Я прочитал массу руководств по разработке ОС на x86, и до сих пор все шло хорошо - до сих пор. Я не могу понять, какое решение есть для меня.
Моя цель - написать самый простой драйвер клавиатуры для x86. Все работает хорошо с QEMU, но не с GRUB.
Я сделал все возможное, чтобы эмулировать mkeykernel на основе статьи Арджуна Сридхарана . К сожалению, эта проблема существует и для mkeykernel .
При запуске моего скомпилированного ядра с использованием qemu-system-i386 -kernel kernel.bin все работает, как ожидалось: я печатаю, и буквы отображаются на экране.
Однако, когда я создаю и запускаю ISO-образ GRUB с использованием grub-mkrescue, система перезагружается всякий раз, когда я нажимаю клавишу.
При работе с qemu-system-i386 -cdrom build/myos.iso -d int --no-reboot я смог обнаружить, что исключение ЦП - 0xd Ошибка общей защиты. Сначала я подумал, что это потому, что GDT был установлен GRUB неожиданным образом. Но, как вы увидите ниже, я добавил свой собственный GDT, и это не устранило проблему.
Я также нашел близкое совпадение в StackOverflow здесь . Я последовал практически всем советам из этой статьи, особенно по поводу упаковки структур, но безрезультатно.
Это первый раз, когда я настолько озадачен, что написал StackOverflow вопрос :) Надеюсь, кто-то сможет увидеть здесь проблему!
Я включил исходный код всех соответствующих файлов и инструкции по их созданию / воссозданию проблемы ниже.
Первый файл: kernel.asm
bits 32
section .multiboot
dd 0x1BADB002 ; Magic number
dd 0x0 ; Flags
dd - (0x1BADB002 + 0x0) ; Checksum
section .text
%include "gdt.asm"
; Make global anything that is used in main.c
global start
global print_char_with_asm
global load_gdt
global load_idt
global keyboard_handler
global ioport_in
global ioport_out
global enable_interrupts
extern main ; Defined in kernel.c
extern handle_keyboard_interrupt
load_gdt:
lgdt [gdt_descriptor] ; from gdt.asm
ret
load_idt:
mov edx, [esp + 4]
lidt [edx]
ret
enable_interrupts:
sti
ret
keyboard_handler:
pushad
cld
call handle_keyboard_interrupt
popad
iretd
ioport_in:
mov edx, [esp + 4]
in al, dx
ret
ioport_out:
mov edx, [esp + 4]
mov eax, [esp + 8]
out dx, al
ret
print_char_with_asm:
; OFFSET = (ROW * 80) + COL
mov eax, [esp + 8] ; eax = row
mov edx, 80 ; 80 (number of cols per row)
mul edx ; now eax = row * 80
add eax, [esp + 12] ; now eax = row * 80 + col
mov edx, 2 ; * 2 because 2 bytes per char on screen
mul edx
mov edx, 0xb8000 ; vid mem start in edx
add edx, eax ; Add our calculated offset
mov eax, [esp + 4] ; char c
mov [edx], al
ret
start:
cli ; Disable interrupts
mov esp, stack_space
call main
hlt
section .bss
resb 8192 ; 8KB for stack
stack_space:
Второй файл: kernel.c
// ----- Pre-processor constants -----
#define ROWS 25
#define COLS 80
// IDT_SIZE: Specific to x86 architecture
#define IDT_SIZE 256
// KERNEL_CODE_SEGMENT_OFFSET: the first segment after the null segment in gdt.asm
#define KERNEL_CODE_SEGMENT_OFFSET 0x8
// 32-bit Interrupt gate: 0x8E
// ( P=1, DPL=00b, S=0, type=1110b => type_attr=1000_1110b=0x8E) (thanks osdev.org)
#define IDT_INTERRUPT_GATE_32BIT 0x8e
// IO Ports for PICs
#define PIC1_COMMAND_PORT 0x20
#define PIC1_DATA_PORT 0x21
#define PIC2_COMMAND_PORT 0xA0
#define PIC2_DATA_PORT 0xA1
// IO Ports for Keyboard
#define KEYBOARD_DATA_PORT 0x60
#define KEYBOARD_STATUS_PORT 0x64
// ----- Includes -----
#include "keyboard_map.h"
// ----- External functions -----
extern void print_char_with_asm(char c, int row, int col);
extern void load_gdt();
extern void keyboard_handler();
extern char ioport_in(unsigned short port);
extern void ioport_out(unsigned short port, unsigned char data);
extern void load_idt(unsigned int* idt_address);
extern void enable_interrupts();
// ----- Structs -----
struct IDT_pointer {
unsigned short limit;
unsigned int base;
} __attribute__((packed));
struct IDT_entry {
unsigned short offset_lowerbits; // 16 bits
unsigned short selector; // 16 bits
unsigned char zero; // 8 bits
unsigned char type_attr; // 8 bits
unsigned short offset_upperbits; // 16 bits
} __attribute__((packed));
// ----- Global variables -----
struct IDT_entry IDT[IDT_SIZE]; // This is our entire IDT. Room for 256 interrupts
int cursor_pos = 0;
void init_idt() {
// Get the address of the keyboard_handler code in kernel.asm as a number
unsigned int offset = (unsigned int)keyboard_handler;
// Populate the first entry of the IDT
// TODO why 0x21 and not 0x0?
