可运行的例子
让我们创建并运行一些没有OS的微型裸机hello world程序：
我们还将尽可能在QEMU仿真器上对其进行尝试，因为这样做更安全，更方便开发。QEMU测试已在具有预打包QEMU 2.11.1的Ubuntu 18.04主机上进行。
GitHub存储库中提供了以下所有x86示例以及更多示例的代码。
如何在x86真实硬件上运行示例
请记住，在真实的硬件上运行示例可能很危险，例如，您可能会误擦磁盘或对硬件进行砌块：仅在不包含关键数据的旧机器上这样做！甚至更好的是，使用便宜的半一次性开发板，例如Raspberry Pi，请参见下面的ARM示例。
对于典型的x86笔记本电脑，您必须执行以下操作：
将图像刻录到USB记忆棒（会破坏您的数据！）：
sudo dd if=main.img of=/dev/sdX
将USB插入计算机
打开它
告诉它从USB启动。
这意味着使固件在硬盘之前选择USB。
如果这不是计算机的默认行为，请在开机后继续按Enter，F12，ESC或其他类似的怪异键，直到获得启动菜单，您可以在其中选择从USB引导。
通常可以在那些菜单中配置搜索顺序。
例如，在我的T430上，我看到以下内容。
打开电源后，这是我必须按Enter进入启动菜单的时间：
然后，在这里我必须按F12键选择USB作为引导设备：
从那里，我可以选择USB作为引导设备，如下所示：
另外，要更改启动顺序并选择优先级更高的USB，这样我就不必每次都手动选择它，我将在“启动中断菜单”屏幕上按F1，然后导航至：
引导区
在x86上，您可以做的最简单和最低级别的操作是创建一个Master Boot Sector（MBR）（这是一种启动扇区），然后将其安装到磁盘上。
在这里，我们通过一个printf调用创建一个：
printf '\364%509s\125\252' > main.img
sudo apt-get install qemu-system-x86
qemu-system-x86_64 -hda main.img
结果：
请注意，即使不执行任何操作，屏幕上也已经打印了几个字符。这些由固件打印，并用于识别系统。
在T430上，我们只是得到一个空白屏幕，光标闪烁：
main.img 包含以下内容：
\364八进制== 0xf4十六进制：hlt指令的编码，告诉CPU停止工作。
因此，我们的程序不会执行任何操作：仅启动和停止。
我们使用八进制，因为\xPOSIX未指定十六进制数。
我们可以通过以下方式轻松获得此编码：
echo hlt > a.S
as -o a.o a.S
objdump -S a.o
输出：
a.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <.text>:
0: f4 hlt
但是它当然也记录在英特尔手册中。
%509s产生509个空格。需要填写文件，直到字节510。
\125\252以八进制== 0x55后跟0xaa。
这是2个必需的魔术字节，必须是字节511和512。
BIOS会遍历我们所有的磁盘以寻找可引导磁盘，并且仅将具有这两个魔术字节的磁盘视为可引导磁盘。
如果不存在，则硬件不会将其视为可引导磁盘。
如果您不是printf管理员，则可以使用以下命令确认其内容main.img：
hd main.img
显示预期的结果：
00000000 f4 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 |. |
00000010 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 | |
*
000001f0 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 55 aa | U.|
00000200
其中20ASCII空格。
BIOS固件从磁盘读取这512个字节，将它们放入内存，然后将PC设置为第一个字节以开始执行它们。
你好世界引导部门
现在我们已经制作了一个最小的程序，让我们进入一个问候世界。
显而易见的问题是：如何做IO？一些选择：
要求固件（例如BIOS或UEFI）为我们做
VGA：特殊的内存区域，如果写入，则会打印到屏幕上。可以在保护模式下使用。
编写驱动程序并直接与显示硬件对话。这是做到这一点的“正确”方法：功能更强大，但更复杂。
串口。这是一个非常简单的标准化协议，可以从主机终端发送和接收字符。
在台式机上，它看起来像这样：
来源。
不幸的是，它没有在大多数现代笔记本电脑上公开，但是是开发板的常用方法，请参见下面的ARM示例。
这实在令人遗憾，因为此类接口对于调试Linux内核确实非常有用。
使用芯片的调试功能。例如，ARM称其为半主机。在实际硬件上，它需要一些额外的硬件和软件支持，但是在仿真器上，它可以是免费的便捷选择。实例。
在这里，我们将做一个BIOS示例，因为它在x86上更简单。但是请注意，这不是最可靠的方法。
电源
.code16
mov $msg, %si
mov $0x0e, %ah
loop:
lodsb
or %al, %al
jz halt
int $0x10
jmp loop
halt:
hlt
msg:
.asciz "hello world"
GitHub上游。
链接
SECTIONS
{
/* The BIOS loads the code from the disk to this location.
