7장. C언어로 커널 작성

업로드 안한 기간동안 OS는 꾸준히 공부하는 중에 있다.
양이 생각보다 많아, 모든 정보를 언제 다 업로드할지 걱정되지만
꾸준히 정리하여 업로드를 진행해보겠다.

Ⅰ. C 소스 파일 추가와 보호 모드 엔트리 포인트 통합

보호 모드 커널 디렉터리에 C 소스 파일을 추가하고 자동으로 포함하여 빌드하는 방법에 대해 작성되어 있다.
환영 메시지를 출력하는 C코드를 추가하여, 보호 모드 엔트리 포인트와 통합해볼 예정이다.

1. C 소스 파일 추가

여러 소스 파일에서 공통으로 사용한 헤더 파일 생성
- 해당 헤더 파일은 보호 모드 커널 전반에 걸쳐 사용한다.
- 기본 데이터 타입과 자료구조를 정의하는데 사용한다.
- 1.Kernel32의 하위 디렉토리인 Source에 Types.h 파일을 생성한다.

#ifndef __TYPES_H__
#define __TYPES_H__

#define BYTE    unsigned char
#define WORD    unsigned short
#define DWORD   unsigned int
#define QWORD   unsigned long
#define BOOL    unsigned char

#define TRUE    1
#define FALSE   0
#define NULL    0

#pragma pack ( push, 1 )

//비디오 모드 중 텍스트 모드 화면을 구조하는 자료구조
typedef struct kCharactorStruct{
    BYTE bCharactor;
    BYTE bAttribute;
} CHARACTER;

#pragma pack( pop )
#endif /*__TYPES_H__*/

1.Kernel32의 Source 디렉터리에 Main.c파일을 생성한다.
- Main() 함수는 C코드의 엔트리 포인트 함수로, 0x10200 주소에 위치한다.
- 이전에 작성한 보호 모드 엔트리 포인트(EntryPoint.s) 코드에서 최초로 실행되는 C코드이다.
- Main( ) 함수를 가장 앞쪽에 위치시켜, 컴파일 시에 코드 섹션의 가장 앞쪽에 위치하게 한 것을 알 수 있다.
- Main( ) 함수의 내부는 kPrintString( )함수를 사용해서 메시지를 표시하고 무한 루프를 수행하게 작성하였다.
- kPrintString( )함수는 화면의 특정 위치(X, Y)에 문자열을 출력해주는 함수로, 텍스트 모드용 비디오 메모리 어드레스(0xB8000)에 문자를 갱신한다.

#include "Types.h"

void kPrintString (int iX, int iY, const char* pcString);

//Main 함수
void Main(void){
    kPrintString( 0, 3, "C Language Kernel Started~!!!");

    while(1);
}

//문자열 출력 함수
void kPrintString(int iX, int iY, const char* pcString){
    CHARACTER* pstScreen = (CHARACTER*) 0xB8000;
    int i;

    pstScreen += (iY * 80) + iX;
    for(i = 0; pcString[i] != 0; i++){
        pstScreen[i].bCharactor = pcString [i];
    }
}

2. 보호 모드 엔트리 포인트 코드 수정

이전에 작성한 보호 모드 커널의 엔트리 포인트 코드(EntryPoint.s)를 수정한다.

보호 모드 엔트리 포인트 이후, C커널 코드가 있으므로 무한 루프 수행하는 코드를 수정하여 0x10200으로 이동하게 변경한다.
리얼모드에서 보호 모드로 전환할 때처럼 CS세그먼트 셀렉터와 이동할 선형주소를 jmp명령에 같이 지정해주면 된다.
아래는 C커널 코드로 이동하기 위해, 수정한 부분이다.

