[打造簡易作業系統 - 以GNU Assembler組合語言撰寫] (一) 開機Hello World實例

小弟最近想嘗試利用GAS(GNU Assembler)組合語言撰寫非常小型的作業系統，本篇文章說明如何利用GAS組合語言在終端機上印出Hello World.

簡介x86 CPU開機流程
x86 CPU開機後，首要之事會先跳至0xFFFF0執行BIOS ROM的程式，當BIOS測試程序通過後，BIOS便會把執行權交給下一個程式 (boot loader或一支小程式)，BIOS會將該程式
(通常為一個磁區[Sector]大小，即512 bytes)載入記憶體0x7C00位置，並跳至0x7C00執行該段程式碼。該磁區被稱為MBR，BIOS會檢查該磁區最後兩個位完組必須為0x55AA，否則該磁區該被視為無效的MBR。

所以，首要之事就是利用GAS撰寫一支大小為512位元組的二進位檔 (Binary File)，此檔需具備底下功能:

• 檔案系統，如: FAT12, FAT16, FAT32, NTFS等等。
• 利用BIOS中斷號碼0x10將資料寫至螢幕。
• 在最後兩個位元組寫入0x55AA以便通過BIOS識別。

底下為原始碼:

    .code16



    .section .text

    .global main

main:

    # FAT12 file system format

    jmp       start_prog       # jmp instruction

    .byte     0x90

    .ascii    "ADRIAN  "       # OEM name (8 bytes)

    .word     512              # Bytes per sector

    .byte     1                # Sector per cluster

    .word     1                # Reserved sector count: should be 1 for FAT12

    .byte     2                # Number of file allocation tables.

    .word     224              # Maximum number of root directory entries.

    .word     2880             # Total sectors

    .byte     0xf0             # Media descriptor:

    .word     9                # Sectors per File Allocation Table

    .word     18               # Sectors per track

    .word     2                # Number of heads

    .long     0                # Count of hidden sectors

    .long     2880             # Total sectors: 18 (sectors per track) * 2 (heads) * 80 (sectors) = 2880

    .byte     0                # Physical driver number

    .byte     0                # Reserved

    .byte     0x29             # Extended boot signature

    .long     0x12345678       # Serial Number

    .ascii    "HELLO-OS   "    # Volume Label

    .ascii    "FAT12   "       # FAT file system type

    .fill     18, 1, 0         # fill 18 characters with zero



start_prog:

    movw    $0, %ax            # Initialize register

    movw    %ax, %ss

    movw    %ax, %ds

    movw    %ax, %es



    movw    $msg, %si          # move the address of msg to SI





loop:

    movb    $0xe, %ah

    movb    (%si), %al        # move the first character of msg to AL register

    cmpb    $0, %al

    je      fin

    int     $0x10             # write the specific character to console

    addw    $1, %si

    jmp     loop



fin:

# do nothing



msg:

    .ascii "Hello, World! This is Adrian Huang."

    .byte   0



    .org    0x1FE, 0x00       # fill the rest of characters with zero until the 254th character



# Boot sector signature

    .byte     0x55

    .byte     0xaa

Compile and Link
以"gcc -c"將.S組合語言轉為成object file

adrian@adrian-desktop:~/working/build_os/my_ex/02day/helloos4$ ls

hello.S

adrian@adrian-desktop:~/working/build_os/my_ex/02day/helloos4$ gcc -c hello.S

adrian@adrian-desktop:~/working/build_os/my_ex/02day/helloos4$ file hello.o

hello.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped

adrian@adrian-desktop:~/working/build_os/my_ex/02day/helloos4$

再經由ld連結器將此object轉換成plain binary file

$ ld -Ttext=0x7C00 hello.o -o hello.bin --oformat binary

$ file hello.bin

hello.bin: DOS floppy 1440k, x86 hard disk boot sector

利用xxd工具觀察helo.bin格式 (以十六進制)

adrian@adrian-desktop:~/working/build_os/my_ex/02day/helloos4$ xxd hello.bin

0000000: eb4e 9041 4452 4941 4e20 2000 0201 0100  .N.ADRIAN  .....

0000010: 02e0 0040 0bf0 0900 1200 0200 0000 0000  ...@............

0000020: 400b 0000 0000 2978 5634 1248 454c 4c4f  @.....)xV4.HELLO

0000030: 2d4f 5320 2020 4641 5431 3220 2020 0000  -OS   FAT12   ..

0000040: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000050: b800 008e d08e d88e c0be 6b7c b40e 8a04  ..........k|....

