使用 GCC -m16 选项时以实模式从头文件链接目标文件？

Question

我想在我的 c 代码中实现头文件，其中部分包含用于 16 位实模式的 GCC 内联汇编代码，但我似乎有链接问题。这是我的头文件console.h 的样子：

#ifndef CONSOLE_H
#define CONSOLE_H

extern void kprintf(char*);

#endif

这是console.c:

#include "console.h"


void kprintf(char *string)
{
    for(int i=0;string[i]!='\0';i++)
    {
        asm("mov $0x0e,%%ah;"
            "mov $0x00,%%bh;"
            "mov %0,%%al;"
            "int $0x10"::"g"(string[i]):"eax", "ebx");
    }
}

最后一个hellworld.c：

asm("jmp main");
#include "console.h"

void main()
{   
    asm("mov $0x1000,%ax;"
        "mov %ax,%es;"
        "mov %ax,%ds");
    char string[]="hello world";
    kprintf(string);

    asm(".rept 512;"
        "hlt;"
        ".endr");
}

我的引导程序在bootloader.asm:

org 0x7c00
bits    16

section .text
mov ax,0x1000
mov ss,ax
mov sp,0x000
mov esp,0xfffe
xor ax,ax
mov es,ax 
mov ds,ax

mov [bootdrive],dl

mov bh,0
mov bp,zeichen    
mov ah,13h
mov bl,06h
mov al,1
mov cx,6
mov dh,010h
mov dl,01h
int 10h

load:
mov dl,[bootdrive]
xor ah,ah
int 13h
jc load

load2:
mov ax,0x1000
mov es,ax
xor bx,bx

mov ah,2
mov al,1
mov cx,2
xor dh,dh

mov dl,[bootdrive]
int 13h
jc load2

mov ax,0
mov es,ax
mov bh,0
mov bp,zeichen3

mov ah,13h
mov bl,06h
mov al,1
mov cx,13
mov dh,010h
mov dl,01h
int 10h

mov ax,0x1000
mov es,ax
mov ds,ax
jmp 0x1000:0x000

zeichen db  'hello2'
zeichen3 db 'soweit so gut'
bootdrive db 0
times   510 - ($-$$)    hlt
dw  0xaa55

现在我使用下面的 buildscript build.sh:

#!bin/sh

nasm -f bin bootloader.asm -o bootloader.bin
gcc hellworld.c -m16 -c -o hellworld.o -nostdlib -ffreestanding
gcc console.c -m16 -c -o console.o -nostdlib link.ld -ffreestanding
ld  -melf_i386 -Ttext=0x0000 console.o hellworld.o -o hellworld.elf
objcopy -O binary hellworld.elf hellworld.bin
cat bootloader.bin hellworld.bin >disk.img
qemu-system-i386 disk.img

和链接脚本link.ld:

/*
*  link.ld
*/
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
SECTIONS
{
   . = 0x0000;
   .text : { *(.startup); *(.text) }
   .data : { *(.data) }
   .bss  : { *(.bss)  }
}

不幸的是，它无法正常工作，因为它没有打印出预期的hello world。我认为链接命令一定有问题：

ld -melf_i386 -Ttext=0x0000 console.o hellword.o link.ld -o hellworld.elf`

如何正确链接 16 位模式的头文件？

当我直接在hellworld.c 中编写kprintf 函数时，它工作正常。我正在使用Linux Mint Cinnamon Version 18 64 bit 进行开发。

Answer 1

头文件根本不是问题。当您重组代码并将其拆分为多个对象时，它发现了您如何构建以及如何将jmp main 放入最终内核文件中的问题。

我创建了一个set of files，如果您希望测试完整的更改集以查看它们是否能解决您的问题，则可以进行下面讨论的所有调整。

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虽然您显示了链接描述文件，但您实际上并没有使用它。在您的构建文件中，您有：

ld  -melf_i386 -Ttext=0x0000 console.o hellworld.o -o hellworld.elf

应该是：

ld  -melf_i386 -Tlink.ld console.o hellworld.o -o hellworld.elf

将-c（编译但不链接）与GCC 一起使用时，不要将link.ld 指定为链接描述文件。当您调用 LD 时，可以在链接时指定链接描述文件。这一行：

gcc console.c -m16 -c -o console.o -nostdlib link.ld -ffreestanding

应该是：

gcc console.c -m16 -c -o console.o -nostdlib -ffreestanding

为了让此链接描述文件将jmp main 定位在输出内核文件中第一个的位置，您需要更改：

asm("jmp main");

