０から作るOS開発　Grubその３　GRUBから起動できる自作OSを作成する

前回までの内容

• CygwinでGRUB 2をインストールしました
  


• インストールしたGRUBの構成についてみてきました


• GRUBのコマンドとオプションについて見て来ました


• 重要なコマンドとして下記コマンドがありました


• grub-install：GRUBをデバイスにインストールします
  


• grub-mkconfig：GRUBの設定ファイルを作成します
  


• grub-mkrescue：GRUBのレスキューイメージを作成します
  


• GRUBのレスキューイメージを作成して、GRUBの起動を確認しました。
  

推奨

GRUBから起動できる自作OS（カーネル）の作成

マルチブート仕様（ベーシック）

マルチブート仕様の概略

• マルチブートヘッダー
  

OSの実行ファイルの先頭から8KB以内にマルチブートヘッダーを付けます。


• OS起動時のマシン状態
  

OSが起動されたときのレジスターに格納されている値を参照して処理を行います。


• ブートローダーがOSに渡す情報（パラメーター）
  

ブートローダーからもらった情報（メモリーマップの情報など）に基いて処理を行います。
（今回はこの部分については定義のみとなります。詳細は マルチブート仕様 を
ご確認ください）。

マルチブートヘッダー

    checksum = - ( magic + flags )

マルチブートヘッダーの実装

カーネルをロードする物理アドレスの定義

/* Physical address where kernel is loaded    */
#define DEF_MM_KERNEL_PHY_BASEADDR    0x00100000

magicフィールドの定義

/*
----------------------------------------------------------------------------------

    Magic of Multiboot Header

----------------------------------------------------------------------------------
*/
#define DEF_MBH_MAGIC            0x1BADB002

flagsフィールドの定義

/*
----------------------------------------------------------------------------------

    Flags of Multiboot Header

----------------------------------------------------------------------------------
*/
#define	DEF_MBH_FLAGS_PAGE_ALIGN    0x00000001  /* page (4KB) boundaries        */
#define	DEF_MBH_FLAGS_MEMORY_INFO   0x00000002  /* memory information           */
#define	DEF_MBH_FLAGS_VIDEO_MODE    0x00000004  /* video mode                   */
#define	DEF_MBH_FLAGS_AOUT_KLUDGE   0x00010000  /* use address fields           */

/* Flags for elf kernel image                          */
#define	DEF_MBH_FLAGS           ( DEF_MBH_FLAGS_PAGE_ALIGN | DEF_MBH_FLAGS_MEMORY_INFO )
/* Flags for binary kernel image                       */
#define	DEF_MBH_FLAGS_BIN       ( DEF_MBH_FLAGS_PAGE_ALIGN | DEF_MBH_FLAGS_MEMORY_INFO | DEF_MBH_FLAGS_AOUT_KLUDGE )

checksumフィールド

#define	DEF_MBH_CHECKSUM        ( - ( DEF_MBH_MAGIC + DEF_MBH_FLAGS     ) )
#define	DEF_MBH_CHECKSUM_BIN    ( - ( DEF_MBH_MAGIC + DEF_MBH_FLAGS_BIN ) )

header_addrフィールド

#define	DEF_MBH_HEADER_ADDR     DEF_MM_KERNEL_PHY_BASEADDR

残りのアドレスフィールドについて

グラフィックフィールドの定義

				
#define	DEF_MBH_MODE_TYPE       0x00000001        /* text mode                  */
#define	DEF_MBH_WIDTH           0x00000050        /* width  = 80                */
#define	DEF_MBH_HEIGHT          0x00000028        /* height = 40                */
#define	DEF_MBH_DEPTH           0x00000000

C言語用のマルチブートヘッダー定義

				
/*
=================================================================================

    The followings are for only C

=================================================================================
*/
#ifndef __MULTIBOOT__S
#ifndef __MULTIBOOT_HEADER_H
#define	__MULTIBOOT_HEADER_H

typedef unsigned int    UINT32

/*
=================================================================================

    Multiboot Header

=================================================================================
*/
typedef struct
{
    UINT32  magic;
    UINT32  flags;
    UINT32  checksum;
    /* The followings are only valid if MULTIBOOT_AOUT_KLUDGE is set	*/
    UINT32  header_addr;
    UINT32  load_addr;
    UINT32  load_end_addr;
    UINT32  bss_end_addr;
    UINT32  entry_addr;
    /* The followings are only valid if MULTIBOOT_VIDEO_MODE is set		*/
    UINT32  mode_type;
    UINT32  width;
    UINT32  height;
    UINT32  depth;
}MULTIBOOT_HEADER;

