Lab 004 · 加载第一个内核

这个 lab 配套 004 · 加载第一个内核,是 boot 卷的收尾。目标:让 bootloader 把一个 C++ mini kernel 从磁盘读进内存、用 BootInfo 交接、跳进高半内核入口,跑通一组 C++ 冒烟测试。ELF 载入地址、BootInfo 布局、高半映射、crt 桩都得自己搭,不给现成答案。

实验目标

• 在实模式里查 E820 内存图、把内核 ELF 读到物理 0x20000。
• 定义两边共用的 BootInfo,bootloader 填它、放在 0x7000、用 rdi 传给内核。
• 在临时页表里加一条高半映射,让内核能在 0xFFFFFFFF80020000 跑。
• 写内核 boot.S(清 BSS、把 boot_info 存进 .data、跑全局构造、调 main)和 crt_stub.cpp,让裸机 C++ 能起来。
• 验证:debugcon 出现 PLJ1234G===CPP…B…===END。

前置条件

• 已完成 Lab 003:机器能进 64 位长模式,debug.log 有 L。
• 会写 freestanding C++、看得懂链接脚本的 VMA/LMA、知道 .init_array 是什么。

任务分解

分五块走,别想一口吃下。

第一块:实模式读内核 + 内存图

写 boot/common/boot.S:query_memory_map(E820 INT 0x15 AX=0xE820,条目存 0x5000)、load_kernel_from_disk(从 LBA 16 读 832 扇区到 0x20000)。在 stage2 实模式段调它们。注意读盘地址要和内核链接脚本的 LMA 对上。

第二块:BootInfo 交接

写 boot/boot_info.h 定义 BootInfo(显式定长类型 + packed,static_assert(sizeof==824))。在 long_mode_entry 里把帧缓冲(从 0x6400)、内存图(从 0x5000)抄进 0x7000 的 BootInfo,填好 entry/phys_base。最后 movq $0x7000,%rdi; jmp *0xFFFFFFFF80020000。

第三块:高半映射

在 setup_page_tables 里,除了低地址恒等映射,再加 PML4[511]→PDPT、PDPT[510]→PD,复用同一张 PD,让高半虚拟地址指向和低地址同一块物理页。不加这条,跳进高半就缺页三重故障。

第四块:内核 boot.S

写 kernel/mini/arch/x86_64/boot.S 的 _start:cli → 设栈(__mini_stack_top)→ 把 %rdi 存进 .data 的 __boot_info_ptr → 清 BSS → call _init_global_ctors → call mini_kernel_main(BootInfo*)。每步用 debugcon 打个标记(1234)方便定位。

第五块:crt_stub + main 冒烟测试

写 crt_stub.cpp:_init_global_ctors(遍历 .init_array)、__cxa_pure_virtual、operator new/delete(调到就 hlt)等桩。写 main.cpp 的 mini_kernel_main:测一个普通类、一对虚函数类、一个全局对象,再校验 BootInfo,输出 ===CPP…===END。

接口约束

这些得自己保证对、lab 不给现成代码:

• 载入地址:内核 ELF 读到物理 0x20000,LBA 16 起。和 linker.ld 的 AT(0x20000) 对上(别信 stage2 注释里的 0x88000 噪声)。
• BootInfo:824 字节,放物理 0x7000;bootloader 填、内核经 rdi 读。字段用 uint32_t/uint64_t + packed,32 位 boot 和 64 位 kernel 布局必须一致。
• 传参:第一参数 BootInfo* 走 %rdi(System V AMD64 ABI)。bootloader movq $0x7000,%rdi 后 jmp。
• 高半:VMA 0xFFFFFFFF80020000,LMA 0x20000;页表里 PML4[511]/PDPT[510] 复用 PD。
• __boot_info_ptr 必须在 .data:.bss 会被清零,存进去就丢。
• 顺序:_start 里"存 boot_info → 清 BSS → 全局构造 → main",顺序不能乱。
• 编译标志:-ffreestanding -fno-exceptions -fno-rtti -fno-pie -mcmodel=large -mno-red-zone -nostdlib。
• 盘布局:扇区0=MBR、1..15=stage2、16+=kernel;build_image.sh 写三段。

验证步骤

第一道:构建。

cmake -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -S .
cmake --build build -j$(nproc)

第二道:debugcon 序列。 cmake --build build --target run,cat build/debug.log,期望:

P L J 1 2 3 4 G ===CPP C1 1 V 2 3 B ===END

B 出现 = BootInfo 交接成功;1/2/3 = C++ 运行时(类/虚函数/全局构造)正常。

第三道:GDB。 cmake --build build --target run-debug,断在 mini_kernel_main,看 rdi=0x7000、rip 在高半。

常见故障

内核加载就崩 / 一进 PM 就崩。 内核和栈(0x90000)撞了。把载入地址定低(0x20000),和栈之间留 gap。低 1MB 是兵家必争地,画清地址边界。

内核跳进去了、main 也跑了,BootInfo 字段全是 0(B 不出现)。 boot_info 存进了 .bss,被清零抹掉。改存 .data 的 __boot_info_ptr,且"存"在"清 BSS"之前。

加了虚函数/全局对象后链接报 undefined reference。 -nostdlib 砍了 C++ 运行时。补 crt_stub.cpp:__cxa_pure_virtual、operator delete、_init_global_ctors 等;链接脚本导出 __init_array_start/end。

跳进高半入口就三重故障。 高半没映射。setup_page_tables 加 PML4[511]/PDPT[510] 复用 PD。

全局对象的构造没跑(冒烟测试的 G/3 不出现)。 没调 _init_global_ctors,或 .init_array 符号没导出对。确认 boot.S 在 main 前 call _init_global_ctors,链接脚本里 __init_array_start/end 正确包裹 .init_array 段。

通过标准

• cmake --build build 成功,mini_kernel.bin 等三段产出,cinux.img 拼好。
• make run 后 debug.log 出现完整序列,含 B(BootInfo 校验通过)和 1/2/3(C++ 冒烟测试通过)。
• GDB 能断在 mini_kernel_main,rdi=0x7000、rip 在高半。
• 全程没有 PMM/堆/中断——内核还只是个"会跑 C++ 的空壳",那些是 02-mini-kernel 卷 的 lab。