自制一個 Linux 作業系統(4) — Ready for C

6 min readMar 4, 2020

這系列的文章會記錄我嘗試做出一個 Linux OS kernel的過程，要主是依照 https://littleosbook.github.io/ 這系列的文章，加上自已踩下的坑，希望能幫助同樣有做一個作業系統夢想的各位。

進入第三章，這是一章介紹性章節，告訴我們可以開始使用 C 來為我們的 OS 服務了，主要關注於如何讓 Assembly 跟 C 可以連結在一起使用。

首先，要知道使用 C 的主要因原是因為 “Stack” —— 所有有意義的 C programs 都會使用到 Stack。

要在 Assembly 中呼叫 C 的 function，文章中提到是使用 cdecl calling convention (呼叫慣例) 方法，因為這是 GCC 在使用的，更多詳情可到 x86 calling conventions 查看。主要與 Stack 有關的是，function 的參數會以 Stack 的方式，從按照從右至左的順序依次推到 (push) Stack 裡面，而 function 結果儲存在 eax register 中，如以下範例 :

/* The C function */
int sum_of_three(int arg1, int arg2, int arg3)
{
    return arg1 + arg2 + arg3;
}; The assembly code
external sum_of_three   ; the function sum_of_three is defined     
                          elsewhere

push dword 3            ; arg3
push dword 2            ; arg2
push dword 1            ; arg1
call sum_of_three       ; call the function, the result will be in 
                          eax

然後我們需要了解一下，什麼是 Packed Structures。

先了解一下什麼是 Padding (可以參考這篇 stack overflow)。
struct 中的每個成員都應該要位於可按其大小整除的地址，編譯器會在你的 struct 裡面為你的成員間或最後插入空間，目的是為了對齊 (align) 記憶體位置的邊界，這樣做是為了使硬件更輕鬆，更有效率。

而 Packing 則是把 Padding 都移除掉，使 struct 保持著原有的大小。(在以下的內容，我們希望能刻意使 struct 的大小為 32 bits，但因為有 Padding 機制存在，所以我們需要 Packing 來控制大小)。

現在我們需要用 struct 來放置我們的 “configuration bytes”，以下的例子為 32 bits 系統的 configuration bytes :

Bit:     | 31     24 | 23          8 | 7     0 |
Content: | index     | address       | config  |

因為硬體會認為 struct 是一個 32 bits unsigned int，我們只需要使用__attribute__((packed)) 就可以強制 GCC 不加 padding。

struct example {
    unsigned char config;   /* bit 0 - 7 ,char:1-byte = 8-bits */
    unsigned short address; /* bit 8 - 23 ,short:2-byte = 16-bits */
    unsigned char index;    /* bit 24 - 31 */
} __attribute__((packed));

我們現在可以開始試著編譯 C 了，因為我們的 OS 不能使用任個的 standard library，所以我們需要使用以下的 flags 來編譯 C :

-m32 -nostdlib -nostdinc -fno-builtin -fno-stack-protector
-nostartfiles -nodefaultlibs

-m32 : 可以在配置為默認編譯 64-bit 對象的編譯器上編譯 32-bit 對象。
-nostdlib : 不使用 standard library。
-nostdinc : 不要把系統提供的標頭檔給包進來。
-fno-builtin : 不使用C 中的內建 function。
-fno-stack-protector : 關閉 stack protector，stack protector 的作用是防止出現緩衝區溢位 (Stack buffer overflow)。
-nostartfiles : 不使用 standard system startup files。
-nodefaultlibs : 不使用 standard system librarie。

而且在寫 C 時，我們習慣盡量把所有警告變為 error，這可以使我們的 code 更安全且不易出錯 :

-Wall -Wextra -Werror

現在我們可以創建一個 C 檔 kmain.c，並在裡面創建一個 kmain function。這將會被 loader.s 使用。

void kmain(){} //kmain.c

最後，我們創建一個 makefile :

OBJECTS = loader.o kmain.o
CC = gcc
CFLAGS = -m32 -nostdlib -nostdinc -fno-builtin -fno-stack-protector \ -nostartfiles -nodefaultlibs -Wall -Wextra -Werror -c
   
LDFLAGS = -T link.ld -melf_i386
AS = nasm
ASFLAGS = -f elfall: kernel.elfkernel.elf: $(OBJECTS)
    ld $(LDFLAGS) $(OBJECTS) -o kernel.elfos.iso: kernel.elf
    cp kernel.elf iso/boot/kernel.elf
    genisoimage -R                              \
                -b boot/grub/stage2_eltorito    \
                -no-emul-boot                   \
                -boot-load-size 4               \
                -A os                           \
                -input-charset utf8             \
                -quiet                          \
                -boot-info-table                \
                -o os.iso                       \
                isorun: os.iso
    bochs -f bochsrc.txt -q%.o: %.c
    $(CC) $(CFLAGS)  $< -o $@%.o: %.s
    $(AS) $(ASFLAGS) $< -o $@clean:
    rm -rf *.o kernel.elf os.iso

這會是現在的資料夾結構 :

.
|-- bochsrc.txt
|-- iso
|   |-- boot
|     |-- grub
|       |-- menu.lst
|       |-- stage2_eltorito
|-- kmain.c
|-- loader.s
|-- Makefile
|-- link.ld

(文章這邊少打了一個 link.ld 檔。)

我們在 makefile 所在的位置執行 make run 指令，編譯通過後就會啟動 Bochs。

下一章，我們來了解如何實作硬體跟 OS 之間的互動 :
自制一個 Linux 作業系統(5) — Output (上)

自制一個 Linux 作業系統(4) — Ready for C

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Written by YC

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