Raspberry Pi OS开发教程：裸机"Hello, World!"实现详解-优快云博客

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Raspberry Pi OS开发教程：裸机"Hello, World!"实现详解

raspberry-pi-os Learning operating system development using Linux kernel and Raspberry Pi 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/ra/raspberry-pi-os

前言

在操作系统开发领域，从零开始构建一个操作系统是一项极具挑战性又充满乐趣的任务。本教程将带领大家使用Raspberry Pi 3开发板，从最基础的裸机程序开始，逐步构建一个简单的操作系统内核。我们将从经典的"Hello, World!"程序入手，深入探讨如何在没有任何操作系统支持的环境下直接与硬件交互。

准备工作

在开始之前，请确保您已准备好以下开发环境：

一台Raspberry Pi 3开发板
适用于ARM64架构的交叉编译工具链
串口调试线（用于与开发板通信）
SD卡（用于存储内核映像）

项目结构解析

我们的第一个项目采用简洁而高效的结构设计：

项目根目录/
├── Makefile          # 构建配置文件
├── build.sh          # Docker构建脚本（可选）
├── src/              # 源代码目录
│   ├── boot.S        # 启动汇编代码
│   ├── kernel.c      # 内核主程序
│   └── linker.ld     # 链接器脚本
└── include/          # 头文件目录
    ├── mm.h          # 内存管理相关定义
    └── mini_uart.h   # UART设备驱动接口

Makefile深度解析

Makefile是整个项目的构建核心，它定义了如何将源代码转换为可在Raspberry Pi上运行的二进制映像。让我们深入分析关键部分：

交叉编译配置

ARMGNU ?= aarch64-linux-gnu

这里定义了交叉编译工具链前缀，因为我们在x86主机上为ARM64架构编译代码。

编译选项

COPS = -Wall -nostdlib -nostartfiles -ffreestanding -Iinclude -mgeneral-regs-only

这些选项有特殊含义：

-nostdlib：不使用标准库，因为裸机环境下没有操作系统支持
-ffreestanding：指示编译器不要假设标准函数的存在
-mgeneral-regs-only：限制只使用通用寄存器，简化开发

构建流程

Makefile定义了清晰的构建流程：

编译所有C和汇编源文件为目标文件(.o)
使用链接器脚本将所有目标文件链接为ELF可执行文件
通过objcopy工具提取纯二进制映像

链接器脚本精要

链接器脚本(linker.ld)控制着内核映像的内存布局：

SECTIONS
{
    .text.boot : { *(.text.boot) }
    .text :  { *(.text) }
    .rodata : { *(.rodata) }
    .data : { *(.data) }
    . = ALIGN(0x8);
    bss_begin = .;
    .bss : { *(.bss*) } 
    bss_end = .;
}

关键点说明：

.text.boot必须放在最前面，包含启动代码
.bss段需要特殊处理，因为它包含未初始化数据
我们显式记录了.bss段的起止地址，便于启动时清零

启动流程剖析

boot.S是内核执行的起点，包含关键的启动代码：

多核处理

mrs    x0, mpidr_el1        
and    x0, x0,#0xFF        // 获取处理器ID
cbz    x0, master         // 仅主处理器继续执行
b    proc_hang            // 其他处理器挂起

这段代码确保只有主处理器(CPU0)继续执行，其他处理器进入无限循环，这是多核启动的标准做法。

内存初始化

master:
    adr    x0, bss_begin
    adr    x1, bss_end
    sub    x1, x1, x0
    bl     memzero

这里我们清零.bss段，这是C运行时环境的基本要求。

栈设置与内核跳转

mov    sp, #LOW_MEMORY
bl    kernel_main

设置栈指针并跳转到C语言的主函数，完成从汇编到C的过渡。

内核主函数实现

kernel_main是第一个C语言函数，实现了简单的串口回显功能：

void kernel_main(void)
{
    uart_init();  // 初始化UART设备
    uart_send_string("Hello, world!\r\n");  // 输出欢迎信息

    while (1) {
        uart_send(uart_recv());  // 回显用户输入
    }
}