============================================================== 제목 : C++ 로 커널 작성하기 원저자 : 작성자 : edward 작성일자 : 2003. 12. 21 분석및번역: edward_frswz 분석버젼 : ver 0.0.1 라이센스 : GPL 홈페이지 : http://OSx86.ORG 원문참조 : http://www.invalidsoftware.net/os/?the_id=11 ============================================================== ======================================================= - 준비물 DJGPP 2.0.3 NASM 0.98.08 - 요구지식 기본적인 부트로더 작성법 보호모드에 대한 기본적인 이해 C++ 언어와 어셈블리 언어의 이해 - 테스트 환경 틀린 내용이나 이상한 내용은 바로 메일로 씹어주세요. 제가 검증 후 바로 고쳐서 업데이트 하겠습니다. email : osx86@osx86.org ======================================================= 0. edward 의 서문 우선 제가 C++ 에 대해서는 전혀 모른다는 점을 알려 드립니다. 따라서 이 글이 오류를 내포하고 있을지도 모릅니다. 혹시라도 C++을 잘 알고 계신분이 있다면 문서의 오류를 지적해 주시기 바랍니다. 그리고 저자의 이름은 알 수가 없었지만 메일 주소는 찾은 것 같습니다. 궁금한 점은 아래의 메일주소로 질문하시거나 OSx86 의 QNA 란에 질문하여 주시기 바랍니다. whyme_t@invalidsoftware.net A. 툴(Tools)과 몇 가지 가정 이 문서는 다음의 툴들을 사용하게 될 것입니다. ================================================================= DJGPP - DOS 기반의 Intel 80386 이상의 PC 에서 동작하는 완전한 32-Bit C/C++ 개발 환경 NASM - 오픈 소스 80x86 어셈블러 (Netwide Assembler Project) ================================================================= 소스코드는 Windows XP 환경에서 DJGPP 2.03 과 NASM 0.98.08 을 사용하여 테스트 하였습니다. 다른 버젼의 GCC 하에서는 몇가지 기술적인 문제로 동작하지 않을 수도 있기에 구체적인 컴파일러 임플리멘테이션을 알려두는 것입니다. 전제 : ===================================================================== - 여러분들이 Kernel 만들기를 처음 시도하는 사람이 아니라고 가정합니다. (기초적인 더미 커널이라도 만들어 본 사람이라고 가정 하겠습니다.) - 또한 C++ 프로그래밍 언어에 대해서도 이미 능숙하다고 가정합니다. - 마지막으로 부트 로더를 이미 작성해 보았거나 GRUB 과 같이 표준적인 부트로더를 사용하는 법을 알고 있다는 가정하에 이 글을 씁니다. ===================================================================== 만약 여러분들이 GRUB 을 사용한다면 어셈블러 코드가 필요없을 지도 모르기 때문입니다. Part 1. "Hello, world!" 커널 - 런타임 지원을 받지않는 C++ 커널 Part 1-1. 소개 이 강좌의 목표는 C++ 로 아주 단순한 커널을 어떻게 구현하는지 알려주기 위한 것입니다. 이 내용중에는 우리의 커널을 초기화 시키기위해서 약간의 어셈블러를 사용하게 되며 몇 가지 C++ 런타임 지원을 하기 위해 약간의 C 코드 또한 사용하게 됩니다. 끝으로 "Hello, world!" 를 출력하는 예제를 보일 것입니다. Part 1 에서는 런타임 지원을 받지 않고 개발하는 비디오 드라이버를 소개합니다. Part 2 에서는 전역(global) 객체와 정적(static) 객체를 사용가능하게 하는 런타임 지원에 대해서 소개합니다. Part 3 에서는 매우 간단한 std::cout(C++ 표준 라이브러리에서 표준 출력 스트림)을 구현하게 됩니다. 그리고 최종적인 결과물은 아래에 보이는 Andrew Koenig and Barbara E. Moo 의 저서인 Accelerated C++ 의 첫번째 예제가 될 것입니다. ============================================================= // 조그마한 C++ 커널 #include int main() { std::cout << "Hello, world!" << std::endl ; return 0 ; } ============================================================= (% edward : 커널이란 이름을 붙이기에는 -_-;;; ) Part 4 에서는 C++ 의 캡슐화를 사용하여 GDT(Global Descriptor Table)과 IDT(Interrupt Descriptor table) 을 설정합니다. Part 5 에서는 간단한 인터럽트 드리븐 방식의 키보드 드라이버를 소개합니다. Part 6 에서는 매우 단순한 std::string 에 구현에 대해서 소개하고, Part 7 에서는 매우 단순한 std::cin 의 구현에 대해서 소개합니다. 여기서의 최종적 결과물은 아래에 보이는 Andrew Koenig and Barbara E. Moo 의 저서인 Accelerated C++ 의 두번째 예제가 될 것입니다. ============================================================= // 조그마한 C++ 커널 #include #include int main() { // ask for the person's name std::cout << "Please enter your first name: " ; //read name std::string name ; // define name std::cin >> name ; // read into name // write a greeting std::cout << "Hello, " << name << "!" << std::endl ; return 0 ; } ============================================================= C++ 커널을 올리고 동작시키는 일은 C 커널을 올리고 동작시키는 것에 비해서는 더 복잡하지만 그로 인해 생기는 결과물은 C 커널보다는 좀더 유연한 객체 지향적인 커널을 가질 수 있다는 거죠. Part 1-2. C++ 로 커널을 작성할 때의 한계 C++ 의 창조자인 Bjarne Stroustrup 의 저서인 "The C++ programming language third edition" 의 section 1.3.1 을 인용하면 ================================================================ "new, delete, typeid, dynamic_cast 그리고 throw 오퍼레이터와 try-block 등을 제외한 나머지 C++ expression 과 statement 는 런타임 지원이 필요하지 않습니다." ================================================================ * 런타임 지원이 필요한 3가지 C++ 의 특징 ========================================= - 내장 함수 (new, delete) - 런타임 타입 정보 - RTTI(typeid, dynamic_cast) - 예외 처리(throw, try-block) ========================================= 그리고 Stroustrup 은 C++ 표준 라이브러리로 구현한 운영체제의 C++ 코드에 대해서도 언급했습니다. 