使用不同的工具链来构建一个简单的操作系统，旨在研究和探讨如何更加高效地进行操作系统开发
阅读本工程之前，你应该具备基础的操作系统知识，本工程不会探讨具体的操作系统知识，旨在探讨和研究如何解决开发操作系统过程中遇到的效率问题，怎么使用现有的工具来提高开发和调试操作系统的效率，如何提高操作系统的开发体验
本工程主要由以下五个模块组成:bootloader、xbuild、grub2、 CMake、IDE、VSCode
这个五个模块是一个从低效到高效的过程，用一张图可以更加形象的表示
使用makefile 进行组织
cd bootloader
make all
make qemu
对大型操作系统中复杂的源文件结构不好进行组织
比如这种对 hierarchy1、hierarchy2、hierarchy3多层级源文件的组织在大型操作系统开发中是不可取的！
kernel.elf:main.c print.S hierarchy1/hierarchy1.c
i386-elf-gcc $(CFLAGS) main.o main.c
i386-elf-gcc $(CFLAGS) hierarchy1/hierarchy1.o hierarchy1/hierarchy1.c
i386-elf-gcc $(CFLAGS) hierarchy1/hierarchy2/hierarchy2.o hierarchy1/hierarchy2/hierarchy2.c
i386-elf-gcc $(CFLAGS) hierarchy1/hierarchy2/hierarchy3/hierarchy3.o hierarchy1/hierarchy2/hierarchy3/hierarchy3.c
$(AS) $(ASFLAGS) print.S -o print.o
i386-elf-ld -no-pie -m elf_i386 main.o print.o hierarchy1/hierarchy1.o hierarchy1/hierarchy2/hierarchy2.o hierarchy1/hierarchy2/hierarchy3/hierarchy3.o -Ttext 0xc0001500 -e main -o kernel.elf
基于makefile 使用xbuild进行辅助组织
cd xbuild
make
make qemu
相对于 bootloader而言，解决了大型操作系统源文件组织困难的问题，同时和CMake相比具有轻量的特点。
cd grub2
make all
make qemu
现在我们开发的kernel.elf 大小在6kb左右，换成16进制是 0x19FC，首先 kernel.elf会被loader.asm加载到物理地址 0x60000
loader_start:
;------------------------------------ 加载 kernel -------------------------------
mov eax, KERNEL_BIN_BASE_ADDR_SEG
mov si, KERNEL_START_SECTOR
mov edx, 0
mov ecx, 400
xor ebx, ebx
call read_sectors
然后透过解析kernel.elf的 elf文件结构，将 kernel.elf 中的代码段加载到 物理地址 0x1500 左右
;--------------- 讲 kernel.bin 中的 segment 拷贝到编译的地址 ----------------
kernel_init: ; 0x0d47
xor eax, eax
xor ebx, ebx ;ebx 记录程序头表地址
xor ecx, ecx ;cx 记录程序头表中的 program header 数量
xor edx, edx ;dx 记录program header 尺寸，即 e_phentsize
mov dx,[KERNEL_BIN_BASE_ADDR + 42] ;编译文件 42 字节处的属性是 e_phentsize, 表示 program header 大小
mov ebx, [KERNEL_BIN_BASE_ADDR + 28] ;偏移文件开始部分 28 字节的地方是 e_phoff，表示第 1 个program header 在文件中的偏移量
;其实该值是 0x34,不过还是谨慎一点，这里来读取实际值
add ebx, KERNEL_BIN_BASE_ADDR
mov cx, [KERNEL_BIN_BASE_ADDR + 44] ;偏移文件开始部分 44 字节的地方是 e_phnum,表示有几个 program header
.each_segment:
cmp byte [ebx + 0], PT_NULL ; 若 p_type 等于 PT_NULL, 说明此 program header 未使用 0xd62
je .PTNULL
;为函数 memcpy 压入参数，参数是从右往左依次压入,函数原型类似于 memcpy(dst, src, size)
push dword [ebx + 16] ; program header 中偏移 16 字节的地方是 p_filesz,压入函数 memcpy 的第三个参数:size
mov eax, [ebx + 4] ; 距程序偏移量为 4 字节的位置是 p_offset
add eax, KERNEL_BIN_BASE_ADDR ;加上 kernel.bin 被加载到的物理地址， eax 为该段的物理地址
push eax ; 压入函数 memcpy 的第二个参数: 源地址
mov eax,[ebx + 8]
push eax
;push dword [ebx + 8]; 压入函数 memcpy 的第一个参数: 目的地址,偏移程序头 8 字节的位置是 p_vaddr, 这就是目的地址
call mem_cpy ; 调用 mem_cpy 完成段复制
add esp, 12 ; 清理栈中压入的三个参数
.PTNULL:
add ebx, edx ; edx 为 program header 大小，即 e_phentsize,在此 ebx 指向下一个 program header
loop .each_segment
ret
随着开发的进行，kernel.elf 会越来越大，比如说大到 0x200000,那么kernel.elf中.bss段中的变量地址也很接近 0x200000，那么存放kernel.elf的0x60000起始的物理地址，将会和解析后kernel.elf代码段及.bss 端重合将导致未知错误，所以我们需要使用grub2帮我们处理这部分传统BootLoader需要做的工作，使用grub2后我们只要专心开发内核就行，至于我们上面说的kernel.elf的存放和解析则都由grub2完成。
boot.S
/* boot.S - bootstrap the kernel */
/* Copyright (C) 1999, 2001, 2010 Free Software Foundation, Inc.