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;  보호 모드로 진입
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
[BITS 32]  ; 이하의 코드는 32bit 코드로 설정
PROTECTEDMODE:
		``` 생략 ```

    push ( SWITCHSUCCESSMESSAGE - $$ + 0x10000 )    ; 출력할 메시지의 어드레스르 스택에 삽입
    push 2                                          ; 화면 Y 좌표(2)를 스택에 삽입
    push 0                                          ; 화면 X 좌표(0)를 스택에 삽입
    call PRINTMESSAGE                               ; PRINTMESSAGE 함수 호출
    add esp, 12                                     ; 삽입한 파라미터 제거

		; 수정한 부분
    jmp dword 0x08: 0x10200                         ; C언어 커널이 존재하는 0x10200 어드레스로 이동하여 C언어 커널 수행
																										; CS 세그먼트 셀렉터를 커널 코드 디스크립터(0x08)로 변경
``` 생략 ```

3. makefile 수정

이전 작성한 makefile은 EntryPoint.s 파일만 사용하여, 보호 모드 커널 이미지(Kernel32.bin)을 생성하였다.
해당 부분에서는 다수의 파일을 컴파일 하고 링크해야 하므로 좀 더 편한 makefile로 수정한다.
- make의 몇가지 유용한 기능을 사용하여, Source 디렉터리에 .c 확장자의 파일만 추가하면 자동으로 포함하여 빌드하도록 수정한다.
.c 파일을 자동으로 빌드 목록에 추가하려면, 매번 빌드를 수행할 때마다 Source디렉터리에 있는 *.c 파일을 검색하여 소스 파일 목록에 추가해야 한다.
- make에서는 이를 위해, 디렉터리에 있는 파이을 검색하는 와일드 카드 기능을 제공한다.
- Soucre 디렉토리에 있는 *.c 파일을 모두 검색해서 CSOURCEFILES라는 변수에 넣고 싶다면 와일드 카드를 사용하여, 아래와 같이 작성할 수 있따.
```
CSOURCEFILES = $(wildcard Source/*.c)
```
디렉터리에 있는 모든 C 파일을 검색하였으니, 이제 해당 파일에 대한 빌드 룰만 정해주면 자동으로 빌드할 수 있다.
- 파일 패턴에 대해, 동일한 룰을 적용하여 간단히 처리할 수 있다.
- 모든 .c 파일은 “gcc -c”라는 컴파일 과정을 통해 .o 파일로 변환된다면 아래와 같이 작성할 수 있다.
- %.o : %.c ; .c 파일을 .o 파일로 컴파일할 수 있음 gcc -c $< ; $<은 Dependency의 첫 번째 항목을 의미함
검색된 C 파일을 이용하여, 링크할 파일 목록을 생성한다.
- 일반적으로, 오브젝트 파일은 소스파일과 같은 이름이며 확장자만 .o로 변경된다. 따라서, 소스 파일 목록에 포함된 파일 확장자를 .c에서 .o로 수정하면 된다.
- 특정 문자를 치환하려면, patsubst 기능을 사용하면 된다.
  - patsubst는 $(patsubst 수정할 패턴, 교체할 패턴, 입력 문자열) 형식으로 사용한다.
- CSOURCEFILES의 내용에서 확장자 .c를 .o로 수정하고 싶으면, 아래와 같다.
