок в новое местоположение 
                          загрузочного сектора  на метку go

Теперь необходимо настроить как следует сегменты для данных (es, ds) и для стека. Это конечно неприятно, что все приходится делать вручную, но что делать. Ведь нет никого в памяти компьютера, кроме нас и BIOS.

go:
  mov     ax, #0xF0
  mov     ss, ax
  mov     sp, ax          ; Стек разместим как 0xF0:0xF0 = 0xFF0
  mov     ax, #0x60       ; Сегменты для данных ES и DS зададим в 0x60
  mov     ds, ax
  mov     es, ax

Наконец можно вывести победное приветствие. Пусть мир узнает, что мы смогли загрузиться. Поскольку у нас есть все-таки еще BIOS, воспользуемся готовой функцией 0x13 прерывания 0x10. Можно конечно презреть его и написать напрямую в видеопамять, но у нас каждый байт команды на счету, а байт таких всего 512. Потратим их лучше на что-нибудь более полезное.

  mov     cx,#18
  mov     bp,#boot_msg
  call    write_message

Функция write_message выгдядит следующим образом

write_message:
   push    bx
   push    ax
   push    cx
   push    dx
   push    cx
   mov     ah,#0x03      ; прочитаем текущее положение курсора,
                           дабы не выводить сообщения где попало.
   xor     bh,bh
   int     0x10
   pop     cx
   mov     bx,#0x0007    ; Параметры выводимых символов :
                           видеостраница 0, аттрибут 7 (серый на черном)
   mov     ax,#0x1301    ; Выводим строку и сдвигаем курсор.
   int     0x10
   pop     dx
   pop     cx
   pop     ax
   pop     bx
   ret

А сообщение так

boot_msg:
                .byte 13,10
                .ascii "Booting data ..."
                .byte 0

К этому времени на дисплее компьютера появится скромное "Booting data ..." . Это в принципе уже "Hello World", но давайте добьемся чуточку большего. Перейдем в защищенный режим и выведем этот "Hello" уже из программы написаной на C.

Ядро 32-разрядное. Оно будет у нас размещаться отдельно от загрузочного сектора и собираться уже gcc и gas. Синтаксис ассемблера gas соответсвует требованиям AT&T, так что тут уже все проще. Но для начала нам нужно прочитать ядро. Опять воспользуемся готовой функцией 0x2 прерывания 0x13.

recalibrate:
  mov     ah, #0
  mov     dl, #FLOPPY_ID
  int     0x13            ; производим переинициализацию дисковода.
  jc      recalibrate
  call    read_track      ; вызов функции чтения ядра
  jnc     next_work       ; если во время чтения не произошло ничего
                            плохого то работаем дальше
bad_read:
                          ; если чтение произошло неудачно то
                            выводим сообщение об ошибке
  mov     bp,#error_read_msg
  mov     cx,7
  call    write_message
inf1:     jmp     inf1    ; и уходим в бесконечный цикл.
                            Теперь нас спасет только ручная перезагрузка

Сама функция чтения предельно простая: долго и нудно заполняем параметры, а затем одним махом считываем ядро. Усложнения начнуться, когда ядро перестанет помещаться в 17 секторах ( то есть 8.5 kb), но это пока только в будущем, а пока вполне достаточно такого молниеносного чтения.

read_track:
   pusha
   push  es
   push  ds
   mov   di, #SYSSEG         ; Определяем
   mov   es, di              ; адрес буфера для данных
   xor   bx, bx
   mov   ch, #START_TRACK    ;дорожка 0
   mov   cl, #START_SECTOR   ;начиная с сектора 2
   mov   dl, #FLOPPY_ID
   mov   dh, #START_HEAD
   mov   ah, #2
   mov   al, #SYSSIZE        ;считать 10 секторов
   int   0x13
   pop   ds
   pop   es
   popa
   ret

Вот и все. Ядро успешно прочитано и можно вывести еще одно радостное сообщение на экран.

next_work:
  call    kill_motor       ; останавливаем привод дисковода
  mov     bp,#load_msg     ; выводим сообщение
  mov     cx,#4
  call    write_message

Вот содержимое сообщения

load_msg:
   .ascii "done"
   .byte 0

А вот функция остановки двигателя привода.

kill_motor:
  push    dx
  push    ax
  mov     dx,#0x3f2
  xor     al,al
  out     dx,al
  pop     ax
  pop     dx
  ret

На данный момент на экране выведено "Booting data ...done" и лампочка привода флоппи-дисков погашена. Все затихли и готовы к смертельному номеру - прыжку в защищенный режим.