收件人：

asm(".pushsection .startup\r\n"
    "jmp main\r\n"
    ".popsection\r\n");

.pushsection 将部分临时更改为 .startup，输出指令 jmp main，然后将带有 .popsection 的部分恢复为之前的任何内容。链接描述文件故意将任何内容放在.startup 部分中的任何其他内容之前。这确保了jmp main（或您放置在那里的任何其他指令）作为输出内核文件的第一条指令出现。 \r\n 可以替换为 ;（分号）。 \r\n 如果您曾让 GCC 生成程序集文件，则输出会更漂亮。

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正如一个现已删除的问题的 cmets 中所述，您的内核文件超过了单个扇区的大小。当您没有链接描述文件时，默认的会将数据部分放在代码之后。您的代码重复了 hlt 指令，因此您的内核大于 1 个扇区（512 字节），并且您的引导加载程序仅读取带有 Int 13h/AH=2h 的单个扇区。

要纠正这个删除：

asm(".rept 512;"
    "hlt;"
    ".endr");

并将其替换为：

asm("cli;"
    "hlt;");

您应该注意，随着内核的增长，您需要调整在bootloader.asm 中读取的扇区数，以确保所有内核都加载到内存中。

我还建议让 QEMU 和其他虚拟机满意，您只需生成一个众所周知的磁盘映像大小并将引导加载程序和内核放入其中。而不是：

cat bootloader.bin hellworld.bin >disk.img

使用这个：

dd if=/dev/zero of=disk.img bs=1024 count=1440
dd if=bootloader.bin of=disk.img seek=0 conv=notrunc
dd if=hellworld.bin of=disk.img seek=1 conv=notrunc

第一个命令生成一个 1440kb 的零填充文件。这是 1.44MB 软盘的确切大小。第二个命令在第一个扇区中插入bootloader.bin，而不截断磁盘文件。第三条命令将内核文件放入从磁盘第二个扇区开始的磁盘映像中，而不截断磁盘映像。

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我提供了一个稍微改进的linker script。它已被修改以删除链接器可能插入内核中的一些潜在的杂物，这些杂物不会有太大用处，并专门标识了一些部分，如.rodata（只读数据）等。

/*
*  link.ld
*/
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
SECTIONS
{
   . = 0x0000;
   .text : { *(.startup); *(.text) }
   .data : { *(.data); *(.rodata) }
   .bss  : { *(COMMON); *(.bss) }

    /DISCARD/ : {
        *(.eh_frame);
        *(.comment);
        *(.note.gnu.build-id);
    }
}

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其他评论

与您的问题无关，但可以删除此代码：

asm("mov $0x1000,%ax;"
    "mov %ax,%es;"
    "mov %ax,%ds");

您在bootloader.asm 中执行此操作，因此使用相同的值再次设置这些段寄存器不会有任何用处。

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您可以改进extended assembly template，使用input constraints 通过寄存器EAX(AX) 和EBX 传递您需要的值(BX) 而不是在模板内编码移动。您的代码可能看起来像：

void kprintf(const char *string)
{
    while (*string)
    {
        asm("int $0x10"
        :
        :"a"((0x0e<<8) | *string++), /* AH = 0x0e, AL = char to print */
         "b"(0));                    /* BH = 0x00 page #
                                        BL = 0x00 unused in text mode */
    }
}

<< 是 C bit shift left operator。 0x0e<<8 会将 0x0e 向左移动 8 位，即 0x0e00。 | 是按位 OR ，它有效地将要打印的字符放置在低 8 位中。然后该值由程序集模板通过input constraint"a" 传递到EAX 寄存器。

Answer 2

如果不知道您的bootloader.asm 做了什么，很难说，但是：

1. 链接顺序一定是错误的；

   ld -melf_i386 -Ttext=0x0000 console.o hellworld.o -o hellworld.elf

   应该是：

   ld -melf_i386 -Ttext=0x0000 hellworld.o console.o -o hellworld.elf

   （编辑：我看到您有一个链接器脚本可以消除重新排列的需要，但您没有将它用于链接）。

2. 我怀疑您的引导加载程序加载了单个扇区，而您的填充：

   asm(".rept 512;"
       "hlt;"
       ".endr");
   

   ... 防止加载来自其他目标文件的代码，因为它将hellword.o 填充到（超过）一个扇区的大小。

问题与使用头文件无关，这是因为您有两个编译单元成为单独的对象，并且链接时两者的组合大小大于一个扇区（512字节）。