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C语言如何编译出一个不需要操作系统的程序

来个更短的,没有其他乱七八糟的东西,只有一个简短的 C文件,不需要 linux 环境:

miniboot.c

asm(".long 0x1badb002, 0, (-(0x1badb002 + 0))");

unsigned char *videobuf = (unsigned char*)0xb8000;
const char *str = "Hello, World !! ";

int start_entry(void)
{
    int i;
    for (i = 0; str[i]; i++) {
        videobuf[i * 2 + 0] = str[i];
        videobuf[i * 2 + 1] = 0x17;
    }
    for (; i < 80 * 25; i++) {
        videobuf[i * 2 + 0] = ' ';
        videobuf[i * 2 + 1] = 0x17;
    }
    while (1) { }
    return 0;
}

编译:

gcc -c -fno-builtin -ffreestanding -nostdlib -m32 miniboot.c -o miniboot.o
ld -e start_entry -m elf_i386 -Ttext-seg=0x100000 miniboot.o -o miniboot.elf

运行:

qemu-system-i386 -kernel miniboot.elf

结果:

满足条件:

  • 只用纯 C 开发,可以使用 gcc 编译
  • 编译出来的东西真的可以运行
  • 不需要依赖操作系统
  • 不需要包含系统调用的 glibc
  • 连 libgcc 都不需要

解释一下:

Q:-m elf_i386 是什么鬼?为何使用 elf 格式?

是输出为 elf 的目标格式,386是目标平台,还可以输出成 binary 格式,就是没有任何额外信息,你代码里面写了什么就是什么。一般用在 boot loader stage1 的第一个 512字节扇区那里,就是用这种纯格式。

但是这里我们需要 elf 格式,因为 elf格式除了代码和数据外还有很多有用的信息,可以被标准 boot loader 识别,你如果不想自己花费10+天去自己实现 stage1 和 stage2 的 bootloader 的话,elf文件可以帮你省很多时间,因为 grub 可以直接加载,qemu 也可以直接运行。

Q:elf 包含了哪些内容?

代码段,数据段的运行位置(比如你有个全局变量,需要知道到哪个线性地址可以找到这个全局变量),各个段的线性地址从低到高的排列顺序,以及他们的加载地址,加载地址和运行地址可以不同,加载地址是告诉 boot loader 把这个段加载到哪里,比如加载地址可以是0x100000即1MB地址开始处,也是最常见做法,而运行地址可以是 0xc0000000 即最高端内存 1GB 的位置,还有程序入口的起始地址,最后还可以包含符号信息便于调试。这些丰富的信息可以告诉外层的 boot loader 如何加载我们的 elf 文件,到哪里去初始化我们的 bss 数据段,以及最终跳转到哪里去执行入口处的代码,这些内存布局信息需要再一个 .ld 文件里说明,这里我们不用 .ld 文件,全部使用默认配置,但后期你想详细指定这些的话,需要写 .ld 文件,链接的时候传递给 ld 程序。

Q:是不是所有 elf 文件都可以被 boot loader 加载?

不是,需要第一个段中(没有ld文件的话,第一个段默认就是 text)头部包含 multiboot header,就是:

asm(".long 0x1badb002, 0, (-(0x1badb002 + 0))"); 

一共定义了十二个字节的 multiboot header,第一个long是 magic code, grub/qemu等需要检查,第二个 long 代表你需要 grub 提供哪些信息(比如内存布局,elf结构),这里填写0,不需要它提供任何信息。第三个long是代表前两个运算以后的一个 checksum,grub/qemu 会检查这个值确认你真的是一个可以引导的 kernel。

Q:为什么加载到 0x100000 地址?

这是最常规的做法,因为如果低于 1MB的地址你可能会破坏到 BIOS 程序,显存,中断引射表,而且低端地址需要保留给 dma 使用。而如果加载到,比如 0x800000,也不是不可以,只是你需要保证目标电脑内存 > 8MB + 你的程序大小,所以 0x100000 这个地址是大家都可以接受的一个通用地址。

Q:我想再高端内存(0xc0000000)运行?