// My guess: 0x0 to 0x2 are reserved for CPU, so we use the first avail
IDT[0x21].offset_lowerbits = offset & 0x0000FFFF; // lower 16 bits
IDT[0x21].selector = KERNEL_CODE_SEGMENT_OFFSET;
IDT[0x21].zero = 0;
IDT[0x21].type_attr = IDT_INTERRUPT_GATE_32BIT;
IDT[0x21].offset_upperbits = (offset & 0xFFFF0000) >> 16;
// Program the PICs - Programmable Interrupt Controllers
ioport_out(PIC1_COMMAND_PORT, 0x11);
ioport_out(PIC2_COMMAND_PORT, 0x11);
// ICW2: Vector Offset (this is what we are fixing)
ioport_out(PIC1_DATA_PORT, 0x20);
ioport_out(PIC2_DATA_PORT, 0x28);
// ICW3: Cascading (how master/slave PICs are wired/daisy chained)
ioport_out(PIC1_DATA_PORT, 0x0);
ioport_out(PIC2_DATA_PORT, 0x0);
// ICW4: "Gives additional information about the environemnt"
ioport_out(PIC1_DATA_PORT, 0x1);
ioport_out(PIC2_DATA_PORT, 0x1);
// Voila! PICs are initialized
// Mask all interrupts
ioport_out(PIC1_DATA_PORT, 0xff);
ioport_out(PIC2_DATA_PORT, 0xff);
struct IDT_pointer idt_ptr;
idt_ptr.limit = (sizeof(struct IDT_entry) * IDT_SIZE) - 1;
idt_ptr.base = (unsigned int) &IDT;
// Now load this IDT
load_idt(&idt_ptr);
}
void kb_init() {
// 0xFD = 1111 1101 in binary. enables only IRQ1
ioport_out(PIC1_DATA_PORT, 0xFD);
}
void handle_keyboard_interrupt() {
// Write end of interrupt (EOI)
ioport_out(PIC1_COMMAND_PORT, 0x20);
unsigned char status = ioport_in(KEYBOARD_STATUS_PORT);
// Lowest bit of status will be set if buffer not empty
// (thanks mkeykernel)
if (status & 0x1) {
char keycode = ioport_in(KEYBOARD_DATA_PORT);
if (keycode < 0 || keycode >= 128) return;
print_char_with_asm(keyboard_map[keycode],0,cursor_pos);
cursor_pos++;
}
}
void clear_screen() {
int i, j;
for (i = 0; i < COLS; i++) {
for (j = 0; j < ROWS; j++) {
print_char_with_asm(' ',j,i);
}
}
}
// ----- Entry point -----
void main() {
clear_screen();
load_gdt();
init_idt();
kb_init();
enable_interrupts();
while(1);
}
Третий файл : gdt.asm (в значительной степени основано на этом удобном руководстве )
; GDT - Global Descriptor Table
gdt_start:
gdt_null: ; Entry 1: Null entry must be included first (error check)
dd 0x0 ; double word = 4 bytes = 32 bits
dd 0x0
gdt_code: ; Entry 2: Code segment descriptor
; Structure:
; Segment Base Address (base) = 0x0
; Segment Limit (limit) = 0xfffff
dw 0xffff ; Limit bits 0-15
dw 0x0000 ; Base bits 0-15
db 0x00 ; Base bits 16-23
; Flag Set 1:
; Segment Present: 0b1
; Descriptor Privilege level: 0x00 (ring 0)
; Descriptor Type: 0b1 (code/data)
; Flag Set 2: Type Field
; Code: 0b1 (this is a code segment)
; Conforming: 0b0 (Code w/ lower privilege may not call this)
; Readable: 0b1 (Readable or execute only? Readable means we can read code constants)
; Accessed: 0b0 (Used for debugging and virtual memory. CPU sets bit when accessing segment)
db 10011010b ; Flag set 1 and 2
; Flag Set 3
; Granularity: 0b1 (Set to 1 multiplies limit by 4K. Shift 0xfffff 3 bytes left, allowing to span full 32G of memory)
; 32-bit default: 0b1
; 64-bit segment: 0b0
; AVL: 0b0
db 11001111b ; Flag set 3 and limit bits 16-19
db 0x00 ; Base bits 24-31
gdt_data:
; Same except for code flag:
; Code: 0b0
dw 0xfffff ; Limit bits 0-15
dw 0x0000 ; Base bits 0-15
db 0x00 ; Base bits 16-23
db 10010010b ; Flag set 1 and 2
db 11001111b ; 2nd flags and limit bits 16-19
db 0x00 ; Base bits 24-31
gdt_end: ; Needed to calculate GDT size for inclusion in GDT descriptor
; GDT Descriptor
gdt_descriptor:
dw gdt_end - gdt_start - 1 ; Size of GDT, always less one
dd gdt_start
; Define constants
CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start
DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start
; In protected mode, set DS = INDEX to select GDT entries
; Then CPU knows to use segment at that offset