#endif	/* __MULTIBOOT_HEADER_H	*/
#endif	/* __MULTIBOOT__S		*/

OS起動時のマシン状態

• EAX：マジックナンバーを格納しています。マジックナンバーは0x2BADB002です。


• EBX：マルチブート情報を格納しているアドレスが格納されています


• CS：カーネルを起動する前に、ローダはGDTを構築しています。CSレジスタは
        ローダが構築したコードセグメントを選択した状態になっています
        コードセグメントのオフセットは0でリミットは0xFFFFFFFFです


• DS、ES、FS、GS、SS：ローがが構築したデータセグメントを選択した状態になっています
        データセグメントのオフセットは0でリミットは0xFFFFFFFFです


• A20：A20以上のアドレスラインは有効になっています


• CR0：ビット31PGは0で、ページングは無効になっています。ビット0PEは0になっていて
          プロテクティッドモードに移行済みです。その他のビットは未定義です


• その他のレジスタ：未定義です

				
#define	DEF_MBH_BL_MAGIC         0x2BADB002	/* The magic should be in EAX   */

マルチブート情報

マルチブート情報の定義

				
/*
=================================================================================

    Multiboot Info

=================================================================================
*/
typedef struct
{
    UINT32	flags;          /* multiboot info version number     */
    /* available memory from BIOS       */
    UINT32	mem_lower;
    UINT32	mem_upper;
    UINT32	boot_device;    /* "root" partition                  */
    UINT32	cmdline;        /* kernel command line               */
    /* Boot-Module list                 */
    UINT32	mods_count;
    UINT32	mods_addr;

    UINT32  syms1;
    UINT32  syms2;
    UINT32  syms3;

    /* memory mapping buffer            */
    UINT32	mmap_length;
    UINT32	mmap_addr;
    /* drive info buffer                */
    UINT32	drives_length;
    UINT32	drives_addr;
    /* ROM configuration table          */
    UINT32	config_table;
    /* bootloader name                  */
    UINT32	boot_loader_name;
    /* Video                            */
    UINT32	vbe_control_info;
    UINT32	vbe_mode_info;
    UINT32	vbe_mode;
    UINT32	vbe_interface_seg;
    UINT32	vbe_interface_off;
    UINT32	vbe_interface_len;
}MULTIBOOT_INFO;

マルチブート仕様のヘッダー定義まとめ

			
/*****************************************************************************
 File:multiboot.h
 Description:Definition of Multiboot header for C and Assembler

*****************************************************************************/
#ifndef __MULTIBOOT__H
#define __MULTIBOOT__H

/* Physical address where kernel is loaded    */
#define DEF_MM_KERNEL_PHY_BASEADDR    0x00100000

/*
==================================================================================

    DEFINES of Multiboot header for C and Assember

==================================================================================
*/
/*
----------------------------------------------------------------------------------

    Magic of Multiboot Header

----------------------------------------------------------------------------------
*/
#define DEF_MBH_MAGIC            0x1BADB002     /* magic                        */

/*
----------------------------------------------------------------------------------

    Flags of Multiboot Header

----------------------------------------------------------------------------------
*/
#define DEF_MBH_FLAGS_PAGE_ALIGN    0x00000001  /* page (4KB) boundaries        */
#define DEF_MBH_FLAGS_MEMORY_INFO   0x00000002  /* memory information           */
#define DEF_MBH_FLAGS_VIDEO_MODE    0x00000004  /* video mode                   */
#define DEF_MBH_FLAGS_AOUT_KLUDGE   0x00010000  /* use address fields           */

/*
----------------------------------------------------------------------------------

    Other fileds of Multiboot Header

----------------------------------------------------------------------------------
*/
/* Flags for elf kernel image                          */
#define DEF_MBH_FLAGS           ( DEF_MBH_FLAGS_PAGE_ALIGN | DEF_MBH_FLAGS_MEMORY_INFO )
/* Flags for binary kernel image                       */
#define DEF_MBH_FLAGS_BIN       ( DEF_MBH_FLAGS_PAGE_ALIGN | DEF_MBH_FLAGS_MEMORY_INFO | DEF_MBH_FLAGS_AOUT_KLUDGE )
#define DEF_MBH_CHECKSUM        ( - ( DEF_MBH_MAGIC + DEF_MBH_FLAGS     ) )
#define DEF_MBH_CHECKSUM_BIN    ( - ( DEF_MBH_MAGIC + DEF_MBH_FLAGS_BIN ) )
/* The following fields are unnecessory for elf format */
#define DEF_MBH_HEADER_ADDR     DEF_MM_KERNEL_PHY_BASEADDR
#define DEF_MBH_MODE_TYPE       0x00000001        /* text mode                  */
#define DEF_MBH_WIDTH           0x00000050        /* width  = 80                */
#define DEF_MBH_HEIGHT          0x00000028        /* height = 40                */
#define DEF_MBH_DEPTH           0x00000000

