OS自作

別ページ

• フレームバッファ
• メインメモリ
• レジスタ
• PCI
• その他

目次

• 準備

準備

USBをEFI実行可能にする

• ファイルパスは「/EFI/BOOT/BOOTX64.EFI」で固定(BIOSではこの形式が実行ファイルとされている)
• x86-64アーキテクチャでは「リトルエンディアン(下位から上位で記述)」
• UEFIでは文字コードは「UCS-2(2byte,リトルエンディアン,Unicodeの一種)」
• EFIはFAT32,GPTで構成する。
• ディスクパーティション形式:ディスクパーティション情報の記録の仕方

正式名称	最大ディスク容量	パーティション数	ブート方式	EFIブート可否	パーティション情報の場所	コマンド
MBR(Master Boot Record)	約2TBまで	最大4	BIOS専用(レガシー)	できない	先頭512bite	convert mbr
GPT(GUID Partition Table)	理論上9.4ZB	128以上(実質無制限)	UEFI専用	できる	先頭+末尾に冗長コピー	convert gpt

• ファイルシステム形式:ディスクの中にファイルを記録する仕方

FAT12
FAT16
FAT32	UEFIで読み込める
exFT
NTFS
ext4



• diskpartでUSBの構成を作成
list disk 'disk番号の確認 select disk [disk番号] clean convert gpt create partition primary format fs=fat32 quick assign letter=[任意のアルファベット] exit

コマンドなど

使用ツール

• Clang(+LLVM)
• Nasm
• EDKⅡ:IntelがUEFIとその周辺のプログラムを実装するために作り、それが後にオープンソースとして公開されたもの。開発ツール
• QEMU:仮想BIOS環境を提供する

• インストール方法(Ubuntu18.04,20.04で対応確認)
sudo apt update sudo apt install git cd $HOME git clone https://github.com/uchan-nos/mikanos-build.git osbook cd osbook git checkout 8d4882122ec548ef680b6b5a2ae841a0fd4d07a1 cd osbook git checkout 8d4882122ec548ef680b6b5a2ae841a0fd4d07a1
• セットアップが上手く行くと、iaslというコマンドがインストールされて、「$HOME/edk2」というディレクトリが生成される。
#確認コマンド iasl -v ls $HOME/edk2
• WSL上のUbuntuで上記のコマンドを実行すると、「$HOME/.profile」に「DISPLAY」環境変数の設定が追加されることがある。この設定を有効にするにはターミナルを再起動するか、次のコマンドを実行する。
source $HOME/.profile

書籍で利用するOS(MikanOS)ソースコードの入手

git clone https://github.com/uchan-nos/mikanos.git

ブートローダーのビルド

1. ブートローダーのディレクトリをリンクする
cd $HOME/edk2 ln -s /[userのpath]/mikanos/MikanLoaderPkg ./ #以下のファイルを見ることが出来ればリンク成功 ls MikanLoaderPkg/Main.c
2. EDK2のビルドに必要な環境変数の設定、target.txtを生成
source edksetup.sh
3. Conf/target.txtの設定

設定項目	設定値
ACTIVE_PLATFORM	MikanLoaderPkg/MikanLoaderPkg.dsc
TARGET	DEBUG
TARGET_ARCH	X64
TOOL_CHAIN_TAG	CLANG38

4. ブートローダーをビルドする
build #Loader.efiファイルが出力されていれば成功 ls Build/MikanLoaderX64/DEBUG_CLANG38/X64/Loader.efi

MikanOSのビルド

1. ビルドに必要な環境変数を読み込む
source $HOME/osbook/devenv/buildenv.sh
2. ビルドする
cd /[userのpath]/mikanos ./build.sh

QEMU実行

実行のためのshファイルが用意されている

三章のコンパイル方法(Clang++)

clang++ -O2 -Wall -g --target=x86_64-elf -ffreestanding -mno-red-zone -fno-exceptions -fno-rtti -std=c++17 -c main.cpp ld.lld --entry KernelMain -z norelro --image-base 0x100000 --static -o kernel.elf main.o

コンパイラのオプション

-O2	レベル２の最適化を行う
-Wall	警告を沢山出す
-g	デバック情報付きでコンパイルする
--target=x86_64-elf	x86_64向けの機械語を生成する。
ffreestanding	フリースタンディング環境向けにコンパイルする
-mno-red-zone	Red Zone機能を無効にする。
-fno-exceptions	C++の例外機能を使わない。
-fno-rtti	C++の動的型情報を使わない
-std=c++17	C++のバージョンをC++17とする
-c	コンパイルする。リンクはしない