* We must tell that to the linker so that it can properly
* calculate the addresses of symbols we might jump to.
*/
. = 0x7c00;
.text :
{
__start = .;
*(.text)
/* Place the magic boot bytes at the end of the first 512 sector. */
. = 0x1FE;
SHORT(0xAA55)
}
}
组装并链接到：
as -g -o main.o main.S
ld --oformat binary -o main.img -T link.ld main.o
qemu-system-x86_64 -hda main.img
结果：
在T430上：
经过测试：Lenovo Thinkpad T430，UEFI BIOS 1.16。在Ubuntu 18.04主机上生成的磁盘。
除了标准的Userland组装说明，我们还有：
重要的链接标志是：
--oformat binary：输出原始二进制汇编代码，不要像常规用户级可执行文件那样将其包装在ELF文件中。
为了更好地了解链接描述文件，请熟悉链接的重定位步骤：链接描述是做什么的？
较酷的x86裸机程序
这是我已经完成的一些更复杂的裸机设置：
使用C代替汇编
简介：使用GRUB multiboot，它将解决许多您从未想到的烦人的问题。请参阅以下部分。
x86上的主要困难是BIOS仅将磁盘中的512个字节加载到内存中，使用C时您很可能会炸破这512个字节！
为了解决这个问题，我们可以使用两阶段的bootloader。这将导致进一步的BIOS调用，从而将更多的字节从磁盘加载到内存中。这是使用int 0x13 BIOS调用从头开始的最小的第2阶段组装示例：
或者：
- 如果您只需要它在QEMU中工作而不在真正的硬件中工作，请使用该
-kernel选项，该选项会将整个ELF文件加载到内存中。这是我使用该方法创建的一个ARM示例。
- 对于Raspberry Pi，默认固件将从名为的ELF文件中为我们加载图像
kernel7.img，这与QEMU -kernel一样。
仅出于教育目的，这是一个单阶段的最低C示例：
main.c
void main(void) {
int i;
char s[] = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'w', 'o', 'r', 'l', 'd'};
for (i = 0; i < sizeof(s); ++i) {
__asm__ (
"int $0x10" : : "a" ((0x0e << 8) | s[i])
);
}
while (1) {
__asm__ ("hlt");
};
}
入口
.code16
.text
.global mystart
mystart:
ljmp $0, $.setcs
.setcs:
xor %ax, %ax
mov %ax, %ds
mov %ax, %es
mov %ax, %ss
mov $__stack_top, %esp
cld
call main
链接器
ENTRY(mystart)
SECTIONS
{
. = 0x7c00;
.text : {
entry.o(.text)
*(.text)
*(.data)
*(.rodata)
__bss_start = .;
/* COMMON vs BSS: /programming/16835716/bss-vs-common-what-goes-where */
*(.bss)
*(COMMON)
__bss_end = .;
}
/* /programming/53584666/why-does-gnu-ld-include-a-section-that-does-not-appear-in-the-linker-script */
.sig : AT(ADDR(.text) + 512 - 2)
{
SHORT(0xaa55);
}
/DISCARD/ : {
*(.eh_frame)
}
__stack_bottom = .;
. = . + 0x1000;
__stack_top = .;
}
跑
set -eux
as -ggdb3 --32 -o entry.o entry.S
gcc -c -ggdb3 -m16 -ffreestanding -fno-PIE -nostartfiles -nostdlib -o main.o -std=c99 main.c
ld -m elf_i386 -o main.elf -T linker.ld entry.o main.o
