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ゼロからのOS自作入門 メモ (Day3)

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こんにちは、kaiwareです。

みかん本Day3(第3章)について、各種用語や詰まった箇所のメモを残す。

前回はこちら。
https://zenn.dev/kaiware0x/articles/mikan-osbook-day2

レジスタ Register

レジスタとは、値を登録しておく記憶領域。CPUの内部にある。

QEMUで起動中端末のレジスタ値を確認できる：

(qemu) info registers
RAX=0000000000000000 RBX=0000000000000001 RCX=000000003fb7b1c0 RDX=0000000000000031
RSI=0000000000000400 RDI=000000003fea92a0 RBP=000000000000002e RSP=000000003fea8870
R8 =0000000000000000 R9 =000000003fecc30f R10=0000000000000050 R11=0000000000000000
R12=000000003e67d73e R13=000000003fea8900 R14=000000003fea88b8 R15=000000003f21b920
RIP=000000003e67c411 RFL=00000202 [-------] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
以下略

汎用レジスタ

  • RAX~R15までの16個
  • 各64bit(8Byte)

次の図のように、64bit未満の値を格納するための名前(EAX,AXなど)も用意されている。

特殊レジスタ

以下に例を挙げるが、他にもある。

  • RIP
    • IP: Instruction Pointer
    • デバッグ時によく使う
    • 次に実行される予定の機械語命令の位置を示している
    • メモリダンプと組み合わせると、現在実行中の機械語命令を確認できる
  • RFLAGS
    • 命令の実行結果によって変化するフラグを集めたレジスタ
    • 明示的に値を変更しなくても、別の命令を実行するとRFLAGSも自動で書き換わる
    • bit 0: キャリーフラグ CF
      • 加算結果がオーバーフローするとCFが1になる
    • bit 6: ゼロフラグ ZF
      • 命令の実行結果がゼロならZFが1になる
  • CR0
    • CPUの重要な設定を集めたレジスタ
    • bit 0: PE。1ならCPUは保護モードになる
    • bit 31: PG。1ならページングが有効になる

メモリダンプ

メモリダンプとは、メモリの中身をそのまま丸ごと表示・保存したもの。
QEMUのxコマンドでメモリダンプを行える。
以下はRIPレジスタ付近のメモリダンプ。

# 4個分、16進数で、1Byteずつ、RIPアドレスからダンプ
(qemu) x /4xb 0x3e67c411
000000003e67c411: 0xeb 0xfe 0x48 0x83

xコマンドの構文：

x /[N][F][B] ADDRESS

各パラメータの意味：

パラメータ 意味
N 表示する個数（省略時は1）
F 表示形式（例：x=16進, d=10進, i=命令）
B 単位サイズ（b=1バイト, h=2バイト, w=4バイト, g=8バイト）
ADDRESS アドレス（例：0x7fffd000, $rsp, 0x1000 + 8 など）

パラメータに/2iを指定すると、バイナリ命令を逆アセンブルしてアセンブリコードを表示できる。

(qemu) x /2i 0x3e67c411
0x000000003e67c411:  jmp    0x3e67c411
0x000000003e67c413:  sub    $0x28,%rsp

上記jmp 0x3e67c411命令は自分自身のアドレスにJumpしている。
つまり、ソースコードのwhile(1);に対応するアセンブリである。

アセンブリ

raxレジスタへrbxレジスタの値を加算する例：

add rax, rbx

C++では次のようなイメージ。

rax += rbx;

C/C++ソースコードで、__asm__()を使うとアセンブリ命令を埋め込める。
これを インラインアセンブラ と呼ぶ。

例：

extern "C" void KernelMain() {
    while(1) __asm__("hlt");
}

__asm__("hlt")はCPUを停止させて省電力状態にするための命令。
割り込みがあれば動作が再開する。

カーネル

Day3のタグへチェックアウト：

cd $HOME/workspace/mikanos
git checkout osbook_day03a
cd kernel

コンパイル

オブジェクトファイルmain.oが出力される。

clang++ -O2 -Wall -g --target=x86_64-elf -ffreestanding -mno-red-zone \
-fno-exceptions -fno-rtti -std=c++17 -c main.cpp

各引数の説明：

引数 一言説明
clang++ C++用Clangコンパイラを呼び出す
-O2 最適化レベル2（標準的な最適化）
-Wall すべての警告を表示
-g デバッグ情報を埋め込む
--target=x86_64-elf 出力対象をx86_64向けELF形式にする（クロスコンパイル用）
-ffreestanding 標準ライブラリに依存しないOSの上で動かないプログラム（OS開発用など）
-mno-red-zone スタックの「レッドゾーン」を使わない（割り込み安全）
-fno-exceptions 例外機能を無効化
-fno-rtti RTTI（実行時型情報）を無効化
-std=c++17 C++17標準でコンパイル
-c リンクせず、オブジェクトファイル（.o）を生成
main.cpp ソースファイルの指定
  • red-zone: スタックポインタを少し超えた領域

リンク：

ld.lld --entry KernelMain -z norelro --image-base 0x100000 --static \
-o kernel.elf main.o