Для начала надо включить адресную линию A20. Это в точности означает, что мы будем использовать 32-разрядную адресацию к данным.

  mov     al, #0xD1      ; команда записи для 8042
  out     #0x64, al
  mov     al, #0xDF      ; включить A20
  out     #0x60, al

Выведем предупреждающее сообщение, о том, что переходим в защищенный режим. Пусть все знают, какие мы важные.

protected_mode:
   mov     bp,#loadp_msg
   mov     cx,#25
   call    write_message

(Сообщение:

loadp_msg:
   .byte 13,10
   .ascii "Go to protected mode..."
   .byte 0
 )

Пока еще у нас жив BIOS, запомним позицию курсора и сохраним ее в известном месте ( 0000:0x8000 ). Ядро позже заберет все данные и будет их использовать для вывода на экран победного сообщения.

save_cursor:
   mov     ah,#0x03     ; читаем текущую позицию курсора
   xor     bh,bh
   int     0x10
   seg     cs
   mov     [0x8000],dx  ;сохраняем в специальном тайнике

Теперь внимание, запрещаем прерывания (нечего отвлекаться во время такой работы) и загружаем таблицу дескрипторов

   cli
   lgdt    GDT_DESCRIPTOR    ; загружаем описатель таблицы 
                               дескрипторов.

У нас таблица дескрипторов состоит из трех описателей: Нулевой (всегда должен присутствовать), сегмента кода и сегмента данных

.align  4
.word   0
GDT_DESCRIPTOR: .word   3 * 8 - 1             ; размер таблицы 
                                                дескрипторов
                .long   0x600 + GDT           ; местоположение 
                                                таблицы дескрипторов
.align  2
GDT:
                .long   0, 0                  ;   Номер  0: пустой
                                                  дескриптор
                .word   0xFFFF, 0             ;   Номер  8: 
                                                  дескриптор кода
                .byte   0, CODE_ARB, 0xC0, 0
                .word   0xFFFF, 0             ;   Номер 0x10: 
                                                  дескриптор данных
                .byte   0, DATA_ARB, 0xCF, 0

Переход в защищенный режим может происходить минимум двумя способами, но обе ОС , выбранные нами для примера (Linux и Thix) используют для совместимости с 286 процессором команду lmsw. Мы будем действовать тем же способом

  mov     ax, #1
  lmsw    ax          ; прощай реальный режим. Мы теперь 
                        находимся в защищенном режиме.
  jmpi    0x1000, 8   ; Затяжной прыжок на 32-разрядное ядро.

Вот и вся работа загрузочного сектора - немало, но и немного. Теперь мы попрощаемся с ним и направимся к ядру.

В конце ассемблерного файла полезно добавить следующую инструкцию.

.org 511
end_boot:       .byte   0

В результате скомпилированный код будет занимать ровно 512 байт, что очень удобно для подготовки образа загрузочного диска.

3. Первые вздохи ядра (head.S)

Ядро к сожалению опять начнется с ассемблерного кода. Но теперь его будет совсем немного.

Мы собственно зададим правильные значения сегментов для данных (ES, DS, FS, GS). Записав туда значение соответствующего дескриптора данных.

  cld
  cli
  movl $(__KERNEL_DS),%eax
  movl %ax,%ds
  movl %ax,%es
  movl %ax,%fs
  movl %ax,%gs

Проверим, нормально ли включилась адресная линия A20 простым тестом записи. Обнулим для чистоты эксперимента регистр флагов.

     xorl %eax,%eax
1:   incl %eax
     movl %eax,0x000000
     cmpl %eax,0x100000
     je 1b
     pushl $0
     popfl

Вызовем долгожданную функцию, уже написанную на С.

   call SYMBOL_NAME(start_my_kernel)

И больше нам тут делать нечего.

inf:    jmp     inf

4. Поговорим на языке высокого уровня (start.c)

Вот теперь мы вернулись к тому с чего начинали рассказ. Почти вернулись, потому что printf() теперь надо делать вручную. поскольку готовых прерываний уже нет, то будем использовать прямую запись в видеопамять. Для любопытных - почти весь код этой части , с незначительными изменениями, повзаимствован из части ядра Linux, осуществляющей распаковку (/arch/i386/boot/compressed/*). Для сборки вам потребуется дополнительно определить такие макросы как inb(), outb(), inb_p(), outb_p(). Готовые определения проще всего одолжить из любой версии Linux.

Теперь, дабы не путаться со встроенными в glibc функциями, отменим их определение

#undef memcpy

Зададим несколько своих

static void puts(const char *);
static char *vidmem = (char *)0xb8000; /*адрес видеопамати*/
static int vidport;                    /*видеопорт*/
static int lines, cols;                /*количество линий и строк на экран*/
static int curr_x,curr_y;              /*текущее положение курсора */

И начнем, наконец, писать код на языке высокого уровня... правда с небольшими ассемблерными вставками.

