# os develop ch2

https://littleosbook.github.io/
https://chunyeung.medium.com/%E8%87%AA%E5%88%B6%E4%B8%80%E5%80%8B-linux-%E4%BD%9C%E6%A5%AD%E7%B3%BB%E7%B5%B1-1-1cc4e60ea7f7
## 2.1 Tools
#### 開發環境:
ubuntu(wsl)
使用`cat /etc/lsb-release`查看版本

$ cat /etc/lsb-release
DISTRIB_ID=Ubuntu
DISTRIB_RELEASE=20.04
DISTRIB_CODENAME=focal
DISTRIB_DESCRIPTION="Ubuntu 20.04.4 LTS"

ref:https://shengyu7697.github.io/ubuntu-version/
使用`sudo apt-get install build-essential nasm genisoimage bochs bochs-sdl`安裝需要的工具
### 程式語言:C
書中提到使用C以及GCC做編譯，對此書中解釋，生成作業系統需要非常精確的程式碼生成，以及對記憶體的直接操作，其他程式語言若也有相似的性質也可以做為開發OS用。
### complier:gcc
#### `__attribute__`
在此會使用到gcc的extension`__attribute__((packed))`因此書中建議只使用gcc來做開發，這個用途主要是用來告訴編譯器，讓struct中的結構照著原本的宣告的排列，而不做最佳化
### assembler:NASM
書中解釋因為比較偏好NASM的語法而不是GNU的
### host computer
前面提過，我的開發環境為ubuntu 20.04
### build:Make
### target computer(VM)
這邊指的是編譯完成之後，os要跑的機器，書中推薦使用虛擬機來跑，因為這會比實體機來的快而且方便多了，這邊使用前面安裝的Bochs，這是一個x86 (IA-32)指令集的emulator，會推薦使用這個的原因是因為他有完整的debeg功能，此外書中還介紹QEMU還有VirtualBox
#### Bochs
#### QEMU
#### VirtualBox
## 2.2 booting
開機的過程牽涉到一連串小程式的控制權轉移，每個階段的程式都會比前一階段強大一些，而os就是最後一個程式，以下為書本中的簡單開機過程:

graph LR;
    BIOS-->GRUB1-->GRUB2-->OS

### 2.2.1 BIOS
BIOS(Basic Input Output System)，是開機後第一個執行的程式，這隻程式通常以唯讀記憶體的模式存在電腦主機板中，主要功能為執行一些用來顯示螢幕、讀取鍵盤輸入等等功能，而現在的OS不使用BIOS來與其他裝置溝通，而是透過driver直接存取硬體，目前的BIOS大多用來執行一些開機自我診斷(檢測記憶體、硬碟是否正常...)然後將控制權轉交給bootloader
### 2.2.2 Bootloader
bootloader的主要任務是將控制權轉移給我們以及OS的撰寫者，然而因為一些硬體限制以及向下相容的考量，bootloader被拆分成兩個部分，第一個部分將控制權轉移給第二個部分最後再轉交給OS。
撰寫一個bootloader需要使用很多low-level的程式碼與BIOS作互動，因此書中解釋道，這邊僅使用現成已存在的bootloader GNU GRand Unified Bootloader(GRUB)。
使用GRUB，OS可以使用ELF格式的執行檔，GRUB可將這個類型的執行檔載入記憶體中，在kernel的編譯中，要求以特定的布局方式存在記憶體中。
#### ELF
### 2.2.3 the operation system
GRUB轉換控制權給OS的方式為跳(jumped)到特定記憶體位置，GRUB是根據一個特定的數字(magic number)來得知要跳到哪個位置，這個特定的數字必須保證每次的jumped都會跳到OS而不是一個隨機的程式碼，這個特定的數字為GRUB多重開機規範的一部分(multiboot specification)，而當jumped完成之後OS就開始控制整台PC
#### jumped
這部分是否對應組合語言中的program counter的jumped還需要再查相關資料
#### multiboot specification
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## Hello Cafebabe
這個章節的重點為描述一個可以與GRUB一起使用的最小OS，功能僅為將`0xCAFEBABE`寫入`exa`暫存器(register)
- exa register
### Compiling the Operating System
這個最簡易的OS僅使用組合語言(assembly)寫成命名為`loader.s`:

global loader                   ; the entry symbol for ELF

    MAGIC_NUMBER equ 0x1BADB002     ; define the magic number constant
    FLAGS        equ 0x0            ; multiboot flags
    CHECKSUM     equ -MAGIC_NUMBER  ; calculate the checksum
                                    ; (magic number + checksum + flags should equal 0)

    section .text:                  ; start of the text (code) section
    align 4                         ; the code must be 4 byte aligned
        dd MAGIC_NUMBER             ; write the magic number to the machine code,
        dd FLAGS                    ; the flags,
        dd CHECKSUM                 ; and the checksum

    loader:                         ; the loader label (defined as entry point in linker script)
        mov eax, 0xCAFEBABE         ; place the number 0xCAFEBABE in the register eax
    .loop:
        jmp .loop                   ; loop forever

