Пишем игрушечную ОС (Часть I)
Автор: (C) Krishnakumar R.
<[email protected]>
Перевод: (C)
Александр Куприн
Эта статья -- практическое пособие по написанию кода для создания
загрузочного сектора диска (boot sector). В первой ее части рассматриваются
теоретические основы того, что происходит после включения питания компьютера.
Заодно излагается план наших действий. Во второй части речь идет о том, что нам
понадобится для того, чтобы двигаться дальше, а в третьей мы уже будем иметь
дело с самой программой. Программа не будет загружать Linux, она просто покажет
кое-что на экране.
1. Предыстория
1.1 Маскарадный костюм
Процессор -- это сердце компьютера. При включении питания, каждый
микропроцессор представляет из себя всего лишь еще один 8086-й. (В этой статье
речь идет об x86-совместимых процессорах. Прим.перев.). Даже если у вас самый
последний Pentium, в этот момент он обладает лишь возможностями своего далекого
предка. И только программно переключив процессор в малоизвестный защищенный
режим, мы получим доступ ко всей его мощи.
1.2 Наша роль
Первоначально, контроль находится в руках BIOS (Basic Input/Outpuit
System; Базовая Система Ввода-Вывода). Это набор программ, которые хранятся в
ROM (Read Only Memory; ПЗУ -- программируемое запоминающее устройство). После
включения питания BIOS выполняет POST (Power On Self Test). Это программа
проверки целостности компьютера (проверка корректности работы памяти, клавиатуры
и других подключенных к компьютеру периферийных устройств). Все это происходит в
тот момент, когда вы слышите звуковой сигнал. (Если в процессе проверки
обнаруживается ошибка, то компьютер опять подает звуковые сигналы, но уже другой
длительностью и в иной последовательности -- в описаниях к материнским платам
иногда встречаются звуковые последовательности, соответствующие той или иной
неисправности. Если такого такого нет в вашем описании, то вы можете его найти
на сайте производителя прошивки для BIOS. Например, сайт компании Phoenix Technologies Ltd
[http://www.phoenix.com/products/specs.html] (ищите на нем pdf-файл
userman.pdf). Только учтите, у них сейчас идет реконструкция, поэтому карта
сайта может измениться. Прим.перев.) Если все в порядке, то BIOS выбирает
загрузочное устройство. Он копирует первый сектор (boot sector) с устройства в
ОЗУ по адресу 0x7C00. (Следует уточнить, что если речь идет о жестких
дисках, то первый сектор называется не boot sector, а master boot record --
главная загрузочная запись или MBR. Прим.перев.) Затем управление передается по
этому адресу. Загрузочным устройством может служить флоппи-диск, CD-ROM, жесткий
диск или любое другое устройство по вашему выбору. В качестве такового мы
воспользуемся флоппи-диском. Если записать исполняемый код в загрузочный сектор
гибкого диска, то он будет выполнен при попытке загрузки с дискеты. Наша задача
проста: написать небольшую программу и разместить ее в загрузочном секторе.
1.3 План
Для начала напишем программу на ассемблере процессора 8086 (не паникуйте; я
объясню как) и скопируем ее в загрузочный сектор флоппи-диска. Для копирования
мы напишем программу на C. Загрузим компьютер с дискеты и будем наслаждаться.
8-) (немножко протащимся? -- прим. редактора:)
2. Что еще нам нужно
- as86
- Это ассемблер. С его помощью исходная программа на ассемблере
преобразовывается в объектный файл.
- ld86
- Это компоновщик. Он конвертирует сгенерированный as86 объектный код в
"актуальный" (т.е. пригодный к загрузке на выполнение -- прим.
редактора ) машинный код. Это будет машинный язык, понятный процессору
8086.
- gcc
- Компилятор C. Нужен для компиляции программы, которая "доставит" наш код в
загрузочный сектор.
- Свободная дискета
- Флоппи-диск, который будет использоваться для хранения нашей операционной
системы (Перевод дословный. Судя по всему, автор об этом расскажет в следующих
статьях. В этой же идет речь только о маленькой программке, показывающей на
экране символ "A". Прим.перев.). К тому же будет выполнять функции
загрузочного устройства.
- Старый добрый Linux
- Уверен, вы знаете, о чем я.
as86 и ld86 присутствуют в большинстве стандартных дистрибутивов. Если же их
у вас нет, то вы можете взять их на сайте http://www.cix.co.uk/~mayday/ . Они
оба включены в один пакет -- bin86. Кое-что из документации вы можете найти
здесь www.linuxdoc.org/HOWTO/Assembly-HOWTO/as86.html.
3. 3, 2, 1, Старт!
