開發(fā)WinixJ的第一步工作我打算模仿Linux。
Linux是先將bootsect、setup、head、system等文件壓縮成一個(gè)IMAGE文件，然后再dd進(jìn)軟盤，之后bootsect開始加載過程。我打算采用這種方法，因?yàn)檫@種方法可以省去將軟盤做成某種格式然后用晦澀的匯編在boot中尋找loader、kernel加載。不過不同的地方也很明顯：Linux0.11處理的system文件是a.out格式的二進(jìn)制文件，這種文件格式非常簡(jiǎn)單，因此相對(duì)容易加載進(jìn)內(nèi)存；但是WinixJ在Linux3.0.0.12下開發(fā)，此時(shí)的GCC已經(jīng)不支持a.out格式的輸出，因此我只能將WinixJ內(nèi)核編譯為ELF格式的二進(jìn)制文件，而ELF格式的文件相對(duì)a.out要復(fù)雜的多，因此我們開發(fā)了proc_kernel.c文件專門處理ELF格式文件，該程序產(chǎn)生kernel.map輸出文件。
先把代碼貼出：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <sys/stat.h>
6
7 typedef unsigned int Elf32_Addr;
8 typedef unsigned short Elf32_Half;
9 typedef unsigned int Elf32_Off;
10 typedef unsigned int Elf32_Sword;
11 typedef unsigned int Elf32_Word;
12
13 #define EI_NIDENT 16
14 #define MAX_BUF_LEN 1024
15
16 //ELF文件的ELF header結(jié)構(gòu)
17 typedef struct
18 {
19 unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; //ELF魔數(shù)
20 Elf32_Half e_type; //文件類型
21 Elf32_Half e_machine; //支持的機(jī)器架構(gòu)
22 Elf32_Word e_version; //版本號(hào)
23 Elf32_Addr e_entry; //程序的入口地址，在編譯內(nèi)核的時(shí)候可由ld程序手工指定
24 Elf32_Off e_phoff; //program header在文件中的偏移量
25 Elf32_Off e_shoff; //section header在文件中的偏移量
26 Elf32_Word e_flags; //標(biāo)志
27 Elf32_Half e_ehsize; //ELF頭的大小
28 Elf32_Half e_phentsize; //每個(gè)program header entry的大小
29 Elf32_Half e_phnum; //program header entry的數(shù)量
30 Elf32_Half e_shentsize; //每個(gè)section header entry的大小
31 Elf32_Half e_shnum; //section header entry的數(shù)量
32 Elf32_Half e_shstrndx;
33 } Elf32_Ehdr;
34 #define ELFHDR_LEN sizeof(Elf32_Ehdr)
35
36 //ELF文件的program header結(jié)構(gòu)
37 typedef struct
38 {
39 Elf32_Word p_type; //該頭所指向的program segment的類型
40 Elf32_Off p_offset; //該頭所指向的program segment在文件中的偏移
41 Elf32_Addr p_vaddr; //該頭所指向的program segment加載進(jìn)內(nèi)存后的虛擬地址
42 Elf32_Addr p_paddr; //該頭所指向的program segment加載進(jìn)內(nèi)存后的物理地址
43 Elf32_Word p_filesz; //該頭所指向的program segment在文件中的大小
44 Elf32_Word p_memsz; //該頭所指向的program segment在內(nèi)存中的大小
45 Elf32_Word p_flags;
46 Elf32_Word p_align;
47 }Elf32_Phdr;
48 #define PHDR_LEN sizeof(Elf32_Phdr)
49
50 //輸出到kernel.map文件中的時(shí)候，對(duì)每一個(gè)program segment，
51 //都有一個(gè)Seghdr開頭，表征該段的信息，包括段的大小，以及段
52 //的起始虛擬地址
53 typedef struct
54 {
55 int memsz;
56 int vaddr;
57 }Seghdr;
58 #define SEGHDR_LEN sizeof(Seghdr)
59
60 #define FILE_NAME_LEN 50
61 //緩沖區(qū)
62 unsigned char buffer[MAX_BUF_LEN];
63 char infilename[FILE_NAME_LEN];
64 char outfilename[FILE_NAME_LEN];
65 FILE *ifp, *ofp;
66
67 static void usage()
68 {
69 fprintf(stderr, "Usage: proc_kernel [-r ../boot/boot] [-w ../Image]\n");
70 }
71
72 void die()
73 {
74 fclose(ifp);
75 fclose(ofp);
76 exit(1);
77 }
78
79 static void init()
80 {
81 strcpy(infilename, "../kernel/kernel"); //默認(rèn)輸入文件為在頂層目錄的kernel子目錄中的內(nèi)核文件
82 strcpy(outfilename, "../kernel/kernel.map"); //默認(rèn)輸出到頂層目錄的kernel子目錄中，文件名為kernel.map
83 }
84
85 static void proc_opt(int argc, char * const *argv)
86 {
87 int ch;
88 opterr = 0; //不顯示錯(cuò)誤信息
89
90 while ((ch = getopt(argc, argv, "r:w:h")) != -1)
91 {
92 switch (ch)
93 {
94 case 'r': //指定kernel文件名
95 strcpy(infilename, optarg);