各引数の説明：

引数 一言説明
ld.lld LLVM版のリンカを呼び出す
--entry KernelMain プログラムの開始関数を KernelMain に指定
-z norelro RELRO（メモリ保護機構）を無効にする
--image-base 0x100000 実行ファイルのベースアドレスを 0x100000 に設定
--static すべて静的リンクで行う（共有ライブラリを使わない）
-o kernel.elf 出力ファイル名を kernel.elf に指定
main.o 入力オブジェクトファイル 
$ readelf -h kernel.elf
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x101120
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          1056 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         4
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         14
  Section header string table index: 12

ブートローダーのビルド

cd $HOME/edk2
ln -s $HOME/workspace/mikanos/MikanLoaderPkg ./ # シンボリックリンクを張る
source edksetup.sh # ターミナル起動時のみ。環境変数がセットされる
build
# Output: $HOME/edk2/Build/MikanLoaderX64/DEBUG_CLANG38/X64/Loader.efi

実行 (osbook_day03a)

cd ~/edk2
~/osbook/devenv/run_qemu.sh ./Build/MikanLoaderX64/DEBUG_CLANG38/X64/Loader.efi ~/
workspace/mikanos/kernel/kernel.elf

alt text

レジスタの状態を確認：

(qemu) info registers
RAX=000000003fb7b3e0 RBX=000000003fb79f3b RCX=000000003fb7b3e0 RDX=000000003fea03f8
RSI=0000000000000000 RDI=000000000080201a RBP=000000003fea87e0 RSP=000000003fea83c0
R8 =0000000000000001 R9 =0000000000000000 R10=0000000000000000 R11=0000000000000000
R12=000000003f308198 R13=0000000000000210 R14=000000003fb68234 R15=0000000000000006
RIP=000000003fb73016 RFL=00000046 [---Z-P-] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
ES =0030 0000000000000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
CS =0038 0000000000000000 ffffffff 00af9a00 DPL=0 CS64 [-R-]
SS =0030 0000000000000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
DS =0030 0000000000000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
FS =0030 0000000000000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
GS =0030 0000000000000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
LDT=0000 0000000000000000 0000ffff 00008200 DPL=0 LDT
TR =0000 0000000000000000 0000ffff 00008b00 DPL=0 TSS64-busy
GDT=     000000003fbee698 00000047
IDT=     000000003f306018 00000fff
CR0=80010033 CR2=0000000000000000 CR3=000000003fc01000 CR4=00000668
DR0=0000000000000000 DR1=0000000000000000 DR2=0000000000000000 DR3=0000000000000000
DR6=00000000ffff0ff0 DR7=0000000000000400
EFER=0000000000000500
FCW=037f FSW=0000 [ST=0] FTW=00 MXCSR=00001f80
FPR0=0000000000000000 0000 FPR1=0000000000000000 0000
FPR2=0000000000000000 0000 FPR3=0000000000000000 0000
FPR4=0000000000000000 0000 FPR5=0000000000000000 0000
FPR6=0000000000000000 0000 FPR7=0000000000000000 0000
XMM00=0000000000000000 0000000000000000 XMM01=0000000000000000 0000000000000000
XMM02=0000000000000000 0000000000000000 XMM03=0000000000000000 0000000000000000
XMM04=0000000000000000 0000000000000000 XMM05=0000000000000000 0000000000000000
XMM06=0000000000000000 0000000000000000 XMM07=0000000000000000 0000000000000000
XMM08=0000000000000000 0000000000000000 XMM09=0000000000000000 0000000000000000
XMM10=0000000000000000 0000000000000000 XMM11=0000000000000000 0000000000000000
XMM12=0000000000000000 0000000000000000 XMM13=0000000000000000 0000000000000000
XMM14=0000000000000000 0000000000000000 XMM15=0000000000000000 0000000000000000

RIP=000000003fb73016をメモ。

メインメモリの内容を確認：

(qemu) x /2i 0x3fb73016
0x000000003fb73016:  cmpq   $0x0,0x40(%rsp)
0x000000003fb7301c:  je     0x3fb73016

みかん本と出力内容が異なる。
こちらはlldのバージョンが新しいことによる誤動作とのこと。

https://github.com/uchan-nos/os-from-zero/issues/134

章を進めていき ELFローダ を実装すれば解決するとのことなので、一旦放置。

実行時フローの再確認

実行 (osbook_day03c)

Kernelの再ビルド：

clang++ $CPPFLAGS -I/usr/include/c++/11 -I/usr/include/x86_64-linux-gnu/c++/11 -I/usr/include/x86_64-linux-gnu -O2 -Wall -g --target=x86_64-elf -ffreestanding -mno-red-zone -fno-exceptions -c main.cpp

ld.lld $LDFLAGS --entry KernelMain -z norelro --image-base 0x100000 --static -o kernel.elf main.o

実行したが、みかん本にあるような模様が出てこない。
これもlldのバージョンが原因と思われ、章を進めれば解決するはずなので一旦このまま進める。

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次回

https://zenn.dev/kaiware0x/articles/mikan-osbook-day4

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