/*функция перевода курсора в положение (x,y). Работа ведется через ввод/вывод в видеопорт*/

void gotoxy(int x, int y)
{
int pos;
  pos = (x + cols * y) * 2;
  outb_p(14, vidport);
  outb_p(0xff & (pos >> 9), vidport+1);
  outb_p(15, vidport);
  outb_p(0xff & (pos >> 1), vidport+1);
}

/*функция прокручивания экрана. Работает, используя прямую запись в видеопамять*/

static void scroll()
{
   int i;
   memcpy ( vidmem, vidmem + cols * 2, ( lines - 1 ) * cols * 2 );
   for ( i = ( lines - 1 ) * cols * 2; i < lines * cols * 2; i += 2 )
           vidmem[i] = ' ';
}

/*функция вывода строки на экран*/

static void puts(const char *s)
{
  int x,y;
  char c;
  x = curr_x;
  y = curr_y;
  while ( ( c = *s++ ) != '\0' ) {
   if ( c == '\n' ) {
     x = 0;
     if ( ++y >= lines ) {
             scroll();
             y--;
     }
   } else {
     vidmem [ ( x + cols * y ) * 2 ] = c;
     if ( ++x >= cols ) {
          x = 0;
          if ( ++y >= lines ) {
            scroll();
                  y--;
          }
     }
 }
  }
  gotoxy(x,y);
}

/*функция копирования из одной области памяти в другую. Заместитель стандартной функции glibc */

void* memcpy(void* __dest, __const void* __src,
                            unsigned int __n)
{
        int i;
        char *d = (char *)__dest, *s = (char *)__src;
        for (i=0;i<__n;i++) d[i] = s[i];
}

/*функция издающая долгий и протяжных звук. Использует только ввод/вывод в порты поэтому очень полезна для отладки*/

make_sound()
{
__asm__("
   movb    $0xB6, %al\n\t
   outb    %al, $0x43\n\t
   movb    $0x0D, %al\n\t
   outb    %al, $0x42\n\t
   movb    $0x11, %al\n\t
   outb     %al, $0x42\n\t
   inb     $0x61, %al\n\t
   orb     $3, %al\n\t
   outb    %al, $0x61\n\t
");
}
/*А вот и основная функция*/
int start_my_kernel()
{
/*задаются основные параметры */
   vidmem = (char *) 0xb8000;
   vidport = 0x3d4;
   lines = 25;
   cols = 80;
/*считывается предусмотрительно сохраненные координаты курсора*/
   curr_x=*(unsigned char *)(0x8000);
   curr_y=*(unsigned char *)(0x8001);
/*выводится строка*/
   puts("done\n");
/*уходим в бесконечный цикл*/
   while(1);
}

Вот и вывели мы этот "Hello World" на экран. Сколько проделано работы, а на экране только две строчки

Booting data ...done
Go to proteсted mode ...done

Немного, но и немало. Закричала новая операционная система. Мир с радостью воспринял ее. Кто знает, может быть это новый Linux ...

5. Подготовка загрузочного образа (floppy.img)

Итак, подготовим загрузочный образ нашей системки.

Для начала соберем загрузочный сектор.

as86 -0 -a -o boot.o boot.S
ld86 -0 -s -o boot.img boot.o

Обрежем 32 битный заголовок и получим таким образом чистый двоичный код.

dd if=boot.img of=boot.bin bs=32 skip=1

Соберем ядро

gcc -traditional -c head.S -o head.o
gcc -O2 -DSTDC_HEADERS -c start.c

При компоновке НЕ ЗАБУДБЬТЕ параметр "-T" он указывает относительно которого смещения вести расчеты, в нашем случае поскольку ядро грузится по адресy 0x1000, то и смещение соотетствующее

ld -m elf_i386 -Ttext 0x1000  -e startup_32 head.o start.o -o head.img

Очистим зерна от плевел, то есть чистый двоичный код от всеческих служебных заголовков и комментариев

objcopy -O binary -R .note -R .comment -S head.img head.bin

И соединяем воедино загрузочный сектор и ядро

cat boot.bin head.bin >floppy.img

Образ готов. Записываем на дискетку (заготовьте несколько для экспериментов, я прикончил три штуки) перезагружаем компьютер и наслаждаемся.

cat floppy.img >/dev/fd0

6. Е-мое, что ж я сделал (...)

Здорово, правда? Приятно почувствовать себя будущим Торвальдсом или кем-то еще. Красная линия намечена, можно смело идти вперед, дописывать и переписывать систему. Описанная процедура пока что едина для множества операционных систем, будь то UNIX или Windows. Что напишете Вы? ... не знает не кто. Ведь это будет Ваша система.