  - COBJECTFILES = $(patsubst %.c, %.o, $(CSOURCEFILES))
C 커널 엔트리 포인트 함수를 가장 앞쪽에 배치하면, 엔트리 포인트 오브젝트 파일을 COBJECTFILES의 맨 앞에 둬야 한다.
- 만일 C커널의 엔트리 포인트를 포함하는 오브젝트 파일 이름이 Main.o라고 가정한다. Main.o 파일을 COBJECTFILES에서 맨 앞에 두려면 아래와 같이 subst를 사용할 수 있다.
- CENTRYPOINTOBJECTFILE = Main.o COBJECTFILES = $(patsubst %.c, %.o, $(CSOURCEFILES)) COTHEROBJECTFILES = $(subst Main.o, , $(COBJECTFILES)) ; subst는 문자열 치환 함수로, COBJECTFILES에 있는 문자열 중에 Main.o를 공백으로 치환 Kernel32.elf: $(CENTRYPOINTOBJECTFILE) $(COBJECTFILES) ; Main.o 오브젝트 파일을 가장 앞쪽으로 이동 x86_64-pc-linux-ld.exe -o $@ $^
이와 같은 규칙은 어셈블리어 파일에도 적용할 수 있다.
- 보호모드 커널과 IA-32e 모드 커널에서 사용할 어셈블리어 파일은 .asm으로 생성할 예정이므로 이를 고려하여 수정한다.
- 앞서 작성한 makefile에서 .c부분만 .asm으로 수정하고 gcc컴파일 옵션 대신 NASM을 사용하게 변경하면 된다.
- But, 컴파일된 어셈블리어 오브젝트 파일과 C언어 오브젝트 파일은 같이 링크되어야 하므로 이를 고려하여 컴파일 옵션을 설정해야 한다.
- GCC 오브젝트 파일은 ELF32파일 포맷 형태를 따르므로 NASM의 오브젝트 파일 역시 동일한 포맷으로 생성되게 컴파일 옵션에 -f elf32 를 추가해야 한다.
C언어는 헤더 파일을 정의하여, 소스 파일에서 공통으로 사용하는 데이터 타입이나 함수의 선언을 모아두고 이를 참조할 수 있다.
- 이는 소스 파일의 내용 뿐 아니라 헤더 파일이 수정되어도 소스 파일을 다시 빌드해야 하는 것을 의미한다.
- 이를 위해, 소스 파일을 모두 검사하여, 포함하는 헤더 파일을 모두 makefile의 Dependency에 기록해야 한다.
- GCC 옵션 중에 makefile용 규칙을 만들어주는 전처리기 관련 옵션 (-M옵션)을 사용하면 자동으로 헤더 파일을 추출할 수 있다.
- 그 중, -MM 옵션을 사용하면 stdio.h와 같은 시스템 헤더 파일을 제외한 나머지 헤더 파일에 대한 의존 관계를 출력할 수 있다.
- 따라서, -MM옵션을 이용하여, 소스 파일을 모두 검사하고 그 결과를 파일에 저장하면 소스 파일별 헤더 파일의 의존 관계를 확인할 수 있다.
- 아래는 Main.c와 Test.c 소스 파일의 의존관계를 구해, Dependency.dep 파일로 저장하는 예이다.
```
gcc -MM Main.c > Dependency.dep
```
빌드 시, Dependency.dep 파일이 없으면 빌드 에러가 발생한다.
- 이를 피하기 위해, 현재 디렉터리를 검사해서 Dependency.dep 파일이 있을 때만 포함해야 한다.
- 이러한 작업은 make의 조건문과 wildcard 함수를 조합하면 된다.
```
ifeq (Dependency.dep, $(wildcard Dependency.dep)) ;wildcard 함수의 결과가 Dependency.dep와 같으면 endif까지의 구문 수행
include Dependency.dep
endif
```

