Introduction

回顾 Hello World

#include <stdio.h>

int main(){
   printf("Hello, World\n");
   return 0;
}

看似简单的 Hello World 其实一点也不简单。当使用 objdump -d a.out 查看 gcc 编译出来的结果时，会发现 a.out 中其实包含了很多东西。在程序执行时，是由谁调用的 main()，而 main() 在 return 时又将返回哪里？当没有 libc 时，我们应该如何让一个程序正常结束？

系统调用和最小 Hello World

用户程序只能通过系统调用 (以操作系统所允许的方式) 来向操作系统请求服务。为了在屏幕上打印 Hello World，我们仅需要请求两个服务：write() 和 exit()。

// hello.S
.section .data
msg:    .asciz "Hello World\n" ; 

.section .text
.globl _start

_start:
  movq $1,   %rax   // write system call
  movq $1,   %rdi   // file descriptor
  movq $msg, %rsi   // pointer to message
  movq $12,  %rdx   // message length
  syscall           

  movq $60,  %rax   // exit system call
  movq $0,   %rdi   // return number
  syscall

运行上述代码:

cpp hello.S > hello.i
as hello.i -o hello.o
ld hello.o
./a.out

系统调用追踪

我们可以通过 strace 来追踪一个应用程序在执行过程中产生的系统调用:

strace ./a.out

strace 是通过 ptrace() 这个系统调用来实现的，其可以在被追踪的程序每次进入或退出内核时停止其执行，然后追踪程序就可以进一步使用 ptrace() 来获取程序的状态。例如，下列代码给出了利用 ptrace() 实现的一个简易 tracer:

#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/user.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/syscall.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc < 2) {
    printf(stderr, "Usage: %s <command>\n", argv[0]);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  pid_t child = fork();
  if (child == 0) {
    // this process (tracee) is to be traced
    ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL);
    execvp(argv[1], &argv[1]);
  } else {
    int status;
    struct user_regs_struct regs;
    while (1) {
      // wait for the tracee to stop itself
      waitpid(child, &status, 0);    
      // if the child exits
      if (WIFEXITED(status))
        break;
      // copy the tracee's general-purpose registers
      ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, &regs);
      printf("System call number: %lld\n", regs.orig_rax);
      // restart the stopped tracee, and arrange for the tracee to be stopped 
      // at the next entry to or exit from a system call
      ptrace(PTRACE_SYSCALL, child, NULL, NULL);
    }
  }
  return 0;
}

CPU Reset 之后的世界

为了让操作系统这个程序能够正确启动，计算机硬件和程序员之间首先约定好 CPU Reset 后的寄存器状态 (例如在 x86 family 中 EIP = 0xfff0)，随后由固件 (Firmware) 来将程序员编写的代码载入内存并执行。例如，BIOS 会将第一个可引导设备的第一个 512 字节 (Master Boot Record, MBR) 加载到物理内存的 0x7c00 位置，并规定 CS:IP = 0x7c00。此时，虽然 MBR 只能容纳 400 多字节代码，但系统的控制权已回到程序员手中。

// mbr.S
#define SECT_SIZE  512

.code16  // 16-bit assembly

// Entry of the code
.globl _start
_start:
  lea   (msg), %si   // R[si] = &msg;

again:
  movb  (%si), %al   // R[al] = *R[si]; <--+
  incw  %si          // R[si]++;           |
  orb   %al, %al     // if (!R[al])        |
  jz    done         //   goto done; --+   |
  movb  $0x0e, %ah   // R[ah] = 0x0e;  |   |
  movb  $0x00, %bh   // R[bh] = 0x00;  |   |
  int   $0x10        // bios_call();   |   |
  jmp   again        // goto again; ---+---+

done:                //                |
  jmp   .            // goto done; <---+

// Data: const char msg[] = "...";
msg:
  .asciz "This is a baby step towards operating systems!\r\n"

// Magic number for bootable device
.org SECT_SIZE - 2
.byte 0x55, 0xAA

# Makefile
mbr.img: mbr.S
	gcc -ggdb -c $<
	ld mbr.o -Ttext 0x7c00
	objcopy -S -O binary -j .text a.out $@

run: mbr.img
	qemu-system-x86_64 --nographic $<

# Run QEMU in background
#  -s: open a gdb server on TCP port 1234
#  -S: do not start CPU at startup
debug: mbr.img
	qemu-system-x86_64 -s -S --nographic $< &  

clean:
	rm -f *.img *.o a.out

运行 make 来将上述 mbr.S 编译并转换为磁盘镜像文件 mbr.img，随后运行 make run 即可在 QEMU 中启动并执行 mbr.S 代码 (利用 bios_call 打印字符到屏幕)。当然，真实的 MBR 不是用来打印 Hello World 的，而是用于加载磁盘上的操作系统。

为了观察系统启动的过程，我们同样可以使用 gdb 来进行调试。运行 make debug 会在后台启动 QEMU，并在 localhost:1234 打开调试接口，随后运行 gbd 并通过 target remote localhost:1234 就可以连接到 QEMU 进行调试。