0000060: 3c00 7407 cd10 83c6 01eb f148 656c 6c6f  <.t........Hello

0000070: 2c20 576f 726c 6421 2054 6869 7320 6973  , World! This is

0000080: 2041 6472 6961 6e20 4875 616e 672e 0000   Adrian Huang...

0000090: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00000a0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00000b0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00000c0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00000d0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00000e0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00000f0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000100: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000110: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000120: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000130: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000140: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000150: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000160: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000170: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000180: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

0000190: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00001a0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00001b0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00001c0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00001d0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00001e0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................

00001f0: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 55aa  ..............U.

接著，使用qemu驗證hello.bin



為了讓此範例更真實，筆者有一台機器備有CF Card，將hello.bin透過dd工具寫進此CF Card最前面的512 bytes, 命令如下:

adrian@adrian-mem1:~/img$ sudo dd if=./hello.bin of=/dev/sda

[sudo] password for adrian:

1+0 records in

1+0 records out

512 bytes (512 B) copied, 0.00124243 s, 412 kB/s

adrian@adrian-mem1:~/img$

將該系統重開並選擇CF Card開機，其畫面如下:



【Reference】
1.30天打造OS！作業系統自作入門
2. Jserv's Blog
3. X86 開機流程小記
4. Linux assemblers: A comparison of GAS and NASM

簡介Linux Block I/O Layer (三) - I/O Path

此系列文章最後講解Block I/O Layer I/O Path運作原理。圖一為I/O Path簡易圖，檔案系統核心經由submit_bio函式將該bio交給Block I/O Layer的generic_make_request和__generic_make_request函式，緊接著呼叫__make_request_fn callback函式 (對應至__make_request())，此函式主要目的用來檢查此bio是否可以跟尚未處理的request結構的bio成員結合在一起 (merge)，如果不行的話，則另外配置一個新的request結構並將其bio安插至該reqeust結構，再將該request交給I/O Scheduler，最後Block I/O Layer經由request_fn() callback function將待處理的request交給SCSI子系統。


                               圖一、Block I/O Layer之I/O Path簡易圖


下圖二為Linux Block I/O Layer核心I/O Path示意圖，此圖以ReiserFS為例，此圖對每個函式有詳細的解釋，所以在此不再解釋，請參照圖二。


                               圖二、Block I/O Layer之I/O Path


【Reference】
1. Linux Device Driver, third edition
2. Linux Kernel Source 2.6.31
3. Request-based Device-mapper multipath and Dynamic load balancing
4. Understanding the Linux Kernel, Third Edition - Chapter 14. Block Device Drivers

簡介Linux Block I/O Layer (二) - 探討BIO (Block I/O) and Request 結構

上一篇文章簡單介紹page, bio和request結構的定位，本篇文章著重於探討bio與request結構是如何串起來的。底下將分別介紹reqeust queue、request、bio與bio_vec等資料結構。首先，下圖展示這四個資料結構的關係。



Request Queue
Request Queue用來將待處理的request串成一個雙向的鏈結串列，此結構 (struct request_queue)定義在include/linux/blkdev.h檔頭檔。

Request
一個request資料結構，即表示一次block I/O傳輸請求。結構裡的queuelist便是將整個request串起來的成員，bio成員代表該request所欲傳輸block I/O個數，buffer成員代表當前資料傳輸的buffer區塊。request資料結構裡還有許多其它成員，詳見include/linux/blkdev.h標頭檔。

BIO (Block I/O)
當block I/O layer上層 (可參考此篇文章的圖，Ex: 檔案系統或虛擬記憶體子系統)欲傳輸某一區塊時，該層便會產生一個bio結構並交由Block I/O Layer，Block I/O Layer將新請求的bio併入現有的request結構裡 (前提是該request結構裡的bio所欲傳輸的區塊磁區剛好跟新請求的bio所欲傳輸的區塊磁區相近，如此變能發揮更大的傳輸效益)，或者產生一個新的request結構並將此bio併入此request結構，此結構 (struct request_queue)定義在include/linux/bio.h標頭檔。

bio_vec (BIO Vector)
bio結構裡有一個稱為bi_io_vec一維陣列的成員，該陣列成員紀錄欲傳輸的資料緩衝區在記憶體何處。

【Reference】
1. Linux Device Driver, third edition
2. Linux Kernel Source 2.6.31
3. Request-based Device-mapper multipath and Dynamic load balancing
4. Understanding the Linux Kernel, Third Edition - Chapter 14. Block Device Drivers