可以,这也是 linux 干的事情,这样可以给下面的应用程序留出足够的线性空间来,但是你需要初始化页表,把你自己映射到高端地址,并且需要再 .ld 文件里面指明加载地址(0x100000处)和运行地址(0xc0000000)是两个不同的地址,你还是会被加载到 0x100000 处,但是你的所有C代码都认为自己再 0xc0000000 处执行,所以此时还不能跑任何C代码,需要一段叫做 relocation 的汇编初始化页面映射,还有其他一些环境,并最终跳转到高端地址的 entry 入口。

Q:为什么不写 boot loader ?

给你节省时间,完善的boot loader涉及到大量的技巧,用现成的boot loader,可以让你马上看到结果,有正反馈。

Q:如果我执意要写个完善的 boot loader 呢?

首先要写引导扇区代码,调用 BIOS 磁盘中断,把你后面的 elf 文件加载进来,但是这时boot loader还处在实模式,只能访问 1MB以内的空间,也就是说你的 elf 文件大小受到了限制,要加载到 1MB以上的空间,需要 boot loader 切换到保护模式,但是此时又不能访问传统的 BIOS 中断请求磁盘了,所有你需要来回切换保护模式和实模式,或者用 v86 模式,或者写保护模式下的硬盘驱动,显然这不是 512字节能够完成的事情,所以你还需要 stage 2 的 boot loader。

传统 512 字节的 boot loader 先在实模式下把 stage 2 加载到 0x10000 处(64KB处),然后又由 stage2 的程序进入保护模式,并用 v86 模式调用 BIOS 的磁盘中断服务程序,把你的 elf 文件找出来,并且解析 elf 结构,把各个段加载到它期望的位置,最后初始化一个临时的 GDT 和栈,把 bss 段全部置0,关闭中断标志,最后再跳转到 elf 的 entry 处,完成引导。

注意:stage1 的 512字节,和 stage2的后续扇区代码,目标格式都是纯二进制,不是 elf。

注意:stage2 的代码里需要找出你的 elf,这时你的 elf 可以简单的写到一个裸分区上,这样找起来容易点,如果你需要把 elf 放到 fat16/fat32 分区的某个目录中,那么 stage2 代码就要写相关 fat 文件系统的识别代码(只需要简单的文件/目录读取,不需要写,所以不需要实现整个文件系统),而如果你想把 elf 文件放到除 fat 外的其他文件系统需要支持多文件系统的话,stage2就搞不定了,需要 stage3 可以动态加载不同文件系统的模块化程序,做更复杂的动作。

Q:这个 miniboot 程序可以接着自由往下写么?

很遗憾,可能你只能写点很短的代码,因为:

  1. 你还没有relocate,一直在1MB处跑你的代码不是件好事,尽早重定位到最高1GB处。
  2. 你还没有初始化栈,你不知道 grub 到底给你的栈指针 esp 设定到哪里了,你需要自己规划栈空间。
  3. 你没有 libc 库,什么 memcpy, strlen , printf 都没有,你需要一个个实现。
  4. 你没有 libgcc 库(是gcc的一部分),可能你做64为乘除法的代码无法得到链接,或者你在类似 arm 的平台下连 32为的除法都没法做,在 risc v 的标准平台下,连普通乘法都没有,一旦写了链接就不通过,因为没有 libgcc,你可以软件模拟(控制狂的话),或者选择链接 libgcc。
  5. 硬件你还没探测,最基本的,你都还不知道你的内存多大,怎么布局的(根据接口不同,内存各个模块的物理地址不一定连续)。
  6. 你没法接受键盘输入,需要初始化键盘中断来接管键盘。
  7. 你没有办法读取磁盘,因为你现在是保护模式,BIOS 下面的磁盘访问程序都是实模式的,幸好你加载到1MB地区没覆盖他们,这时候你可以用v86模式去调用这些中断,或者自己写硬盘驱动。
  8. 你还没有相关调试手段,往下写出点错误可能都会折腾死你,backtrace 要有吧,panic要有吧,最好能搜索符号表把函数名都打印出来,最好初始化串口,用com1 和外部通信,这样比把信息输出到屏幕靠谱,屏幕大小有限,信息稍纵即逝,com1的话可以和外部串口中端进行通信,qemu/bochs还可以把com1的内容记录到日志文件,永久保存。
  9. 你还没法分配内存,你需要把前面内存探测结果里的可用物理内存页面统计起来,先实现基于页面的分配和映射,再以前面为基础实现基于对象的分配,然后你才有 malloc / free。

先把这九个问题解决,你就可以继续往下写更多复杂的内容了。

先写这么多吧。

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