#endif  /* __MULTIBOOT__H */


/*
=================================================================================

    The followings are for only C

=================================================================================
*/
#ifndef __MULTIBOOT__S
#ifndef __MULTIBOOT_HEADER_H
#define __MULTIBOOT_HEADER_H

typedef unsigned int    UINT32;

/*
=================================================================================

    Multiboot Header

=================================================================================
*/
typedef struct
{
    UINT32  magic;
    UINT32  flags;
    UINT32  checksum;
    /* The followings are only valid if MULTIBOOT_AOUT_KLUDGE is set	*/
    UINT32  header_addr;
    UINT32  load_addr;
    UINT32  load_end_addr;
    UINT32  bss_end_addr;
    UINT32  entry_addr;
    /* The followings are only valid if MULTIBOOT_VIDEO_MODE is set		*/
    UINT32  mode_type;
    UINT32  width;
    UINT32  height;
    UINT32  depth;
}MULTIBOOT_HEADER;

/*
=================================================================================

    Multiboot Info

=================================================================================
*/
typedef struct
{
    UINT32  flags;          /* multiboot info version number     */
    /* available memory from BIOS       */
    UINT32  mem_lower;
    UINT32  mem_upper;
    UINT32  boot_device;    /* "root" partition                  */
    UINT32  cmdline;        /* kernel command line               */
    /* Boot-Module list                 */
    UINT32  mods_count;
    UINT32  mods_addr;

    UINT32  syms1;
    UINT32  syms2;
    UINT32  syms3;

    /* memory mapping buffer            */
    UINT32  mmap_length;
    UINT32  mmap_addr;
    /* drive info buffer                */
    UINT32  drives_length;
    UINT32  drives_addr;
    /* ROM configuration table          */
    UINT32  config_table;
    /* bootloader name                  */
    UINT32  boot_loader_name;
    /* Video                            */
    UINT32  vbe_control_info;
    UINT32  vbe_mode_info;
    UINT32  vbe_mode;
    UINT32  vbe_interface_seg;
    UINT32  vbe_interface_off;
    UINT32  vbe_interface_len;
}MULTIBOOT_INFO;

#endif	/* __MULTIBOOT_HEADER_H  */
#endif	/* __MULTIBOOT__S        */

GRUBから起動するカーネルを作成する

マルチブートヘッダーを作成する

multiboot.S

/*********************************************************************************
 File:multiboot.s
 Description:Multiboot Header

*********************************************************************************/
#define __MULTIBOOT__S	1
#include "multiboot.h"

/* kernel entry */
.extern _kernel_entry

/*
==================================================================================

    Prototype Statement

==================================================================================
*/
/* Open Functions */

/* Local Functions */

/*
==================================================================================

    DEFINE 

==================================================================================
*/

/*
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

    < open functions >

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
*/
.text
.code32
.globl start, _start

/*
_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/
    Funtion     :start, _start
    Input       :void
    Output      :void
    Return      :void
    Description :void
_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/
*/
start:
_start:
    jmp     _multi_boot_entry

/* align 32 bits boundary	*/
.align 4

/*
==================================================================================

    multiboot header

==================================================================================
*/
multiboot_header:
    .long   DEF_MBH_MAGIC
    .long   DEF_MBH_FLAGS
    .long   DEF_MBH_CHECKSUM

/*
_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/
    Funtion     :_multi_boot_entry
    Input       :void
    Output      :void
    Return      :void
    Description :void
_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/
*/
_multi_boot_entry:

    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    /* reset eflags                                                             */
    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    pushl   $0
    popf

    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    /* push the pointer to the multiboot information                            */
    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    pushl   %ebx    # 1st argument
    pushl   %eax    # 2nd argument

    call    _kernel_entry

loop_infinite:
    hlt
    jmp     loop_infinite

/*
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

    < Local Functions >

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
*/
/*
==================================================================================
    Funtion     :void
    Input       :void
    Output      :void
    Return      :void
    Description :void
==================================================================================
*/

#define	__MULTIBOOT__S	1
#include "multiboot.h"

/* kernel entry */
.extern	_kernel_entry

.text
.code32
.globl start, _start

start:
_start:
    jmp		_multi_boot_entry

multiboot_header:
    .long   DEF_MBH_MAGIC
    .long   DEF_MBH_FLAGS
    .long   DEF_MBH_CHECKSUM

_multi_boot_entry:

    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    /* reset eflags                                                             */
    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    pushl   $0
    popf

    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    /* push the pointer to the multiboot information                            */
    /* ------------------------------------------------------------------------ */
    pushl   %ebx    # 1st argument
    pushl   %eax    # 2nd argument

    call    _kernel_entry

loop_infinite:
    hlt
    jmp	    loop_infinite

カーネル本体を作成する

/*********************************************************************************
 File:kernel.c
 Description:Kernel entry