3.1 Загрузочный сектор
Хватайте ваш любимый редактор и наберите следующее:
entry start
start:
mov ax,#0xb800
mov es,ax
seg es
mov [0],#0x41
seg es
mov [1],#0x1f
loop1: jmp loop1
Это понятный as86 диалект ассемблера. Первая инструкция описывает точку входа
в программу. Мы объявляем, что управление первоначально должно быть передано на
метку start. Вторая строка описывает расположение этой метки (не
забудьте поставить ":" после "start"). Первая инструкция, которая
должна быть выполнена в этой программе, расположена сразу после нее.
0xb800 -- это адрес сегмента видеопамяти в текстовом режиме. Символ #
указывает на непосредственное значение. После выполнения команды
mov ax,#0xb800
регистр ax будет содержать значение 0xb800,
это адрес расположения видеопамяти. Теперь мы копируем это значение в сегментный
регистр es. Помните, что 8086 имеет сегментную архитектуру. У
него четыре сегментных регистра, указывающих на: сегмент кода (
CS ), сегмент данных (DS), сегмент стека (
SS ) и дополнительный сегмент (ES ). Фактически, мы
сделали видеопамять нашим дополнительным сегментом, так что все записанное в
него, будет записано в видеопамять.
Для отображения любого символа на экране, вам нужно записать в видеопамять
два байта. Первый -- это значение ascii-кода символа, который вы хотите вывести
на экран. Второй -- атрибут символа. Атрибут содержит следующую информацию: цвет
символа, цвет фона, мерцание. Инструкция seg es фактически является
префиксом, указывающим относительно какого сегмента должна выполняться следующая
операция. Итак, мы заносим в первый байт видеопамяти (адрес 0xb800:0) значение
0x41, которое соответствует ascii-коду символу "A" (большая английская
A). Затем мы должны прописать значение атрибута символа в следующем байте
видеопамяти. Сюда мы записываем значение 0x1f, соответствующее белому символу на
синем фоне. (Чтобы понять, где что спрятано в байте атрибута, лучше
преобразовать 0x1f в двоичное представление: 00011111. Здесь первые четыре бита
[справа налево] -- цвет символа, следующие три -- цвет фона и последний 7-й бит
[отсчет ведется с нуля] -- это признак мерцания. Из вышесказанного можно сделать
следующий вывод: в текстовом режиме символ может иметь 16 цветов, фон -- 8.
Прим.перев.) Теперь, если мы выполним эту программу, то получим белую "A" на
синем фоне. В конце стоит программная "петля" (команда jmp указывающая на саму
себя). Нам нужно, либо остановить выполнение кода после того, как отобразим
символ, либо "намертво" замкнуть цикл. Сохраните файл как boot.s
.
Идея с манипуляцией видеопамятью может быть не совсем понятна, поэтому
позвольте мне объяснить на будущее. Предположим мы используем экран размером 80
на 25 (80 символов в строке и 25 строк). Для каждой строки нам нужно по 160
байт: 80 байт, содержащие коды символов и столько же, содержащие их атрибуты.
Если нам нужно вывести 3-й символ в 1-й строке, то мы должны пропустить байты 0
и 1, как относящиеся к первому символу; байты 2-й и 3-й, как относящиеся ко
второму символу и только после этого записать в 4-м байте ascii-код выводимого
символа и в 5-м -- его атрибут.
3.2 Запись загрузочного сектора на флоппи-диск
Теперь мы должны написать программу на C, которая скопирует наш код (код
нашей ОС) в первый сектор дискеты. Вот она:
#include <sys/types.h> /* unistd.h needs this */
#include <unistd.h> /* contains read/write */
#include <fcntl.h>
int main()
{
char boot_buf[512];
int floppy_desc, file_desc;
file_desc = open("./boot", O_RDONLY);
read(file_desc, boot_buf, 510);
close(file_desc);
boot_buf[510] = 0x55;
boot_buf[511] = 0xaa;
floppy_desc = open("/dev/fd0", O_RDWR);
lseek(floppy_desc, 0, SEEK_CUR);
write(floppy_desc, boot_buf, 512);
close(floppy_desc);
}
Сперва мы открываем файл boot в режиме только для чтения и
копируем файловый дескриптор в переменную file_desc. Затем
читаем первые 510 байт, либо, если файл размером меньше 510 байт, читаем весь
файл. Наш код невелик, поэтому последний случай наш. Будьте паинькой -- не
забудьте закрыть файл. 8-)
Последние четыре строки кода открывают устройство флоппи-диска (которым, как
правило, является /dev/fd0). Затем переводим указатель в начало файла, используя
lseek и записываем 512 байт из буфера на дискету.
Страницы справочного руководства функций read, write, open и lseek (смотрите
man 2) дадут вам достаточно информации о том, что обозначают другие параметры
функций и как их использовать. Есть две строки, которые выглядят немного
таинственно. Вот они:
boot_buf[510] = 0x55;
boot_buf[511] = 0xaa;
Это информация для BIOS. Если предполагается, что BIOS должна распознать
устройство как загрузочное, то устройство должно содержать значения 0x55 и 0xaa,
расположенные по смещениям 510 и 511. (Не берусь утверждать на все 100%, но
раньше [по слухам], во времена MS DOS 2.0 и ниже, этой сигнатуры не было вообще.
