開發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IMAGE文件，然后再dd進軟盤，之后bootsect開始加載過程。我打算采用這種方法，因為這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格式的二進制文件，這種文件格式非常簡單，因此相對容易加載進內存；但是WinixJ在Linux3.0.0.12下開發，此時的GCC已經不支持a.out格式的輸出，因此我只能將WinixJ內核編譯為ELF格式的二進制文件，而ELF格式的文件相對a.out要復雜的多，因此我們開發了proc_kernel.c文件專門處理ELF格式文件，該程序產生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結構
17 typedef struct
18 {
19 unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; //ELF魔數
20 Elf32_Half e_type; //文件類型
21 Elf32_Half e_machine; //支持的機器架構
22 Elf32_Word e_version; //版本號
23 Elf32_Addr e_entry; //程序的入口地址，在編譯內核的時候可由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; //標志
27 Elf32_Half e_ehsize; //ELF頭的大小
28 Elf32_Half e_phentsize; //每個program header entry的大小
29 Elf32_Half e_phnum; //program header entry的數量
30 Elf32_Half e_shentsize; //每個section header entry的大小
31 Elf32_Half e_shnum; //section header entry的數量
32 Elf32_Half e_shstrndx;
33 } Elf32_Ehdr;
34 #define ELFHDR_LEN sizeof(Elf32_Ehdr)
35
36 //ELF文件的program header結構
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加載進內存后的虛擬地址
42 Elf32_Addr p_paddr; //該頭所指向的program segment加載進內存后的物理地址
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文件中的時候，對每一個program segment，
51 //都有一個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
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"); //默認輸入文件為在頂層目錄的kernel子目錄中的內核文件
82 strcpy(outfilename, "../kernel/kernel.map"); //默認輸出到頂層目錄的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 //如果輸出的內核映像文件已經存在，報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(以字節為單位)
163 //k e r n e l |入口地址| |段數|
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支持的機器架構是否是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 //輸出內核文件包含的程序段信息
214 fprintf(stdout, "\"%s\"含有的程序段的段數: %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個段的段頭內容:\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 //對每個程序段都在頭部加上描述該程序段的信息頭
251 //包含程序段的長度以及程序段加載到內存時的虛擬地址
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 //將段內容寫進輸出文件中
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寫進輸出文件頭中
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ELF文件中固定的部分只有ELF頭，它表征整個ELF文件的組織形式。其他的包括程序頭和節頭都不是固定的，甚至可以不包括。程序頭和節頭分別是從文件執行角度和文件鏈接角度來看的。因為我們只關心如何將ELF加載進內存，因此我們只關心程序頭。每個程序頭包括表征一個程序是否可執行以及在文件中的位置和加載到內存中時的起始虛擬地址等信息。我們需要的就是這個信息。
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簡單的，因為我們的目的就是讓lorder可以非常輕松的將文件加載進內存指定位置。
紅色區域為頭部，指定Magic Number：“kernel”，占6字節，之后是內核的入口地址，再然后是可加載程序段的段數。
之后每個可加載程序段都有一個段頭，該段頭指定段的大小和段在內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格式內核文件轉變成我們定義的簡單的map文件，以供loader加載。
posted on 2011-11-20 14:35
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