打卡第二天：学习HelloOS源码

（2021年10月29日打卡第二天）

1、make

下面来通过一个简单的makefile实例，来看看怎么写好一个makefile：

#makefile实例1
helloworld : helloworld.c
	gcc -o $@ $<

这就是一个最简单的makefile。其中，构建目标为helloworld，目标所依赖的文件是helloworld.c，它们之间用“:”隔开。
要执行的命令是gcc -o $@ $<，$@ $<是make程序内部使用的两个变量，分别代表目标及目标所依赖的文件，也就是说make程序最终会把gcc -o helloworld helloworld.c送到终端里去执行。

• 注意make规定要执行的命令的前面必有一个tab符。

再来看一个有点复杂的makefile：

#makefile实例2
CC = gcc #定义一个宏CC 等于gcc
CFLAGS = -c #定义一个宏 CFLAGS 等于-c
OBJS_FILE = file.o file1.o file2.o file3.o file4.o #定义一个宏
.PHONY : all everything #定义两个伪目标all、everything
all:everything #伪目标all依赖于伪目标everything
everything :$(OBJS_FILE) #伪目标everything依赖于OBJS_FILE，而OBJS_FILE是宏会被
#替换成file.o file1.o file2.o file3.o file4.o
%.o : %.c
   $(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<

我来解释一下这个例子：make 规定“#”后面为注释，make 处理 makefile 时会自动丢弃。
makefile 中可以定义宏，方法是在一个字符串后跟一个“=”或者“:=”符号，引用宏时要用“$(宏名)”，宏最终会在宏出现的地方替换成相应的字符串，例如：$(CC) 会被替换成 gcc，$( OBJS_FILE) 会被替换成 file.o file1.o file2.o file3.o file4.o。

.PHONY 在 makefile 中表示定义伪目标。所谓伪目标，就是它不代表一个真正的文件名，在执行 make 时可以指定这个目标来执行其所在规则定义的命令。但是伪目标可以依赖于另一个伪目标或者文件，例如：all 依赖于 everything，everything 最终依赖于 file.c file1.c file2.c file3.c file4.c。
虽然我们会发现，everything 下面并没有相关的执行命令，但是下面有个通用规则：“%.o : %.c”。其中的“%”表示通配符，表示所有以“.o”结尾的文件依赖于所有以“.c”结尾的文件。

例如：file.c、file1.c、file2.c、file3.c、file4.c，通过这个通用规则会自动转换为依赖关系：file.o: file.c、file1.o: file1.c、file2.o: file2.c、file3.o: file3.c、file4.o: file4.c。
然后，针对这些依赖关系，分别会执行：$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $< 命令，当然最终会转换为：gcc –c –o xxxx.o xxxx.c，这里的“xxxx”表示一个具体的文件名。

现在来把上面的那个makefile稍稍改进一下，如果细心观察不难发现上面的makefile一共有4大部分：
构建时用到的命令、依赖文件、构建目标、构建规则。
首先建立一个文件cmd.mh，文件名随意。用于存放相关的命令，文件内容：

CC = gcc		#定义一个宏 CC 等于gcc
CFLAGS = -c		#定义一个宏 CFLAGS 等于-c

实际中或许有更多的命令，这里为了简单起见，只有一个命令和一个命令选项。
再建立一个文件objs.mh，文件名随意。用于存放需要编译的文件即依赖文件，文件内容：

OBJS_FILE = file.c file1.c file2.c file3.c file4.c	#定义一个宏
#当然可以有更多的文件

然后建立一个文件rule.mh，文件名随意。存放用于构建目标的通用规则，文件内容：

%.o : %.c
$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<
#也许有更多的规则例如：
#%.o : %.s
#	$(AS)	$(ASFLAGS) -O $@ $<

最后在任何情况下，我们可能就只需建立这样的makefile：

#makefile实例3
include cmd.mh
include objs.mh
.PHONY : all everything
all:everything
everything :$(OBJS_FILE)
include rule.mh

上面makefile中的include和C语言中的include是一样的工作机制，同样也是包含一个文本文件，只是make不需要 “<>” 和 “""”。并且make会在include的地方开始展开包含的这个文件。也就是说上面这个makefile最终会变成和前面代码清单makefile实例2中的那个makefile一样。
这样写起makefile文件就容易多了，有时甚至只需要改变everything : 后面的这个宏就可以了，这对于管理构建操作内核模块文件非常有效。

小结：通过三个简单的例子，大致了解了make的工作机制，无非就是层层替换，然后根据目标的依赖文件是否已更新，决定是否重新构建目标，最后执行构建目标的命令。

2、LD

LD其实就是把诸多GCC生成的可链接的目标文件合并成一个大的可执行文件，主要完成如下功能：
1）把每个目标文件中各个相同的段，合并成各个相同的大段，一个目标文件中通常默认情况下至少有三个段：.text段即代码段，.data段即已初始化的数据段，.bss段即未初始化或初始化为0的段。
2）重定位程序中的地址，完成装载程序运行时的地址绑定，一般程序都必须从某一固定的地址开始运行。
3）解决不同目标文件之间符号引用的关系，例如，A目标文件中的一个函数调用了B目标文件中的一个函数。
现在去研究LD的链接脚本，这个链接脚本才是LD真正强大的地方。
什么是链接脚本呢，简单地说就是一个文本文件，它里面存放了一些信息，这些信息有一定的规则，相当于一种编程语言，LD读取这个文件里的信息，然后根据这些信息完成相关的动作。