*********************************************************************************/
#include "multiboot.h"

/*
==================================================================================

    Prototype Statement

==================================================================================
*/
/* Open Functions */

/* Local Functions */
void displaySample( char c,
                    unsigned char  foreColor,
                    unsigned char backColor,
                    int x,
                    int y );

/*
==================================================================================

    DEFINE 

==================================================================================
*/
#define VRAM_TEXTMODE       0x000B8000
#define DEF_COLOR_BLACK     0x00
#define DEF_COLOR_WHITE     0x0F
#define MAX_Y               25
#define MAX_X               80
#define	MAX_XY              (80*25)

/*
==================================================================================

	Management 

==================================================================================
*/
char message[ ] = "Hello world!";

/*
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
	
	< open functions >

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
*/
/*
_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/
    Funtion     :_kernel_entry
    Input       :UINT32 magic
                 < magic number of multiboot >
                 MULTIBOOT_INFO *info
                 < multiboot information structure >
    Output      :void
    Return      :void
    Description :kernel entry
_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/
*/
void _kernel_entry( UINT32 magic, MULTIBOOT_INFO *info )
{
    int strlen;
    int i;

    strlen = sizeof( message );

    for( i = 0 ; i < strlen ; i++ )
    {
        displaySample( message[ i ], DEF_COLOR_WHITE, DEF_COLOR_BLACK, i, 0 );
    }
    
    for( ; ; );
}

/*
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

    < Local Functions >

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
*/
/*
==================================================================================
    Funtion     :displaySample
    Input       :char c
                 < a character to print >
                 unsigned char foreColr
                 < foreground color >
                 unsigned char backColor
                 < background color >
                 int x
                 < x-axis position where a character is printed >
                 int y
                 < y-axis position where a character is printed >
    Output      :void
    Return      :void

    Description :print a character with setting color in text mode
==================================================================================
*/
void displaySample( char c,
                    unsigned char  foreColor,
                    unsigned char backColor,
                    int x,
                    int y )
{
    unsigned short  *vram_TextMode;
    unsigned short  color;

    vram_TextMode  = ( unsigned short *)VRAM_TEXTMODE;

    color          = ( backColor << 4 ) | ( foreColor & 0x0F );

    vram_TextMode += x + y * MAX_X;

    *vram_TextMode = ( color << 8 ) | c;
}

カーネルをコンパイルする

[multiboot.S]

i686-pc-linux-gnu-gcc -c -o multiboot.o multiboot.S

[kernel.c]

i686-pc-linux-gnu-gcc -c -o kernel.o kernel.c

マルチブートヘッダーとカーネルイメージの結合

$ i686-pc-linux-gnu-ld -Ttext=0x100000 multiboot.o kernel.o -o KImage

（補足）ELFフォーマット以外のカーネルイメージの作成

/*
==================================================================================

    multiboot header

==================================================================================
*/
multiboot_header:
    .long   DEF_MBH_MAGIC
    .long   DEF_MBH_FLAGS_BIN
    .long   DEF_MBH_CHECKSUM_BIN
    .long   multiboot_header
    .long   _start
    .long   _data_end
    .long   _bss_end
    .long   _multi_boot_entry

• header_addr
  

マルチブートヘッダーの先頭アドレスであるmultiboot_headerラベルを指定します。


• load_addr
  

カーネルイメージの先頭アドレスを指定します。ここでは、カーネルイメージの先頭
アドレスを示すラベル_startを指定しています。


• load_end_addr
  

.dataセクションの最終アドレスを指定します。ここでは、リンカースクリプトで
記述している_data_endを指定しています。


• bss_end_addr
  

.bssセクションの最終アドレスを指定します。ここでは、リンカースクリプトで
記述している_bss_endを指定しています。


• entry_addr
  
OSのエントリーアドレスを指定します。ここでは、GRUBから受け取った情報を
カーネルに渡す処理を行う_multi_boot_entryのアドレスを指定しています。

SECTIONS
{
    . = 0x100000;
    .text :
    {
        _text_start = .;
        *(.text)
        _text_end = .;
    }

    .rodata :
    {
        _rodata_start = .;
        *(.rodata)
        _rodata_end = .;
    }

    .data :
    {
        _data_start = .;
        *(.data)
        _data_end = .;
    }

    .bss :
    {
        _bss_start = .;
        *(.bss)
        _bss_end = .;
    }
}

$ i686-pc-linux-gnu-gcc -c -o multiboot_bin.o multiboot_bin.S

		
i686-pc-linux-gnu-ld -T linkerscript --oformat=binary multiboot_bin.o kernel.o -o KImagebin