*
* This program is free software: you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License as published by
* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
* (at your option) any later version.
*
* This program is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
* GNU General Public License for more details.
*
* You should have received a copy of the GNU General Public License
* along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
*/
#define ASM_FILE 1
#include "multiboot2.h"
/* C symbol format. HAVE_ASM_USCORE is defined by configure. */
#ifdef HAVE_ASM_USCORE
# define EXT_C(sym) _ ## sym
#else
# define EXT_C(sym) sym
#endif
/* The size of our stack (16KB). */
#define STACK_SIZE 0x4000
/* The flags for the Multiboot header. */
#ifdef __ELF__
# define AOUT_KLUDGE 0
#else
# define AOUT_KLUDGE MULTIBOOT_AOUT_KLUDGE
#endif
.text
.globl start, _start
start:
_start:
jmp multiboot_entry
/* Align 64 bits boundary. */
.align 8
/* Multiboot header. */
multiboot_header:
/* magic */
.long MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC
/* ISA: i386 */
.long GRUB_MULTIBOOT_ARCHITECTURE_I386
/* Header length. */
.long multiboot_header_end - multiboot_header
/* checksum */
.long -(MULTIBOOT2_HEADER_MAGIC + GRUB_MULTIBOOT_ARCHITECTURE_I386 + (multiboot_header_end - multiboot_header))
.long 0
.long 8
#ifndef __ELF__
address_tag_start:
.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_ADDRESS
.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_OPTIONAL
.long address_tag_end - address_tag_start
/* header_addr */
.long multiboot_header
/* load_addr */
.long _start
/* load_end_addr */
.long _edata
/* bss_end_addr */
.long _end
address_tag_end:
entry_address_tag_start:
.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_ENTRY_ADDRESS
.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_OPTIONAL
.long entry_address_tag_end - entry_address_tag_start
/* entry_addr */
.long multiboot_entry
entry_address_tag_end:
#endif /* __ELF__ */
framebuffer_tag_start:
.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_FRAMEBUFFER
.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_OPTIONAL
.long framebuffer_tag_end - framebuffer_tag_start
.long 1024
.long 768
.long 32
framebuffer_tag_end:
.short MULTIBOOT_HEADER_TAG_END
.short 0
.long 8
multiboot_header_end:
multiboot_entry:
/* Initialize the stack pointer. */
movl $(stack + STACK_SIZE), %esp
/* Reset EFLAGS. */
pushl $0
popf
/* Push the pointer to the Multiboot information structure. */
pushl %ebx
/* Push the magic value. */
pushl %eax
/* Now enter the C main function... */
call EXT_C(main)
/* Halt. */
pushl $halt_message
call EXT_C(put_str)
loop: hlt
jmp loop
halt_message:
.asciz "Halted."
/* Our stack area. */
.comm stack, STACK_SIZE
i386-elf-ld -no-pie -m elf_i386 boot.o main.o print.o hierarchy1/hierarchy1.o hierarchy1/hierarchy2/hierarchy2.o hierarchy1/hierarchy2/hierarchy3/hierarchy3.o -Ttext 0x100000 -o kernel.elf
完成以上两步后，我们的kernel.elf 就是具备grub2能力的文件，可以被grub2加载
这里我们选用 .iso 文件
iso:
cp $(TARGET) isofiles/boot/
grub-mkrescue -o simpleOS.iso isofiles
make qemu
使用CMake 对操作系统源文件进行组织
cd CMake
cmake ./
make iso
make qemu
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到现在为止，我们编辑源文件还是很困难的，如果能将工程集成到 XCode、Visual Stdio 这样的IDE进行编辑，同时可以进行方法跳转、界面调试将能大大提高开发效率
cd IDE
./run_cmake.sh
打开 build 文件夹下的 simpleOS.xcodeproj 工程，选择 kernel target,直接运行即可，我们看到，一个简单的XCode运行按钮，我们就完成了qemu启动，及lldb连接调试，我们在lldb命令界面执行c命令即可完成我们系统的运行，从下图可以看到，我们的源文件已经成树状结构在XCode中展示出来，同时方法名也高亮了，可以进行跳转
工程更加直观，具备方法跳转、方法名高亮、全局查找、一键调试等优点
vscode 需要安装两个扩展插件：Native Debug和CodeLLDB
其中 .vscode/launch.json 配置如下
{
"version": "0.2.0",
"configurations": [
{
"name": "KernelDbg",
"type": "lldb",
"request": "custom",
"preLaunchTask": "run",
"targetCreateCommands": ["target create ${workspaceFolder}/kernel.elf"],
"processCreateCommands": ["gdb-remote localhost:1234"],
"sourceMap": {"${workspaceFolder}" : "${workspaceFolder}"},
"console": "internalConsole",
}
]
}
这样配置完以后就可以使用vscode实时断点调试了
如果你看到了这里，可以发现我们的操作系统开发方式较之前高效了很多，但是我们还没实现界面调试的功能，我们不能像IDE本身平台工程那样给我们操作系统工程下断点，这个功能如果实现了，我们的开发效率将会到达一个新的高度。 以XCode为例，XCode默认的调试器是lldb，我们现在也实现了用lldb调试我们的内核kernel.elf,就是无法将断点映射到图形界面上，从理论上来说，这是可行的，由于本人技术有限，暂时无法实现，还请各位大神一起群策群力,加入qq群大家一起交流提高开发操作系统的效率。
开发效率群:809565047