4. 최종 makefile code

#####################################
# 빌드 환경 및 규칙 설정 
#####################################
# 컴파일러 및 링커 정의
NASM32 = nasm
GCC32 = gcc -c -m32 -ffreestanding
LD32 = ld -melf_i386 -T ../elf_i386.x -nostdlib -e Main -Ttext 0x10200
OBJCOPY32 = objcopy -j .text -j .data -j .rodata -j .bss -S -O binary

OBJECTDIRECTORY = Temp
SOURCEDIRECTORY	= Source

#####################################
# 빌드 항목 및 빌드 방법 설정
#####################################
all: prepare Kernel32.bin

prepare:
	mkdir -p $(OBJECTDIRECTORY)

$(OBJECTDIRECTORY)/EntryPoint.bin: $(SOURCEDIRECTORY)/EntryPoint.s
	$(NASM32) -o $@ $<

dep:
	@echo === Make Dependancy File ===
	make -C $(OBJECTDIRECTORY) -f ../Makefile InternalDependency
	@echo === Dependancy Search Complete ===

ExecuteInternalBuild: dep
	make -C $(OBJECTDIRECTORY) -f ../Makefile Kernel32.elf

$(OBJECTDIRECTORY)/Kernel32.elf.bin: ExecuteInternalBuild
	$(OBJCOPY32) $(OBJECTDIRECTORY)/Kernel32.elf $@

Kernel32.bin: $(OBJECTDIRECTORY)/EntryPoint.bin $(OBJECTDIRECTORY)/Kernel32.elf.bin
	cat $^ > $@
		
clean:
	rm -f *.bin
	rm -f $(OBJECTDIRECTORY)/*.*

################################################################
# Make에 의해 다시 호출되는 부분, Temp 디렉터리를 기준으로 수행됨
################################################################
CENTRYPOINTOBJECTFILE = Main.o
CSOURCEFILES = $(wildcard ../$(SOURCEDIRECTORY)/*.c)
ASSEMBLYSOURCEFILES = $(wildcard ../$(SOURCEDIRECTORY)/*.asm)
COBJECTFILES = $(subst Main.o, , $(notdir $(patsubst %.c,%.o,$(CSOURCEFILES))))
ASSEMBLYOBJECTFILES = $(notdir $(patsubst %.asm,%.o,$(ASSEMBLYSOURCEFILES)))

# .c 파일을 .o 파일로 바꾸는 규칙 정의
%.o: ../$(SOURCEDIRECTORY)/%.c
	$(GCC32) -c $<

# .asm 파일을 .o 파일로 바꾸는 규칙 정의
%.o: ../$(SOURCEDIRECTORY)/%.asm
	$(NASM32) -f elf32 -o $@ $<

InternalDependency:
	$(GCC32) -MM $(CSOURCEFILES) > Dependency.dep

Kernel32.elf: $(CENTRYPOINTOBJECTFILE) $(COBJECTFILES) $(ASSEMBLYOBJECTFILES)
	$(LD32) -o $@ $^

ifeq (Dependency.dep, $(wildcard Dependency.dep))
include Dependency.dep
endif

Ⅱ. 커널 빌드와 실행

1. Kernel32 디렉터리에서 이전에 만든 Makefile을 실행시면, Kernel32.bin파일이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
- 해당 크기는 약 646byte이므로 2섹터에 못 미치는 크기이다.
- 보호 모드 커널을 정상적으로 메모리에 로딩하고 실행하려면, 부트 로더에 포함된 “TOTALSECTORCOUNT” 값을 변경해야 한다.
- 따라서, 0.BootLoader디렉토리에 존재하는 BootLoader.asm 파일을 열어서 TOTALSECTORCOUNT의 값을 2로 수정한 후 다시 빌드한다.
```
jmp 0x07C0:START

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;  MINT64 OS에 관련된 환경설정 값
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
TOTALSECTORCOUNT:    dw 0x02 
```
QEMU가 섹터 단위로 정렬된 디스크 이미지만 처리할 수 있다.
- 따라서, 현재 QEMU를 실행해도 정상적으로 동작하지 않는다.
- 현재 커널 이미지가 약 646byte정도이므로, 2섹터에 못 미치기 때문에 마지막 섹터를 로딩하는데 문제가 발생한 것이다.
- 해당 문제는 디스크 이미지를 512byte 크기로 정렬하고, 모자란 부분을 0x00과 같은 임의의 값으로 채워주면 해결할 수 있다.

1. 이미지 메이커 프로그램 작성

부트 로더와 커널 이미지를 통합하여, 섹터(512byte) 크기로 정렬하고 부트 로더의 “TOTALSECTORCOUNT”에 커널의 총 섹터 수를 업데이트하는 이미지 메이커(Image Maker)프로그램을 작성한다.
이미지 생성하는 프로그램 작성 전, 부트 로더 이미지 파일(BootLoader.bin)에 있는 “TOTALSECTORCOUNT”의 오프셋을 확인한다.
- 파일 시작으로 부터 5byte 떨어진 2byte가 TOTALSECTORCOUNT인 것을 확인할 수 있다.