96 break;
97 case 'w': //指定輸出的系統(tǒng)映像文件名
98 strcpy(outfilename, optarg);
99 break;
100 case 'h':
101 usage();
102 exit(1);
103 }
104 }
105 }
106
107 static void open_file()
108 {
109 //如果輸入的內(nèi)核文件不存在
110 if (0 != access(infilename, F_OK))
111 {
112 fprintf(stderr, "\"%s\": No such file.\n", infilename);
113 exit(1);
114 }
115
116 //如果輸出的內(nèi)核映像文件已經(jīng)存在，報(bào)warning
117 if (0 == access(outfilename, F_OK))
118 {
119 fprintf(stderr, "Warning: The file \"%s\" exists.\n", outfilename);
120 fprintf(stderr, "But we will go on 
\n");
121 }
122
123 ifp = fopen(infilename, "r+");
124 //如果不能打開輸入文件
125 if (NULL == infilename)
126 {
127 fprintf(stderr, "cannot open the file \"%s\".\n", infilename);
128 exit(1);
129 }
130
131 ofp = fopen(outfilename, "w+");
132 //如果不能創(chuàng)建kernel.map文件
133 if (NULL == ofp)
134 {
135 fprintf(stderr, "cannot create the file \"%s\".\n", outfilename);
136 exit(1);
137 }
138 }
139
140 int main(int argc, char *const *argv)
141 {
142 int pht_offset, n, i;
143 Elf32_Ehdr elf_header;//保存elf文件頭
144 Elf32_Phdr p_header_buf;
145 Seghdr seg_header_buf;
146 unsigned short loadable_seg_num = 0;
147
148 init();
149 proc_opt(argc, argv);
150 open_file();
151
152 //讀出ELF文件頭
153 n = fread((void *)&elf_header, ELFHDR_LEN, 1, ifp);
154
155 if (n < 1)
156 {
157 fprintf(stderr, "cannot read the \"%s\" file's ELF header!\n", infilename);
158 die();
159 }
160
161 //輸出文件的文件頭格式為
162 //0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11(以字節(jié)為單位)
163 //k e r n e l |入口地址| |段數(shù)|
164 n = fwrite("kernel", 6, 1, ofp);
165
166 if (n < 1)
167 {
168 fprintf(stderr, "cannot write into \"%s\".\n", outfilename);
169 die();
170 }
171
172 //entry address
173 n = fwrite((void *)(&(elf_header.e_entry)), 4, 1, ofp);
174
175 if (n < 1)
176 {
177 fprintf(stderr, "cannot write into \"%s\".\n", outfilename);
178 die();
179 }
180
181 fprintf(stdout, "entry address: %x\n", elf_header.e_entry);
182 //the number of segments
183 n = fwrite(" ", 2, 1, ofp);
184
185 if (n < 1)
186 {
187 fprintf(stderr, "cannot write into \"%s\".\n", outfilename);
188 die();
189 }
190
191 //判斷輸入文件是否是ELF格式文件
192 //ELF格式的文件頭部的前四字節(jié)是“.ELF”的ascii碼
193 if (((int *)(elf_header.e_ident))[0]!= 0x464c457f)
194 {
195 fprintf(stderr, "\"%s\" is not an ELF file!\n", infilename);
196 die();
197 }
198
199 //判斷文件是否是可執(zhí)行文件
200 if (elf_header.e_type != 2)
201 {
202 fprintf(stderr, "\"%s\" is not an excutable file!\n", infilename);
203 die();
204 }
205
206 //該ELF支持的機(jī)器架構(gòu)是否是80386類型
207 if (elf_header.e_machine != 3)
208 {
209 fprintf(stderr, "\"%s\" is not for I386!\n", infilename);
210 die();
211 }
212
213 //輸出內(nèi)核文件包含的程序段信息
214 fprintf(stdout, "\"%s\"含有的程序段的段數(shù): %d\n", infilename, elf_header.e_phnum);
215
216 for (i = 0; i < elf_header.e_phnum; ++i)
217 {
218 if (PHDR_LEN != elf_header.e_phentsize)
219 {
220 fprintf(stderr, "program header entry is confused!\n");
221 die();
222 }
223
224 fseek(ifp, elf_header.e_phoff + i * elf_header.e_phentsize, SEEK_SET);
225 n = fread(&p_header_buf, elf_header.e_phentsize, 1, ifp);
226
227 if (n < 1)
228 {
