從零開始制作 MyOS（四）—— 跳轉到 C 語言編寫的小型內核

目標

在引導加載器準備好后，用 C 語言編寫一個小型內核并實現從引導加載器跳轉到內核執行。

代碼

引導程序文件

org 0x7C00
bits 16

start:
    ; 初始化段寄存器
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00

    ; 顯示啟動信息
    mov si, msg_loading
    call print_string

    ; 加載內核到 0x10000
    mov ax, 0x1000
    mov es, ax
    xor bx, bx
    
    mov ah, 0x02    ; 讀扇區
    mov al, 4       ; 4個扇區
    mov ch, 0       ; 柱面0
    mov cl, 2       ; 扇區2
    mov dh, 0       ; 磁頭0
    mov dl, 0x80    ; 驅動器
    int 0x13
    jc disk_error

    ; 切換到保護模式
    cli
    lgdt [gdt_descriptor]
    
    ; 啟用A20
    in al, 0x92
    or al, 2
    out 0x92, al
    
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax
    
    jmp CODE_SEG:init_pm

disk_error:
    mov si, msg_error
    call print_string
    jmp $

print_string:
    lodsb
    test al, al
    jz .done
    mov ah, 0x0E
    int 0x10
    jmp print_string
.done:
    ret

bits 32
init_pm:
    mov ax, DATA_SEG
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov esp, 0x90000
    
    ; 跳轉到內核
    jmp 0x10000

; 數據區
msg_loading db "Booting...", 0xD, 0xA, 0
msg_error db "Disk error!", 0

; GDT
gdt_start:
    dq 0
gdt_code:
    dw 0xFFFF
    dw 0
    db 0
    db 10011010b
    db 11001111b
    db 0
gdt_data:
    dw 0xFFFF
    dw 0
    db 0
    db 10010010b
    db 11001111b
    db 0
gdt_end:

gdt_descriptor:
    dw gdt_end - gdt_start - 1
    dd gdt_start

CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start
DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start

times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

內核入口文件

section .text
global _start

_start:
    mov esp, 0x90000  ; 設置棧指針
    extern kernel_main
    call kernel_main   ; 調用C內核
    hlt

小型內核文件

void kernel_main(void) {
    char *vga = (char*)0xB8000;
    
    // 清屏
    for (int i = 0; i < 80 * 25 * 2; i += 2) {
        vga[i] = ' ';
        vga[i + 1] = 0x07;
    }
    
    // 顯示字符串
    char *msg = "Hello from C Kernel!";
    for (int i = 0; msg[i]; i++) {
        vga[i * 2] = msg[i];
        vga[i * 2 + 1] = 0x07;
    }
    
    while(1) asm("hlt");
}

鏈接器

ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    . = 0x10000;
    
    .text : { *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss) }
}

Makefile

CC = gcc
LD = ld
ASM = nasm

CFLAGS = -m32 -ffreestanding -nostdlib -c
ASFLAGS = -f elf32
LDFLAGS = -m elf_i386 -T linker.ld -nostdlib

all: os.img

os.img: boot.bin kernel.bin
	dd if=/dev/zero of=os.img bs=512 count=2880
	dd if=boot.bin of=os.img conv=notrunc
	dd if=kernel.bin of=os.img bs=512 seek=1 conv=notrunc

boot.bin: boot.asm
	$(ASM) -f bin boot.asm -o boot.bin

kernel.bin: kernel.elf
	objcopy -O binary kernel.elf kernel.bin

kernel.elf: entry.o kernel.o
	$(LD) $(LDFLAGS) -o kernel.elf entry.o kernel.o

kernel.o: kernel.c
	$(CC) $(CFLAGS) kernel.c -o kernel.o

entry.o: entry.asm
	$(ASM) $(ASFLAGS) entry.asm -o entry.o

clean:
	rm -f *.o *.bin *.elf os.img

run: os.img
	qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=os.img

.PHONY: all clean run

編譯運行

# ubuntu 中，VGA 顯示
make clean && make run

運行結果

當終端打印出來“Hello from C Kernel!”，就表示運行成功了

問題

本節遇到最大的問題是內核跳轉不過來，目前只找到以下一些可能：

磁盤問題

1. 段寄存器設置順序錯誤

   • 先設置ES再操作磁盤

2. 缺少錯誤重試機制?
   +

3. 扇區數不足

A20地址線啟用問題

1. and al, 0xFE會錯誤清除bit 0（可能影響系統重啟）

2. 缺少狀態檢查?：未驗證A20是否真正啟用成功

保護模式跳轉問題

1. 無效跳轉指令，jmp 0x10000未使用段選擇子，在保護模式下會崩潰
2. 缺少段寄存器初始化?：未正確設置DS/ES/SS等數據段寄存器

內核入口對齊問題

1. 未聲明全局符號?：_start未在entry.asm中聲明為global
2. ?棧未對齊?：x86要求棧指針按16字節對齊

編譯鏈接問題

1. 缺少內核地址指定?：鏈接腳本未強制指定內核加載地址為0x10000
2. 未處理BSS段?：未清零未初始化數據段