操作系统(6) - 进入内核

约 968 字大约 3 分钟

2025-6-9

本节的任务并不像以前一样可以直接从标题看出来，所以我们简要介绍一下。
在本节中，我们将完成引导阶段的最后一项工作：退出 UEFI 环境、设置好内核运行所需的栈空间，并跳转进入我们的内核。

正式和 UEFI 说再见

ExitBootServices 是 UEFI 世界与裸机世界的分水岭。一旦退出，UEFI 提供的所有服务（包括内存分配、文件访问、打印输出等）将彻底失效，内核将完全接管硬件。

调用 ExitBootServices 先要获取内存布局。它也是经典的调用两次：第一次查询大小，第二次获取布局。

src/bootloader/memmap.c
#define STMT_WRAP(stmt) do {stmt} while (FALSE)
#define PTR_ASSIGN(ptr, val) STMT_WRAP(if (ptr) {*(ptr) = (val);})

void GetMemMap(
        EFI_MEMORY_DESCRIPTOR **outMemMap,
        UINT64 *outMemMapCount,
        UINT64 *outMemMapDescSize,
        UINT64 *outMapKey
) {
    EFI_STATUS status;

    UINTN MapSize = 0, MapKey, DescSize;
    UINT32 DescVer;

    status = BS->GetMemoryMap(&MapSize, NULL, &MapKey, &DescSize, &DescVer);
    if (status != EFI_BUFFER_TOO_SMALL){
        Err(L"[ERROR] GetMemoryMap (size query) failed.\r\n");
    }

    MemMapCount = MapSize / DescSize;
    MemMapDescSize = DescSize;

    MapSize += DescSize * 8;
    mem_map = (EFI_MEMORY_DESCRIPTOR*) Allocate(MapSize);
    if (!mem_map){
        Err(L"[ERROR] Failed to allocate memory map.\r\n");
    }

    status = BS->GetMemoryMap(&MapSize, mem_map, &MapKey, &DescSize, &DescVer);
    if (EFI_ERROR(status)){
        Err(L"[ERROR] GetMemoryMap (actual) failed.\r\n");
    }

    PTR_ASSIGN(outMemMap, mem_map);
    PTR_ASSIGN(outMemMapCount, MemMapCount);
    PTR_ASSIGN(outMemMapDescSize, DescSize);
    PTR_ASSIGN(outMapKey, MapKey);
}

src/bootloader/exitboot.c
void ExitBootDevices(EFI_HANDLE ImageHandle, UINTN MapKey){
    EFI_STATUS status = BS->ExitBootServices(ImageHandle, MapKey);
    if (EFI_ERROR(status)){
        Err(L"[ERROR] ExitBootDevices failed. Memory map changed?\r\n");
    }
}

分配栈

如之前所述，退出后此时我们必须确保一切资源都已经准备就绪。

UEFI 跳转到内核后，可能会留下一个不可靠或太小的堆栈。我们必须自己提供一块干净的、足够大的栈，否则一旦进入函数或中断就可能出现崩溃。

提示

栈是从高地址向低地址生长的，因此设置 rsp = stack_top

PutStr(L"[BOOT] Allocating stack...\r\n");
const UINTN
    MB = 0x100000,
    KernelStackSize = 0x8000,
    KernelStackPages = KernelStackSize / PageSize,
    KernelStackBase = 24*MB,
    KernelStackTop = KernelStackBase + KernelStackSize;
AllocatePagesAt(KernelStackBase, KernelStackPages);

提示

我们可以通过输出之前获取的 MemoryMap 确定应该把栈放在哪里。

// Will Change Memory Map
for (int i=0; i < MapSize/DescSize-8; i++){
    EFI_MEMORY_DESCRIPTOR* desc = (EFI_MEMORY_DESCRIPTOR*)
            ((UINT8*)mem_map + (i*DescSize));
    PrintDec(desc->Type);
    PrintHex(desc->PhysicalStart);
    PrintHex(desc->NumberOfPages);
    PutStr(L"\r\n");
}

内存布局（节选）

起始地址	起始地址 (换算)	页数	大小	类型编号	类型说明
`0x0`	0 B	1	4 KB	3	`EfiBootServicesCode`
`0x1000`	4 KB	159	546 KB	7	`EfiConventionalMemory`
`0x100000`	1 MB	5	20 KB	2	`EfiLoaderCode` （我们的内核）
`0x105000`	1 MB + 20 KB	1787	6.98 MB	7	`EfiConventionalMemory`
`0x800000`	8 MB	8	32 KB	10	`EfiACPIReclaimMemory`
`0x808000`	8 MB + 32 KB	3	12 KB	7	`EfiConventionalMemory`
`0x80B000`	8 MB + 44 KB	1	4 KB	10	`EfiACPIReclaimMemory`
`0x810000`	8 MB + 64 KB	240	960 KB	10	`EfiACPIReclaimMemory`
`0x900000`	9 MB	3712	3.625 MB	4	`EfiBootServicesData`
`0x1780000`	23 MB + 512 KB	128	512 KB	7	`EfiConventionalMemory`
`0x1800000`	24 MB	8	32 KB	2	`EfiLoaderCode` （我们的栈）
`0x1808000`	24 MB + 32 KB	9069	~35 MB	7	`EfiConventionalMemory`

传递参数

这里，我们使用结构体指针传递参数。

src/shared/bootinfo.h
#include <stdint.h>

#define MAGIC 0x00796c6665726946

typedef struct {
    uint32_t *framebuffer;
    uint32_t width;
    uint32_t height;
} GraphicsInfo;

typedef struct {
    uint64_t base_addr;
    uint64_t size;
} StackInfo;

typedef struct {
    uint64_t magic;
    GraphicsInfo graphics;
    StackInfo stack;
} BootInfo;

记得把 kernel_entry 函数改为 void kernel_entry(BootInfo*)！

一二三跳

为了防止污染栈，设置 rsp 之后，我们不能再调用函数。因此，我们通过 rdi 传参（System V ABI），然后直接 jmp 跳转。

注意

删去之前桥接函数的 __attribute__((ms_abi))

__asm__ __volatile__ (
    "mov %[stack], %%rsp\n"
    "mov %[info], %%rdi\n"
    "jmp *%[entry]\n"
    :
    : [stack] "r"(stack_top),
      [info] "r"(boot_info),
      [entry] "r"(kernel_entry)
);

每日 Hello

让我们画个 logo：

src/kernel /kernel.c
// 在 bootloader 中，为了和 UEFI 统一，使用了驼峰命名法
// 在此处就换回来了。

#include "../shared/bootinfo.h"
#include "gop.h"
#include "../shared/graphics/logo.h"

void kernel_main();

BootInfo boot_info;

void kernel_entry(BootInfo *bi) {
    boot_info = *bi;  // 需要自己实现 memcpy
    kernel_main();
}

void kernel_main(){
    if (boot_info.magic != MAGIC){
        while (1){
            __asm__ volatile ("hlt");
        }
    }

    InitGOPFrom(boot_info.graphics.framebuffer, 
                boot_info.graphics.width,
                boot_info.graphics.height);

    PIXEL map[256];
    map['@'] = (PIXEL){255, 255, 255, 255};
    map['R'] = (PIXEL){0, 0, 255, 255};
    int unit = 4;
    DrawTextImage(
        logo, map, unit, 
        (ScreenWidth-logo_size*unit)/2, 
        (ScreenHeight-logo_size*unit)/2);

    while (1){
        __asm__ volatile ("hlt");
    }
}

至此，我们终于从 UEFI 的摇篮中爬了出来，准备赤脚在硬件上奔跑了！
—— ChatGPT