先来看一看一个非常简单的LD链接脚本：

/*彭东 @ 2021.01.09*/

ENTRY(_start)
/*ENTRY()，表示程序中某一标号为可执行文件的入口点，即表示程序从这里开始运行，如_start标号。*/
OUTPUT_ARCH(i386)
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
/*SECTIONS，表示定义一个输出端，内部按照一定的规则组织合并所有可链接目标文件内的所有段，最后形成一个输出的大段。以一对“{}”结束。*/
SECTIONS
{
	. = 0x200000;
	/*“.”表示当前地址计数器，LD创建程序加载运行地址时，就是以这个基准的最开始应该给初始值，LD就是以那个初始值为地址开始链接程序的。*/
	__begin_start_text = .;
	.start.text : ALIGN(4) { *(.start.text) }
	__end_start_text = .;

	__begin_text = .;
	.text : ALIGN(4) { *(.text) }
	__end_text = .;

	__begin_data = .;
	.data : ALIGN(4) { *(.data) }
	__end_data = .;

	__begin_rodata = .;
	.rodata : ALIGN(4) { *(.rodata) *(.rodata.*) }
	__end_rodata = .;

	__begin_kstrtab = .;
	.kstrtab : ALIGN(4) { *(.kstrtab) }
	__end_kstrtab = .;

	__begin_bss = .;
       .bss : ALIGN(4) { *(.bss) }
	__end_bss = .;
}

上面LD链接脚本中的内容，我们要关注的内容如下：

1. ENTRY()，表示程序中某一标号为可执行文件的入口点，即表示程序从这里开始运行，如_start标号。
2. OUTPUT_ARCH()，表示输入可执行文件的机器体系，如ARM。
3. OUTPUT_FORMAT()，表示输出可执行文件的格式，如“elf32-littlearm”。
4. “.”表示当前地址计数器，LD创建程序加载运行地址时，就是以这个基准的最开始应该给初始值，LD就是以那个初始值为地址开始链接程序的。
5. 如果定义了这些自定义的标号，就可以在程序代码中访问它们，它们的值表现为地址，例如，__begin_start_text的值为0x200000，这些类似C语言的赋值表达式要以分号“;”结束。
6. “.text : ALIGN(4) { *(.text) }”，”其中的ALIGN(4)表示每个大段链接时的地址按4B对齐，ALIGN(4)不是必须的。ALIGN(4)前面的.text、.data、.bss，表示LD合成可执行文件时将会输出大段的段名，大段名后面要以“:”开始，紧跟其后的时“{}”，“{}”里面时链接规则。
   例如，“{*(.text)}”表示将所有目标文件中的.text段（用“()”括起来）组成一个大的.text段，其中的“*”表示通配符，当然可以在此写上所有目标文件的名称。
   
   

3、Hello OS 引导汇编代码

entry.asm：

以上的汇编代码（/lesson01/HelloOS/entry.asm）分为 4 个部分：

1. 代码 1~40 行，用汇编定义的 GRUB 的多引导协议头，其实就是一定格式的数据，我们的 Hello OS 是用 GRUB 引导的，当然要遵循 GRUB 的多引导协议标准，让 GRUB 能识别我们的 Hello OS。之所以有两个引导头，是为了兼容 GRUB1 和 GRUB2。
2. 代码 44~52 行，关掉中断，设定 CPU 的工作模式。你现在可能不懂，没事儿，后面 CPU 相关的课程我们会专门再研究它。
3. 代码 54~73行，初始化 CPU 的寄存器和 C 语言的运行环境。
4. 代码 78~87 行，GDT_START 开始的，是 CPU 工作模式所需要的数据，同样，后面讲 CPU 时会专门介绍。
   
   

4、Hello OS 的函数

main.c：

vgastr.h：

vgastr.c：

5、编译

下面我们用一张图来描述我们 Hello OS 的编译过程，如下所示：

进入linux类操作系统，在源码lesson02目录空白处右击鼠标，打开一个命令窗口，输入命令make回车即可：

6、安装 Hello OS

经过上述流程，我们就会得到 Hello OS.bin 文件，但是我们还要让 GRUB 能够找到它，才能在计算机启动时加载它。这个过程我们称为安装，不过这里没有写安装程序，得我们手动来做。
经研究发现，GRUB 在启动时会加载一个 grub.cfg 的文本文件，根据其中的内容执行相应的操作，其中一部分内容就是启动项。
GRUB 首先会显示启动项到屏幕，然后让我们选择启动项，最后 GRUB 根据启动项对应的信息，加载 OS 文件到内存。

具体操作过程，请看：
打卡第一天：通过GRUB启动我们自己的操作系统HelloOS
https://blog.youkuaiyun.com/zhaopeng01zp/article/details/121027198