簡介Linux Block I/O Layer (一) - Page, BIO (Block I/O) and Request 結構意義

Linux Block I/O Layer主要處理上層檔案系統的請求，進而將該請求往丟至低層的low-level device driver (例如: Linux SCSI Subsystem)，下圖展示出這三層的關係，由圖中可知檔案系統驅動程式主要以page結構來描述所欲存取的資料在哪裡, 接著檔案系統驅動程式將page結構轉換bio (Block I/O)，並經由submit_bio函式將該請求送至Block I/O Layer，該層主要任務便將bio結構轉換成request結構 (往後會有幾篇探討該層運作細節)，並將該request結構丟至low-level device driver，以上是簡單的介紹.



【Reference】
1. Linux Device Driver, third edition
2. Linux Kernel Source 2.6.31
3. Request-based Device-mapper multipath and Dynamic load balancing

C語言malloc之sizeof使用技巧

C語言程式設計師使用結構指標時，在配置一塊記憶體時通常都會使用下列宣告描述 (粗體字):

struct abc {
     char *ptr;
     int var[20];
     struct abc *next;
};

struct abc *ptr = (struct abc *) malloc(sizeof(struct abc));

另一種寫法可以將程式碼簡化，將sizeof(struct abc)改成sizeof(*ptr)，如下所示:

struct abc *ptr = malloc(sizeof(*ptr));

提供給各位參考.

Linux Kernel: container_of 巨集

Linux驅動程式裡很常看container_of巨集，其目的為何呢? 假設Linux驅動程式只知道某一結構成員的位址，該驅動程式便可使用container_of巨集，將已知某一結構成員的位址計算出該結構的起始位址，其原型如下:

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

#define container_of(ptr, type, member) ({ \
     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

假設有一結構定義如下，且我們只知道phone_num成員的位址，如此便能使用該巨集計算出該結構變數的起始位址:

/* The student structure definition */
typedef struct student {
     char name[16];
     int id;
     char addr[64];
     char phone_num[16];
}STUDENT, *STUDENT_PTR;

該結構記憶體配置圖如下所示:


Figure 1. 結構記憶體配置圖

範例程式碼:

Figure 2. 範例程式碼


以此結構為範例來看containter_of巨集的兩行程式碼:

◎ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); ==> 得到phone_num的位址 (x+84) ，請參考Figure 1跟Figure 2。
◎ (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) ); → (type *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((type *)0)->member) ); ==> 其中((size_t) &((type *)0)->member)這段敘述代表以零為起始位址算出member這個成員的相對位址，即為phone_num成員的相對位址，也就是84 (請參考Figure 1)。所以整個敘述變成 (x+84) - 84 = x ，如此便能取得該結構變數的起始位址。

範例程式

Linux Kernel: Lookaside Cache (前瞻快取)

驅動程式往往根據使用者請求一次又一次地配置相同記憶體大小的物件。為此，Linux核心提供此需求的機制 - Lookaside cache。而此機制稱為Slab Allocator。

以SCSI驅動程式為例，當使用者要讀寫硬碟資料時，會由區塊裝置驅動程式 (Block Device Driver)向SCSI層發出請求，SCSI層將此請求轉換成SCSI command的結構 (struct scsi_cmnd)，為了能快速配置與存取SCSI command，SCSI層驅動程式為每一個SCSI command結構配置lookaside cache。其用法如下:

1. 首先，必須先配置一個快取物件導向，其函式: struct kmem_cache *
kmem_cache_create (const char *name, size_t size, size_t align,
unsigned long flags, void (*ctor)(void *))


    ◎ name: 此快取物件名稱，此名稱會出現在/proc/slabinfo。
    ◎ size: 物件大小。
    ◎ align: 對齊字元數大小，通常為零。
    ◎ flag: 配置物件的方式，詳見include/linux/slab.h。
    ◎ ctor: 建構子函式位址。當核心成功地配置物件後，便會呼叫此函式。

2. 接著，呼叫kmem_cache_alloc，配置每一個物件，其原型: void *kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags);

    ◎ cachep: kmem_cache_create回傳的位址。
    ◎ flags： 詳見kmalloc的flags參數。

3. 釋放記憶體:
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp)
→ 釋放物件，但並未釋放快取。
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep) → 釋放快取。

範例 (取自Linux SCSI驅動程式):


【Reference】
1. Linux Device Driver, third edition
2. Linux Kernel Source 2.6.31