C++-Kernel mit GRUB
Die Programmierung eines Kernels in C++ unterscheidet sich in einigen Punkten von der mit C. Da wären zum Beispiel der Aufruf der Konstruktoren, bzw. der Destruktoren, die vor bzw. nach dem eigentlichen Kernel aufgerufen werden. Unser Kernel wird mittels GRUB geladen.
Inhaltsverzeichnis
Kernel
Wir werden mit GCC und NASM arbeiten. Ich verwende den Crosscompiler_für_WindowsCross-Compiler von Jidder, es sollte aber keinen Unterschied zu einem "normalen" gcc unter Linux geben.
Kernel.cpp
Da wir ja schon mit C++ arbeiten, wäre auch etwas OOP angebracht. Deshalb erstellen wir ein Klasse namens Video, die wir in einen Header stecken. Dadurch ist unsere kernel.cpp sehr übersichtlich: <cpp>
- include "MyOS.h" // Einbinden unseres Header
void main(void){ Video screen; // Screen instanzieren screen.color(0x7000); // Vordergrund Schwarz, Hintergrund Dunkelgrau screen.clear(); // Bildschirm leeren screen.write((char *)"Wilkommen im C++-TestKernel!"); // Textausgabe } </cpp>
MyOS.h
Der Header ist dann doch etwas umfangreicher:
<cpp>
- ifndef MyOS_H
- define MyOS_H
class Video { public: Video(); // Konstruktor ~Video(); // Destruktor void clear(); // Leeren des Bildschirms, die Größe liegt bei 80x25 Zeichen void write(char *cp); // Textausgabe void put(char c); // Ausgabe eines einzelnen Zeichens void color(int color); // Setzen der FG/BG Farben private: unsigned short *videomem; // Zeiger auf den Videospeicher unsigned int off; // Y-Position der Textausgabe, je volle Zeile +80 unsigned int pos; // X-Position der Textausgabe, ab Zeilenanfang unsigned int screen_color; // FB/BG Farbe }; Video::Video(){ screen_color = 0x0700; // Setzen der Farbe auf Dunkelgrau auf Schwarz pos=0; // Setzen der Textausgabe auf off=0; // link soben. videomem = (unsigned short*) 0xb8000; // Startadresse des Videospeichers } Video::~Video(){} void Video::clear(){ for(int i=0;i<(80*25);i++) { videomem[i] = (unsigned char)' ' |screen_color; // Füllen des Bildschirms mit Leerzeichen } pos = 0; // Zurücksetzen der Textausgabe nach links oben off = 0; } void Video::write(char *cp){ char *str = cp, *ch; for(ch = str; *ch; ch++){ put(*ch); // Für jedes einzelne Zeichen wird put() aufgerufen } } void Video::put(char c){ if(pos >= 80){ // Wenn die Textausgabe den rechten... pos = 0; off += 80; } if(off>=(80*25)){ // ...oder den unteren Bildschirmrand erreicht, gibt es einen clear(); // Umbruch bzw. es wird aufgeräumt. } videomem[off + pos] = (unsigned char)c|screen_color; // Setzen des Zeichens und der Farbe in den Videospeicher pos++; } void Video::color(int color){ screen_color = color; }
- endif
</cpp>
cKernel.c
Um den Konstruktor bzw. den Destruktor aufzurufen, werden diese beiden Funktionen später mit in den Kernel gelinkt:
<c> void _cmain() { extern void (*__CTOR_LIST__)(); void (**constructor)() = &__CTOR_LIST__; int total = *(int *) constructor; constructor++; while(total){ (*constructor)(); total--; constructor++; } }
void _catexit() { extern void (*__DTOR_LIST__)(); void (**deconstructor)() = &__DTOR_LIST__; deconstructor++; int total = *(int *) deconstructor; while(total) { (*deconstructor)(); total--; deconstructor++; } } </c>
asmKernel.asm
Auch bei C++ kommen wir nicht um ein wenig Assembler herum:
<asm>
global loader ; Unser Einsprungspunkt extern main ; main() aus Kernel.cpp extern _cmain ; _cmain() aus cKernel.c extern _catexit ; _catexit() aus cKernel.c
FLAGS equ 0 MAGIC equ 0x1BADB002 ; Magicnumber - Erkennungsmerkmal für GRUB CHECKSUM equ -(MAGIC + FLAGS) ; Checksum
section .text align 4 MultiBootHeader:
dd MAGIC ; Magic number dd FLAGS ; Flags dd CHECKSUM ; Checksum
loader:
mov esp,0x200000 ; Stack an die 2MB-Grenze platzieren push eax ; Multiboot Magicnumber auf den Stack legen push ebx ; Adresse der Multiboot-Structure auf den Stack legen call _cmain ; main-Funktion des C++-Kernels aufrufen call main ; cmain-Funktion des C-Kernels aufrufen call _catexit ; atexit-Funktion des C-Kernels aufrufen jmp stop
stop: ; endlos Schleife nach Beendung unseres Kernels
jmp stop
</asm>
Kompilieren und Linken
Die asmKernel.asm:
nasm -f elf -o asmKernel.o asmKernel.asm
Kernel.cpp:
gcc -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -ffreestanding -fno-exceptions -c -Os -o Kernel.o Kernel.cpp
cKernel.cpp:
gcc -Wall -Werror -nostdinc -m32 -ffreestanding -fno-leading-underscore -c -o cKernel.o cKernel.c
Nun zu einer der wichtigsten Stellen: Dem Linkvorgang:
Wir müssen die asmKernel.o, die Kernel.o und die cKernel.o zu einer Kernel.bin linken, die dann von GRUB geladen werden kann.
Unser Linkerscript (link.txt)
ENTRY(loader)
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
OUTPUT_ARCH(i386:i386)
SECTIONS
{
.text 0x0100000 : {
code = .; _code = .; __code = .;
*(.text)
. = ALIGN(1);
}
.data : {
__CTOR_LIST__ = .; LONG((__CTOR_END__ - __CTOR_LIST__) / 4 - 2) *(.ctors) LONG(0) __CTOR_END__ = .;
__DTOR_LIST__ = .; LONG((__DTOR_END__ - __DTOR_LIST__) / 4 - 2) *(.dtors) LONG(0) __DTOR_END__ = .;
data = .; _data = .; __data = .;
*(.data)
. = ALIGN(1);
}
.bss :
{
bss = .; _bss = .; __bss = .;
*(.bss)
. = ALIGN(1);
}
end = .; _end = .; __end = .;
}
Wir teilen dem Linker mit, dass wir die Labels __CTOR_LIST__, __CTOR_END, __DTOR_LIST__ und __DTOR_END__ in der Datei cKernel.c haben und er diese beim Linken berücksichtigen soll. Nur noch ein kurzer Aufruf von LD, und wir haben unseren fertigen Kernel in der Hand (bzw. Maus ;-)):
ld -T link.txt -o kernel.bin asmKernel.o cKernel.o Kernel.o
Und fertig ist unser Kernel! Wie der Kernel nun mitsamt GRUB auf einer Diskette landet kann im Artikel C-Kernel mit GRUB nachgelesen werden, dort verfährt man einfach analog.
Anmerkungen
Es kann unter Umständen nötig sein, __CTOR_LIST__ etc. durch _CTOR_LIST__ zu ersetzen, also das _ weglassen. Ich vermute, dass das von der GCC Version abhängig ist.
