Raspberry Pi 4裸机操作系统开发指南：启动引导篇

Raspberry Pi 4裸机操作系统开发指南：启动引导篇

rpi4-osdev Tutorial: Writing a "bare metal" operating system for Raspberry Pi 4 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/rpi/rpi4-osdev

操作系统开发的起点

开发一个裸机操作系统是理解计算机底层工作原理的最佳方式之一。本文将带你了解如何为Raspberry Pi 4编写最基本的启动引导代码，这是构建完整操作系统的第一步。

开发语言的选择

在操作系统开发中，我们需要同时使用两种编程语言：

1. 汇编语言：直接与CPU交互的低级语言，提供对硬件的精确控制
2. C语言：更高级的系统编程语言，提高开发效率

这两种语言的结合使用是现代操作系统开发的常见做法。汇编语言用于处理最底层的硬件初始化，而C语言则用于实现更复杂的功能。

启动引导的关键步骤

启动引导代码（bootstrapping）是操作系统最先执行的部分，它需要完成以下关键任务：

1. 处理器核心管理：Raspberry Pi 4的Arm Cortex-A72处理器有四个核心，我们需要确保只有主核心执行我们的代码
2. 栈空间设置：为操作系统运行分配临时存储空间
3. BSS段初始化：清零未初始化的全局变量区域
4. 跳转到主程序：完成初始化后进入C语言编写的内核主函数

汇编启动代码解析

让我们详细分析启动汇编代码的关键部分：

_start:
    // 检查处理器ID是否为0（主核心）
    mrs     x1, mpidr_el1
    and     x1, x1, #3
    cbz     x1, 2f
    // 非主核心进入等待循环
1:  wfe
    b       1b
2:  // 主核心继续执行

    // 设置栈指针
    ldr     x1, =_start
    mov     sp, x1

    // 清理BSS段
    ldr     x1, =__bss_start
    ldr     w2, =__bss_size
3:  cbz     w2, 4f
    str     xzr, [x1], #8
    sub     w2, w2, #1
    cbnz    w2, 3b

    // 跳转到C语言main函数
4:  bl      main
    b       1b

这段代码完成了前面提到的所有关键任务，为C语言环境的运行做好了准备。

最简单的C内核

在汇编代码完成初始化后，我们跳转到C语言的main函数。目前我们只实现了一个最简单的无限循环：

void main()
{
    while (1);
}

虽然这个内核什么也不做，但它验证了我们的启动流程是正确的。

链接器脚本的作用

链接器脚本（link.ld）负责将不同部分的代码和数据组织到内存的正确位置：

1. 指定内核加载地址为0x80000（RPi4的固定启动地址）
2. 确保.text.boot段位于最前面
3. 定义BSS段的起始和结束位置
4. 计算BSS段的大小

SECTIONS
{
    . = 0x80000;
    .text : { KEEP(*(.text.boot)) *(.text .text.* .gnu.linkonce.t*) }
    /* 其他段定义... */
    __bss_size = (__bss_end - __bss_start)>>3;
}

开发建议

对于初学者，建议：

1. 先理解每一行汇编代码的作用
2. 尝试修改链接器脚本，观察对生成的内核镜像的影响
3. 在main函数中添加简单功能，如点亮LED（后续会涉及）

通过这个基础框架，你已经迈出了开发Raspberry Pi 4操作系统的第一步。在后续开发中，我们将在这个基础上添加更多功能，如硬件初始化、内存管理和进程调度等。

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