Она появилась позднее, как ответ на загрузочный вирус ( помните такие? --
прим. ред.), который при помощи этой сигнатуры проверял , заражал ли он этот
компьютер или нет. Если нет, то вирус делал свое "черное дело" и "приписывал"
эти два байта. Прим.перев.). Теперь почти все. Программа читает файл
boot в буфер boot_buf. Делает нужные изменения в
510 и 511 байтах и записывает boot_buf на флоппи-диск. Сохраним
файл как write.c .
3.3 Теперь давайте сделаем ЭТО
Для создания исполняемых файлов вам нужно выполнить следующие команды:
as86 boot.s -o boot.o
ld86 -d boot.o -o boot
cc write.c -o write
Сперва, мы компилируем объектный файл boot.o из
boot.s . Затем конвертируем его в двоичный, boot
. Ключ -d заставляет компоновщик ld86 удалить все заголовки и
создать "голый" двоичный файл. Если у вас возникли сомнения или появились
неясности в этом вопросе, прочтите страницы справочного руководства по as86 и
ld86. Последним мы компилируем C-программу и получаем исполняемый файл
write.
Вставьте пустую дискету в дисковод и наберите команду (Убедитесь, что у вас
есть права на запись в /dev/fd0. И вообще, никто вам не мешает использовать для
тех же целей команду dd [dd if=boot of=/dev/fd0 ]. или
команду копирования cp [cp boot /dev/fd0 ]. Возможно,
автор планирует расширить возможности этой программы для дальнейшего
использования в следующих статьях. Прим.перев.):
./write
Перезагрузите машину. Настройте BIOS так, чтобы система грузилась в первую
очередь с дискеты. Вставьте дискету в дисковод и дождитесь, пока компьютер
загрузится с нее.
Теперь вы можете видеть символ 'A' (белого цвета на синем фоне). Это
означает, что программа, которую мы написали и скопировали в загрузочный сектор,
была загружена с дискеты и выполнена. Теперь она находится в бесконечном
"программном" цикле в конце кода загрузчика. Чтобы вернуться в привычную среду
обитания (читай -- Linux 8-) нужно перезагрузить компьютер, предварительно
удалив дискету из дисковода.
В дальнейшем, мы сможем вставлять больше кода в нашу программу загрузки,
заставляя ее делать более сложные вещи (используя прерывания BIOS, переключение
в защищенный режим и прочее.) Следующие части (вторая, третья и пр.) этой статьи
станут вашими проводниками на пути усовершенствования кода нашего загрузчика. До
встречи!
Krishnakumar R.
Кришнакумар -- студент последнего курса B.Tech в Govt. Engg. College
Thrissur, Kerala, Индия. Его путешествие в земли Операционных Систем началось с
программирования модулей для Linux. Он создал операционную систему GROS,
основная цель которой -- выполнение функции маршрутизатора. (Детали вы можете
найти на его домашней странице: www.askus.way.to ) Другие его интересы -- это
сетевые драйвера, драйвера устройств, портирование компиляторов и встроенные
системы (Compiler Porting and Embedded systems).
Copyright (С) 2002, Krishnakumar R.
Copying license http://www.linuxgazette.com/copying.html
Published
in Issue 77 of Linux Gazette, April 2002
Команда переводчиков:
Владимир Меренков, Александр Михайлов, Иван
Песин, Сергей Скороходов, Александр Саввин, Роман Шумихин, Александр
Куприн
Со всеми предложениями, идеями и комментариями обращайтесь к Сергею
Скороходову ([email protected]).
Убедительная просьба: указывайте сразу, не возражаете ли Вы против публикации
Ваших отзывов в рассылке.
Сайт рассылки: http://gazette.linux.ru.net
Эту статью
можно взять здесь: http://gazette.linux.ru.net/lg77/articles/rus-krishnakumar.html
В предыдущий выпуск вкралась ошибка. Исправляюсь. Вот diff для того, чтобы быть в
стиле:)
--- toy-os.html.old Thu May 02 15:13:12 2002
+++ toy-os.html Thu May 02 15:12:15 2002
@@ -291,7 +291,7 @@
class="sdfootnotesym"></a><sup><u><a href="#sdfootnote1anc">1</a></u></sup>
На <a href="http://www.linuxgazette.com">Linux Gazette</a> на эту тему
была лишь небольшая статья Константина Болдышева "Introduction to UNIX
- Assembly Programming". Issue #52 апрель 2000г.</div>
+ Assembly Programming". Issue #53, май 2000г.</div>
</div>
<div id="sdfootnote2">
<div class="sdfootnote"><a name="sdfootnote2sym" href="#sdfootnote2anc"