아래 코드는 위치 정보를 바탕으로 만든 이미지 메이커의 소스파일이다.

4.Utility 디렉터리에 0.ImageMaker디렉터리를 생성한 후, ImageMaker.c파일을 생성한다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/io.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>

#define BYTESOFSECTOR  512
#define BYTESOFSECTOR  512
#ifndef O_BINARY
    #define O_BINARY 0
#endif
#ifndef S_IREAD
    #define S_IREAD 0x400
#endif
#ifndef S_IWRITE
    #define S_IWRITE 0x200
#endif

// 함수 선언
int AdjustInSectorSize( int iFd, int iSourceSize );
void WriteKernelInformation( int iTargetFd, int iKernelSectorCount );
int CopyFile( int iSourceFd, int iTargetFd );

// Main 함수
int main(int argc, char* argv[])
{
    int iSourceFd;
    int iTargetFd;
    int iBootLoaderSize;
    int iKernel32SectorCount;
    int iSourceSize;
        
    // 커맨드 라인 옵션 검사
    if( argc < 3 )
    {
        fprintf( stderr, "[ERROR] ImageMaker.exe BootLoader.bin Kernel32.bin\\n" );
        exit( -1 );
    }
    
    // Disk.img 파일을 생성
    if( ( iTargetFd = open( "Disk.img", O_RDWR | O_CREAT |  O_TRUNC | O_BINARY, S_IREAD | S_IWRITE ) ) == -1 )
    {
        fprintf( stderr , "[ERROR] Disk.img open fail.\\n" );
        exit( -1 );
    }

    //------------------------------------------------------------
    // 부트 로더 파일을 열어서 모든 내용을 디스크 이미지 파일로 복사
    //------------------------------------------------------------
    printf( "[INFO] Copy boot loader to image file\\n" );
    if( ( iSourceFd = open( argv[ 1 ], O_RDONLY | O_BINARY ) ) == -1 )
    {
        fprintf( stderr, "[ERROR] %s open fail\\n", argv[ 1 ] );
        exit( -1 );
    }

    iSourceSize = CopyFile( iSourceFd, iTargetFd );
    close( iSourceFd );
    
    // 파일 크기를 섹터 크기인 512바이트로 맞추기 위해 나머지 부분을 0x00 으로 채움
    iBootLoaderSize = AdjustInSectorSize( iTargetFd , iSourceSize );
    printf( "[INFO] %s size = [%d] and sector count = [%d]\\n",
            argv[ 1 ], iSourceSize, iBootLoaderSize );

    //-------------------------------------------------------------
    // 32비트 커널 파일을 열어서 모든 내용을 디스크 이미지 파일로 복사
    //-------------------------------------------------------------
    printf( "[INFO] Copy protected mode kernel to image file\\n" );
    if( ( iSourceFd = open( argv[ 2 ], O_RDONLY | O_BINARY ) ) == -1 )
    {
        fprintf( stderr, "[ERROR] %s open fail\\n", argv[ 2 ] );
        exit( -1 );
    }

    iSourceSize = CopyFile( iSourceFd, iTargetFd );
    close( iSourceFd );
    
    // 파일 크기를 섹터 크기인 512바이트로 맞추기 위해 나머지 부분을 0x00 으로 채움
    iKernel32SectorCount = AdjustInSectorSize( iTargetFd, iSourceSize );
    printf( "[INFO] %s size = [%d] and sector count = [%d]\\n",
                argv[ 2 ], iSourceSize, iKernel32SectorCount );