リンカのオプション

--entry KernelMain	KernelMain()をエントリポイントとする。
-z norelro	リロケーション情報を読み込み専用にする機能を使わない。
--image-base 0x100000	出力されたバイナリのベースアドレスを0x100000番地とする。
-o kernel.elf	出力ファイル名をkernel.elfとする。
--static	静的リンクを行う。

C++の動作環境

• ホスト環境(hosted environment):OS上で動くプログラムのための環境
• フリースタンディング環境(freestanding environment):OSがない環境

その他の操作

• カーネルを含むQEMUの実行
//edk2をビルド cd $HOME/edk2 source edksetup.sh //必要そう。。。 build //QEMUの実行 $HOME/osbook/devenv/run_qemu.sh $HOME/edk2/Build/MikanLoaderX64/DEBUG_CLANG38/X64/Loader.efi $HOME/workspace/mikanos/kernel/kernel.elf
• 変更を保存せずgit checkout
git restore .
• 変更を一時的に退避する
git stash git checkout [branch]
• 現在のコミットの確認
git status
• ビルド用の環境変数設定sh＆Cコンパイル
source $HOME/osbook/devenv/buildenv.sh //環境変数の確認 echo $CPPFLAGS //Cコンパイル clang++ $CPPFLAGS -O2 --target=x86_64-elf -fno-exceptions -ffreestanding -c main.cpp ld.lld $LDFLAGS --entry KernelMain -z norelro --image-base 0x100000 --static -o kernel.elf main.o
• USBデバイス
//USBをバインドしアタッチする usbipd lilst //USB一覧 usbipd bind --force --busid [id] // バインド usbipd attach --wsl --busid [id] // アタッチ //USBをデタッチし、バインドを解く usbipd detach --busid [id] usbipd unbind --busid [id]

make

Makeはコンパイルやリンク作業を自動化するツール

• makeでのコンパイル
//ヘッダーの場所が見つからない(fatal error)は以下を実行 source $HOME/osbook/devenv/buildenv.sh cd $HOME/workspace/mikanos/kernel //場所はその都度 make //ファイルが新しい古いを無視してすべてのレシピを再実行する make -B

makeの説明

• Makefileの中身
TARGET = kernel.elf OBJS = main.o CXXFLAGS += -O2 -Wall -g --target=x86_64-elf -ffreestanding -mno-red-zone \ -fno-exceptions -fno-rtti -std=c++17 LDFLAGS += --entry KernelMain -z norelro --image-base 0x100000 --static .PHONY: all all: $(TARGET) .PHONY: clean clean: rm -rf *.o kernel.elf: $(OBJS) Makefile ld.lld $(LDFLAGS) -o kernel.elf $(OBJS) %.o: %.cpp Makefile clang++ $(CPPFLAGS) $(CXXFLAGS) -c $<
• 前半：変数定義

変数名	意味
TARGET	Makefileが作成する最終成果物の名前
OBJS	TARGETを作るのに必要なオブジェクトファイル群
CXXFLAGS	コンパイルオプション
LDFLAGS	リンクオプション

• 後半：ルールの定義
• 「.PHONY宣言」：all(デフォルトのビルドを行う),clean(ビルドの中間ファイルを削除する)のような実際のファイル名ではない(偽物のターゲット:phony target)ルールを宣言すること。
• makeが自動的に定義する変数

変数名	説明
@<	必須項目の先頭一つ
$^	必須項目すべてをスペース区切りで並べたもの
$@	ターゲット(拡張子含む)
$*	パターンルールにおける幹(stem)

リンク

• wsl
• Github開発環境セットアップ

実行可能ファイルの種類

PE,COFF,ELFはいずれも機械語を格納するファイル形式。いずれもx86-64CPUの機械語を拭くことができる。ファイル内部の表現は異なる。

ABI(Application Binary Inerface)

プログラムとCPUの相互作用を機械語レベルで規定する。例えば必要なレジスタやメモリの使いかたがABIによって決まる。コンパイラはABIに従って機械語を生成する。

語彙リスト

EDK2関数一覧