229 fprintf(stderr, "cannot read the program header entry!\n");
230 die();
231 }
232
233 fprintf(stdout, "第%d個(gè)段的段頭內(nèi)容:\n", i + 1);
234 fprintf(stdout, "\tp_type: 0x%x\n", p_header_buf.p_type);
235 fprintf(stdout, "\tp_offset: 0x%x\n", p_header_buf.p_offset);
236 fprintf(stdout, "\tp_vaddr: 0x%x\n", p_header_buf.p_vaddr);
237 fprintf(stdout, "\tp_paddr: 0x%x\n", p_header_buf.p_paddr);
238 fprintf(stdout, "\tp_filesz: 0x%x\n", p_header_buf.p_filesz);
239 fprintf(stdout, "\tp_memsz: 0x%x\n", p_header_buf.p_memsz);
240 fprintf(stdout, "\tp_flags: 0x%x\n", p_header_buf.p_flags);
241 fprintf(stdout, "\tp_align: 0x%x\n", p_header_buf.p_align);
242
243 if (1 != p_header_buf.p_type)//is not PT_LOAD
244 {
245 fprintf(stderr, "this segment is not loadable\n");
246 continue;
247 }
248
249 loadable_seg_num++;
250 //對(duì)每個(gè)程序段都在頭部加上描述該程序段的信息頭
251 //包含程序段的長(zhǎng)度以及程序段加載到內(nèi)存時(shí)的虛擬地址
252 seg_header_buf.memsz = p_header_buf.p_filesz;
253 seg_header_buf.vaddr = p_header_buf.p_vaddr;
254
255 n = fwrite((void *)&seg_header_buf, SEGHDR_LEN, 1, ofp);
256 if (1 != n)
257 {
258 fprintf(stderr, "cannot write the segment length into \"%s\".\n", outfilename);
259 die();
260 }
261
262 //將段內(nèi)容寫進(jìn)輸出文件中
263 fseek(ifp, p_header_buf.p_offset, SEEK_SET);
264
265 while (p_header_buf.p_filesz > MAX_BUF_LEN)
266 {
267 n = fread(buffer, 1, MAX_BUF_LEN, ifp);
268
269 if (MAX_BUF_LEN != n)
270 {
271 fprintf(stderr, "cannot read the segment from \"%s\".\n", infilename);
272 die();
273 }
274
275 p_header_buf.p_filesz -= MAX_BUF_LEN;
276 n = fwrite(buffer, MAX_BUF_LEN, 1, ofp);
277
278 if (1 != n)
279 {
280 fprintf(stderr, "cannot write the segment into \"%s\".\n", outfilename);
281 die();
282 }
283 }
284
285 if (p_header_buf.p_filesz > 0)
286 {
287 n = fread(buffer, p_header_buf.p_filesz, 1, ifp);
288
289 if (1 != n)
290 {
291 fprintf(stderr, "cannot read the segment from \"%s\".\n", infilename);
292 die();
293 }
294
295 n = fwrite(buffer, p_header_buf.p_filesz, 1, ofp);
296
297 if (1 != n)
298 {
299 fprintf(stderr, "cannot write the segment into \"%s\".\n", outfilename);
300 die();
301 }
302 }
303 }
304
305 //將輸入文件中可加載段的段數(shù)寫進(jìn)輸出文件頭中
306 fseek(ofp, 10, SEEK_SET);
307 n = fwrite((void *)&loadable_seg_num, 2, 1, ofp);
308
309 if (1 != n)
310 {
311 fprintf(stderr, "cannot write the entry address into the \"kernel.map\" file!\n");
312 die();
313 }
314
315 fclose(ifp);
316 fclose(ofp);
317 return 0;
318 } 先看看ELF格式文件的組織形式吧：
整個(gè)ELF文件中固定的部分只有ELF頭，它表征整個(gè)ELF文件的組織形式。其他的包括程序頭和節(jié)頭都不是固定的，甚至可以不包括。程序頭和節(jié)頭分別是從文件執(zhí)行角度和文件鏈接角度來看的。因?yàn)槲覀冎魂P(guān)心如何將ELF加載進(jìn)內(nèi)存，因此我們只關(guān)心程序頭。每個(gè)程序頭包括表征一個(gè)程序是否可執(zhí)行以及在文件中的位置和加載到內(nèi)存中時(shí)的起始虛擬地址等信息。我們需要的就是這個(gè)信息。
再看看我們想生成的map文件的組織格式：
可見文件格式還是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，因?yàn)槲覀兊哪康木褪亲宭order可以非常輕松的將文件加載進(jìn)內(nèi)存指定位置。
紅色區(qū)域?yàn)轭^部，指定Magic Number：“kernel”，占6字節(jié)，之后是內(nèi)核的入口地址，再然后是可加載程序段的段數(shù)。
之后每個(gè)可加載程序段都有一個(gè)段頭，該段頭指定段的大小和段在內(nèi)存中的起始虛擬地址。
我們的程序核心目的就是將原始的ELF格式內(nèi)核文件轉(zhuǎn)變成我們定義的簡(jiǎn)單的map文件，以供loader加載。
posted on 2011-11-20 14:35
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