; Example: (0x0: NULL segment; 0x8: CODE segment; 0x10: DATA segment)
Четвертый файл: grub.cfg
menuentry "myos" {
multiboot /boot/grub/kernel.bin
}
Пятый файл: linker.ld
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(start)
SECTIONS
{
. = 1M;
.text BLOCK(4K) : ALIGN(4K)
{
*(.multiboot)
*(.text)
}
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) }
}
Упс, пропустил файл - вот keyboard_map.h:
unsigned char keyboard_map[128] = {
// -------- 0 to 9 --------
' ',
' ', // escape key
'1','2','3','4','5','6','7','8',
// -------- 10 to 19 --------
'9','0','-','=',
' ', // Backspace
' ', // Tab
'q','w','e','r',
// -------- 20 to 29 --------
't','y','u','i','o','p','[',']',
' ', // Enter
' ', // left Ctrl
// -------- 30 to 39 --------
'a','s','d','f','g','h','j','k','l',';',
// -------- 40 to 49 --------
' ','`',
' ', // left Shift
' ','z','x','c','v','b','n',
// -------- 50 to 59 --------
'm',',','.',
'/', // slash, or numpad slash if preceded by keycode 224
' ', // right Shift
'*', // numpad asterisk
' ', // left Alt
' ', // Spacebar
' ',
' ', // F1
// -------- 60 to 69 --------
' ', // F2
' ', // F3
' ', // F4
' ', // F5
' ', // F6
' ', // F7
' ', // F8
' ', // F9
' ', // F10
' ',
// -------- 70 to 79 --------
' ', // scroll lock
'7', // numpad 7, HOME key if preceded by keycode 224
'8', // numpad 8, up arrow if preceded by keycode 224
'9', // numpad 9, PAGE UP key if preceded by keycode 224
'-', // numpad hyphen
'4', // numpad 4, left arrow if preceded by keycode 224
'5', // numpad 5
'6', // numpad 6, right arrow if preceded by keycode 224
' ',
'1', // numpad 1, END key if preceded by keycode 224
// -------- 80 to 89 --------
'2', // numpad 2, down arrow if preceded by keycode 224
'3', // numpad 3, PAGE DOWN key if preceded by keycode 224
'0', // numpad 0, INSERT key if preceded by keycode 224
'.', // numpad dot, DELETE key if preceded by keycode 224
' ',' ',' ',' ',' ',' ',
// -------- 90 to 99 --------
' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',
// -------- 100 to 109 --------
' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',
// -------- 110 to 119 --------
' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',
// -------- 120-127 --------
' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',' ',
};
// Right control, right alt seem to send
// keycode 224, then the left control/alt keycode
// Arrow keys also send two interrupts, one 224 and then their actual code
// Same for numpad enter
// 197: Num Lock
// 157: Pause|Break (followed by 197?)
// Clicking on screen appears to send keycodes 70, 198
// Is this the MARK command or something like that?
Вставьте все вышеперечисленные файлы в каталог на Linux. Затем ...
Чтобы скомпилировать ядро:
mkdir build
nasm -f elf32 kernel.asm -o build/boot.o
gcc -m32 -ffreestanding -c kernel.c -o build/kernel.o
ld -m elf_i386 -T linker.ld -o build/kernel.bin build/boot.o build/kernel.o
Чтобы запустить ядро с QEMU (ДОЛЖЕН РАБОТАТЬ ОТЛИЧНО):
qemu-system-i386 -kernel build/kernel-bin
Чтобы запустить ядро с GRUB (не работает):
mkdir -p build/iso/boot/grub
cp grub.cfg build/iso/boot/grub
cp build/kernel.bin build/iso/boot/grub
grub-mkrescue -o build/myos.iso build/iso
qemu-system-i386 -cdrom build/myos.iso
Кто-нибудь сталкивался с этой проблемой раньше? Есть ли еще один ресурс, который вы бы порекомендовали, чтобы получить клавиатуру новичку на x86? Я действительно хочу, наконец, получить ввод пользователя в защищенном режиме с помощью моей маленькой мини-ОС!
Есть ли другой загрузчик, кроме GRUB, который мне следует использовать?
TL; DR: простая клавиатура драйвер работает с опцией QEMU -kernel, но не работает, когда ISO создается с использованием grub-mkrescue.