SilentMing's Gensokyo

许多学习OS的小伙伴最终也只是停留在买一本翻了一半的《操作系统原理》、一个下下来没看几眼的Linux源码，和一个甚至都没怎么跑起来过的Qemu。

关于OS最有名的课程就是MIT的6.828 Operating System Engineering课程，课程讲解xv6，并附有一个难度颇高的JOS操作系统实验。即使是一个专业的计算机学生、全程跟着上这门课在做这门Lab的时候也会遇到遇到非常多的困难和阻力，操作系统本身的高难度门槛、不便的调试环境、和狭窄的就业方向使得有兴趣的小伙伴也往往绊倒在学习的路上。

本系列博客旨在从0构建一个用于我演示各种Demo的小小小OS: Alice OS; 由于x86硬件的复杂性，为了简化，我会从arm，使用Qemu去构建Alice OS。

希望能对OS的一些概念进行一些解释，辅助小伙伴们的学习，也是对自己在ARM的近两年开发进行一些点滴总结。若有本人理解不对的地方，欢迎指摘。

Environment

首先安装我们所需的工具链和qemu:

Linux:

sudo apt install binutils-arm-none-eabi
sudo apt install gcc-arm-none-eabi
sudo apt install qemu

MacOS:

brew tap PX4/homebrew-px4
brew install gcc-arm-none-eabi
brew install qemu

安装完后，就可以查看一下有没有:

alice@MacAlice : ~/Codes/temp
[0] % arm-none-eabi-gcc --version
arm-none-eabi-gcc (GNU Tools for Arm Embedded Processors 7-2018-q2-update) 7.3.1 20180622 (release) [ARM/embedded-7-branch revision 261907]
Copyright (C) 2017 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.


alice@MacAlice : ~/Codes/temp
[0] % qemu-system-arm --version
QEMU emulator version 4.2.0
Copyright (c) 2003-2019 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

Manuals

刚开始构建的时候，与其说是OS，不如说更像是一个bare-metal的app, 所以可以参考一下ARM上 Bare-metal的写法:

Bare-metal programming for ARM
https://github.com/umanovskis/baremetal-arm/
一个模仿JOS的ARM上的OS: Arunos

JOS和MIT 6.828课程相关的链接:

6.828 Operating System Engineering
SJTU的ICS课程Introduction to Computer Systems

后续开发需要用的一些手册:

由于我们默认使用的Cortex-A9的核是ARMv7的，所以需要相关手册; QEMU模拟的Vexpress板子的文档直接看qemu的代码就行, 在编写过程中会用到一些ARM汇编，所以备一本汇编手册。

Start

那么首先我们先搞个工程出来吧:

Alice-OS: First Commit

这个是最开始的小工程，下一篇我们看一下Makefile和link script, 这次先说一下我们调试的方式:

进到git clone下来的代码仓，切到9d021c0这个commit之后执行 make qemu-telnet

alice@MacAlice ‹ 9d021c0 › : ~/Codes/alice-os
[0] % make qemu-telnet
arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-a9 -g   -c -o kernel/startup.o kernel/startup.S
arm-none-eabi-ld -T alice.ld  kernel/startup.o -o alice.elf
arm-none-eabi-objcopy -O binary alice.elf alice.bin
arm-none-eabi-objdump -D alice.elf > alice.dump.asm
qemu-system-arm -M vexpress-a9 -cpu cortex-a9 -m 512M -nographic -monitor telnet:127.0.0.1:1234,server,nowait -kernel alice.bin

再开个shell, 通过telnet 连上去，并使用info registers 查看寄存器信息:

alice@MacAlice ‹ 9d021c0 › : ~/Codes/alice-os
[0] % telnet localhost 1234
Trying 127.0.0.1...
Connected to localhost.
Escape character is '^]'.
QEMU 4.2.0 monitor - type 'help' for more information
(qemu) info registers
R00=00000233 R01=000008e0 R02=60000100 R03=00000000
R04=00000000 R05=00000000 R06=00000000 R07=00000000
R08=00000000 R09=00000000 R10=00000000 R11=00000000
R12=00000000 R13=00000000 R14=60010008 R15=0eb25134
...

可以看到 R0里面是 0x233, 这个是一开始写进去的值，至此我们非常简易的Alice OS启动啦！开始我推荐的调试方式就是让代码hang住，并通过qemu的monitor进行查看, 等到后面我们会改成用GDB的方式来调。