這個小小型os只做一件事情:將一個特定的數字`0xCAFEBABE`寫入`exa`暫存器，這個`0xCAFEBABE`基本上不太可能會在作業系統沒有設定值的情況下出現在`exa`暫存器中。
接下來我們可以將這個`loader.s`編譯成32 bit的ELF物件。
指令如下:

nasm -f elf32 loader.s

出現結果如下:

$ls
loader.s loader.o

### 2.3.2 linking the kernel
產生了物件之後，接著必須透過link來產生可執行檔，這個過程必須比平常的程式多一些特別的作法，首先我們希望GRUB載入kernel在大於`0x00100000`的位置(約為1MB)，因為在低於1MB的位置會被GRUB、BIOS、memory-mapped I/O所使用，因此，我們需要如下的script GNU LD:

ENTRY(loader)                /* the name of the entry label */

SECTIONS {
    . = 0x00100000;          /* the code should be loaded at 1 MB */

    .text ALIGN (0x1000) :   /* align at 4 KB */
    {
        *(.text)             /* all text sections from all files */
    }

    .rodata ALIGN (0x1000) : /* align at 4 KB */
    {
        *(.rodata*)          /* all read-only data sections from all files */
    }

    .data ALIGN (0x1000) :   /* align at 4 KB */
    {
        *(.data)             /* all data sections from all files */
    }

    .bss ALIGN (0x1000) :    /* align at 4 KB */
    {
        *(COMMON)            /* all COMMON sections from all files */
        *(.bss)              /* all bss sections from all files */
    }
}

將這個檔案存為`link.ld`然後執行以下指令:

 ld -T link.ld -melf_i386 loader.o -o kernel.elf

將會得到`kernel.elf`檔
### 2.3.2 obtaining GRUB
由於我們目前的OS的ISO檔可以被GRUB還有GRUB2所使用，此外由於要使用`stage2_eltorito`bootloader這個GRUB0.97所建立的檔案，書中也解釋這個版本的`configure`並沒有非常好的執行在ubuntu上，因此書中提供另一個修改過的`stage2_eltorito`只要將這個檔案與前面產生出來的`loader.s` `link.ld`檔案放在一起執行就可以了，然而書中提供的連結無法下載
從網路上找到有高手放了一份在github上:
https://thusharasamaweera.medium.com/ymeos-lets-build-an-os-c4485135147
### 2.3.4 Building an ISO Image
可執行檔(executable)需要放置在VM或是實體機可以載入的媒體中(media)本書使用ISO檔，書中解釋，其他媒體(floppy images...)也可以取決於要執行的虛擬機或是實體機支援哪些格式。
所以接下來要建立一個kernel的ISO，這裡使用`genisoimage`指令，必須先依照指定個格式來建立資料夾，以下為書中的指令:

mkdir -p iso/boot/grub              # create the folder structure
cp stage2_eltorito iso/boot/grub/   # copy the bootloader
cp kernel.elf iso/boot/             # copy the kernel

在此，須先建立GRUB的設定檔`menu.lst`這個檔案可以設定GRUB的一些option內容如下:

default=0
timeout=0

title os
kernel /boot/kernel.elf

在此須將`menu.lst`放置在`iso/boot/grub`下因此資料夾的結構如下:

iso
    |-- boot
      |-- grub
      | |-- menu.lst
      | |-- stage2_eltorito
      |-- kernel.elf

然後下以下指令建立image:

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                       \
                iso

選項相關的細節需參考`genisoimage`的相關文件，在經過這個指令之後將會產生`os.iso`檔
### 2.3.5 Running Bochs
接下來要將產生出來的`os.iso`檔放在`Bochs`上跑在此需要設定一些Bochs的一些選項內容如下:

megs:            32
    display_library: sdl
    romimage:        file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest
    vgaromimage:     file=/usr/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest
    ata0-master:     type=cdrom, path=os.iso, status=inserted
    boot:            cdrom
    log:             bochslog.txt
    clock:           sync=realtime, time0=local
    cpu:             count=1, ips=1000000

其中`romimage`還有`vgaromimage`的路經需要調整為自己電腦中的路徑
將以上內容存為`bochsrc.txt`
然後用以下指令:

 bochs -f bochsrc.txt -q

其中`-f`用來指令config file -q用來略過start menu，書中寫道，執行完之後應該可以看到`bochslog.txt`可以從中找到cpu的模擬器然後找到`RAX=00000000CAFEBABE or EAX=CAFEBABE`如果有發現這個訊息表示有成功執行起OS。

在
https://chunyeung.medium.com/%E8%87%AA%E5%88%B6%E4%B8%80%E5%80%8B-linux-%E4%BD%9C%E6%A5%AD%E7%B3%BB%E7%B5%B1-3-run-os-run-c3f9232532c6 有提到若使用無GUI的ubuntu來執行，會出現無法正常顯示的問題，筆者現在就碰到這個問題。

在有GUI界面的ubuntu時出現：

dlopen failed for module 'x' (libbx_x.so): file not found

根據這篇文章：
https://www.cnblogs.com/sea-stream/p/10096749.html
安裝bochs-x就解決了

sudo apt-get install bochs-x

若出現：
`display library 'sdl' not available`
根據這篇文章將std1改為std2

https://stackoverflow.com/questions/63159511/bochs-display-library-sdl-not-available

###### tags: `OS`