    //----------------------------------
    // 디스크 이미지에 커널 정보를 갱신
    //----------------------------------
    printf( "[INFO] Start to write kernel information\\n" );    
    // 부트섹터의 5번째 바이트부터 커널에 대한 정보를 넣음
    WriteKernelInformation( iTargetFd, iKernel32SectorCount );
    printf( "[INFO] Image file create complete\\n" );

    close( iTargetFd );
    return 0;
}

//  현재 위치부터 512바이트 배수 위치까지 맞추어 0x00으로 채움
int AdjustInSectorSize( int iFd, int iSourceSize )
{
    int i;
    int iAdjustSizeToSector;
    char cCh;
    int iSectorCount;

    iAdjustSizeToSector = iSourceSize % BYTESOFSECTOR;
    cCh = 0x00;
    
    if( iAdjustSizeToSector != 0 )
    {
        iAdjustSizeToSector = 512 - iAdjustSizeToSector;
        printf( "[INFO] File size [%lu] and fill [%u] byte\\n", iSourceSize, 
            iAdjustSizeToSector );
        for( i = 0 ; i < iAdjustSizeToSector ; i++ )
        {
            write( iFd , &cCh , 1 );
        }
    }
    else
    {
        printf( "[INFO] File size is aligned 512 byte\\n" );
    }
    
    // 섹터 수를 되돌려줌
    iSectorCount = ( iSourceSize + iAdjustSizeToSector ) / BYTESOFSECTOR;
    return iSectorCount;
}

//  부트 로더에 커널에 대한 정보를 삽입

void WriteKernelInformation( int iTargetFd, int iKernelSectorCount )
{
    unsigned short usData;
    long lPosition;
    
    // 파일의 시작에서 5바이트 떨어진 위치가 커널의 총 섹터 수 정보를 나타냄
    lPosition = lseek( iTargetFd, 5, SEEK_SET );
    if( lPosition == -1 )
    {
        fprintf( stderr, "lseek fail. Return value = %d, errno = %d, %d\\n", 
            lPosition, errno, SEEK_SET );
        exit( -1 );
    }

    usData = ( unsigned short ) iKernelSectorCount;
    write( iTargetFd, &usData, 2 );

    printf( "[INFO] Total sector count except boot loader [%d]\\n", 
        iKernelSectorCount );
}

//  소스 파일(Source FD)의 내용을 목표 파일(Target FD)에 복사하고 그 크기를 되돌려줌

int CopyFile( int iSourceFd, int iTargetFd )
{
    int iSourceFileSize;
    int iRead;
    int iWrite;
    char vcBuffer[ BYTESOFSECTOR ];

    iSourceFileSize = 0;
    while( 1 )
    {
        iRead   = read( iSourceFd, vcBuffer, sizeof( vcBuffer ) );
        iWrite  = write( iTargetFd, vcBuffer, iRead );

        if( iRead != iWrite )
        {
            fprintf( stderr, "[ERROR] iRead != iWrite.. \\n" );
            exit(-1);
        }
        iSourceFileSize += iRead;
        
        if( iRead != sizeof( vcBuffer ) )
        {
            break;
        }
    }
    return iSourceFileSize;
}

0.ImageMaker 디렉터리에 아래와 같이 makefile을 간단히 작성하여 make를 실행한다.

#기본적으로 빌드를 수행할 목록
all: ImageMaker.exe

# ImageMaker 빌드
ImageMaker.exe: ImageMaker.c 
    gcc -o $@ $<

# 소스 파일을 제외한 나머지 파일 정리
clean:
    rm -f ImageMaker.exe

2. 커널 이미지 생성과 실행

생성한 이미지 메이커 프로그램으로 디스크 이미지를 생성한다.
방금 만든 ImageMaker.exe 파일을 프로젝트 최상위 디렉터리인 MINT64 디렉터리에 복사한 후, 해당 디렉터리에 있는 makefile을 수정한다.

``` 생략 ```

Disk.img: 0.BootLoader/BootLoader.bin 1.Kernel32/Kernel32.bin
	@echo
	@echo =================== Disk Image Build Start ===================
	@echo

	./ImageMaker.exe $^

	@echo
	@echo ==================== All Build Complete ====================
	@echo

``` 생략 ```

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