objcopy -O binary main.elf main.img
qemu-system-x86_64 -drive file=main.img,format=raw
C标准库
但是，如果您还想使用C标准库，事情会变得更加有趣，因为我们没有Linux内核，该内核通过POSIX实现了许多C标准库功能。
在没有使用像Linux这样的成熟OS的情况下，可能的几种方法包括：
GNU GRUB多重启动
引导扇区很简单，但是它们并不十分方便：
- 每个磁盘只能有一个操作系统
- 加载代码必须非常小且适合512字节
- 您必须自己做很多启动工作，例如进入保护模式
出于这些原因，GNU GRUB创建了一种更方便的文件格式，称为multiboot。
最小的工作示例：https : //github.com/cirosantilli/x86-bare-metal-examples/tree/d217b180be4220a0b4a453f31275d38e697a99e0/multiboot/hello-world
我还在GitHub示例存储库中使用了它，从而能够轻松地在真实硬件上运行所有示例，而无需烧掉USB一百万次。
QEMU结果：
T430：
如果您将操作系统准备为多重引导文件，则GRUB可以在常规文件系统中找到它。
这是大多数发行版所做的，将OS映像置于下/boot。
基本上，多重引导文件是带有特殊标头的ELF文件。GRUB在以下位置指定了它们：https : //www.gnu.org/software/grub/manual/multiboot/multiboot.html
您可以使用将多引导文件转换为可引导磁盘grub-mkrescue。
固件
实际上，引导扇区并不是在系统CPU上运行的第一个软件。
实际上首先运行的是所谓的固件，它是一种软件：
- 由硬件制造商制造
- 通常是封闭源，但可能基于C
- 存储在只读存储器中，因此未经供应商同意很难/无法修改。
众所周知的固件包括：
- BIOS：老式的x86固件。SeaBIOS是QEMU使用的默认开源实现。
- UEFI：BIOS的后续产品，标准化程度更高，但功能更强大，而且膨胀得令人难以置信。
- Coreboot：高贵的交叉拱门开源尝试
固件执行以下操作：
遍历每个硬盘，USB，网络等，直到找到可启动的设备。
当我们运行QEMU时，它-hda说main.img是连接到硬件的硬盘，并且hda是第一个尝试使用的硬盘。
将前512个字节加载到RAM内存地址0x7c00，将CPU的RIP放在此处，然后运行
在显示屏上显示启动菜单或BIOS打印呼叫之类的内容
固件提供了大多数OS所依赖的类似于OS的功能。例如，已将Python子集移植到可在BIOS / UEFI上运行：https : //www.youtube.com/watch?v=bYQ_lq5dcvM
可以说固件与操作系统是无法区分的，并且固件是唯一可以做到的“真正的”裸机编程。
正如这个CoreOS开发人员所说：
困难的部分
在为PC通电时，构成芯片组的芯片（北桥，南桥和SuperIO）尚未正确初始化。即使将BIOS ROM尽可能远地从CPU移开，CPU也可以访问BIOS ROM，因为必须这样做，否则CPU将没有执行指令。这通常并不意味着BIOS ROM已完全映射。但是只有足够的映射才能使启动过程继续进行。任何其他设备，只需忘记它即可。
在QEMU下运行Coreboot时，可以尝试使用Coreboot的较高层和有效负载，但是QEMU提供的机会很少，无法尝试使用低级启动代码。一方面，RAM从一开始就可以正常工作。
后BIOS初始状态
像硬件中的许多事情一样，标准化很弱，并且您的代码在BIOS之后开始运行时，您不应该依赖的事情之一就是寄存器的初始状态。
因此，请帮自己一个忙，并使用类似以下的初始化代码：https : //stackoverflow.com/a/32509555/895245
喜欢%ds和%es具有重要副作用的寄存器，因此即使您没有明确使用它们，也应将它们归零。
请注意，有些模拟器比真实的硬件更好，并且为您提供了良好的初始状态。然后，当您在真实的硬件上运行时，一切都会中断。
埃尔托里托
可以刻录到CD的格式：https : //en.wikipedia.org/wiki/El_Torito_%28CD-ROM_standard%29
也可以生成在ISO或USB上均可使用的混合图像。这可以用grub-mkrescue（示例）完成，也可以由Linux内核make isoimage使用来完成isohybrid。
臂
在ARM中，总体思路是相同的。
我们没有可用于IO的广泛使用的半标准化预安装固件（例如BIOS）供我们使用，因此我们可以做的两种最简单的IO类型是：
我上传了：
与x86的一些区别包括：
资源资源