이는 위의 것들을 커널 제작에서 사용할 수 있도록 한다는 이야기가 되죠. 또 좋은 소식은 대부분의 컴파일러에서 위의 3가지 특징들을 disable 시킬 수 있으며 커널 개발에 있어 금지된 expression 과 statement 들을 사용하지 않으면 되는 것입니다. 우리가 위의 3가지 특징들을 사용할 수 있을때 까지는 스스로 지원할 수 있게 하는 유사한 코드를 추가하여 우리의 커널에 그 코드를 링크 시키는 수 밖에 없습니다. ==================================================================================== * win32 g++ 컴파일러에서 위의 특징들을 사용하지 않게 하는 예 gxx -c *.cpp -ffreestanding -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -fno-exceptions (gxx - 컴파일러 이름 ex. gpp ) 링크 : Options Controlling C++ Dialect (http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/C---Dialect-Options.html#C++%20Dialect%20Options) ==================================================================================== (% edward : * ffreestanding 옵션은 freestanding 환경에 맞게 컴파일을 하게 됩니다. freestanding 환경이란 표준 라이브러리가 존재하지 않으며 이 환경에 맞게 작성된 프로그램은 반드시 main 함수에서 시작하지 않을지도 모르는 그런 환경을 말합니다. freestanding 환경에 가장 알맞은 예는 OS Kernel 정도가 되겠습니다. 그리고 묵시적으로 -fno-builtin 옵션을 포함합니다. 따라서 built-in function(내장함수)를 사용할 수 없습니다. * nostdlib 옵션은 표준 시스템의 시작 파일 혹은 라이브러리를 링킹할때는 사용해서는 안됩니다. 컴파일러는 System V(그리고 ISO C) 환경의 memcmp, memset, memcpy 를 호출하는 부분이나 BSD 환경의 bcopy, bzero 를 생성할지도 모릅니다. * fno-builtin 옵션은 __builtin_ prefix 로부터 해석을 시작하지 않게 합니다. 그 외에는 저 위의 링크나 manpage 를 참조해보세요. ) 그리고 나쁜 소식은 RTTI 함수들은 표준적인 방법이 아니라는 점과 EH 는 컴파일러에 구현된적이 있다는 점입니다. 그리고 같은 컴파일러의 다른 버젼 조차도 동작이 다릅니다. Part 2 에서는 이 문제에 대해서 좀 더 상세하게 다뤄보도록 할 것이므로 그러니 지금은 disable 하기로 하겠습니다. 컴파일러에서 제공하는 런타임의 지원을 disable 시키고 나면 컴파일 작업 시 컴파일러의 몇가지 기능이 제외됩니다. 컴파일러는 일반적으로 main() 함수를 호출하기 전, 그리고 main() 함수에서 return 한 후에 두 가지 함수를 호출합니다. 전형적으로 main() 함수를 호출하기 전에는 _main() 이란 함수를 호출하게 되고, return 한 후에는 _atexit() 라는 함수를 호출하게 되죠. 이 함수들은 global object 또는 static object 생성자와 소멸자를 처리합니다. global object 나 static object 도 지원하기 위해 필요한 코드를 추가할 때 까지는 사용할 수가 없습니다. 요약해보면 C++ 특징중 그 특징을 사용하기 위해 우리가 특별히 코드를 추가하지 않는 이상 사용할 수 없는 특징들은 아래와 같습니다. =================================================== - Built in functions (내장함수) - Run Time Type Information(RTTI) - Exception handling(예외처리) - The C/C++ standard library (C++ 표준 라이브러리) - global / static objects =================================================== Part 1-3. 코드 우리가 작성하게 될 커널의 main 함수를 호출하는 기능을 하는 ASM 코드로 부터 시작해봅시다. 나중에 이 코드는 _main()과 _atexit() 와 같은 우리의 런타임 지원을 위해서도 호출하게 될 것입니다. # source : Loader.asm ======================================================= ; Loader.asm [BITS 32] ; protected mode [global start] [extern _main] ; this is in our C++ code start: call _main ; call int main(void) from our C++ code cli ; interrupts could disturb the halt hlt ; halt the CPU ======================================================= 이제 우리의 C++ 커널에서 Video 라는 간단한 비디오 드라이버 역할을 하게 될 클래스를 작성합니다. 다음 코드가 커널을 위한 전체 코드 입니다. # source : Video.h ============================================================================= // Video.h #ifndef VIDEO_H #define VIDEO_H // Video.h 의 중복 선언을 막기 위해서 class Video { public: Video(); ~Video(); void clear(); void write(char *cp); void put(char c); private: unsigned short *videomem; // 비디오 메모리를 위한 포인터 unsigned int off; // y 좌표로 사용 할 offset unsigned int pos; // x 좌표로 사용 할 position }; // 세미콜론을 잊지마세요. #endif ============================================================================= # source : Video.cpp ============================================================================= // Video.cpp #include "Video.h" Video::Video() { pos=0; off=0; videomem = (unsigned short*) 0xb8000; } Video::~Video() {} void Video::clear() { unsigned int i; for(i=0; i<(80*25); i++) { videomem[i] = (unsigned char) ' ' | 0x0700; } pos=0; off=0; } void Video::write(char *cp) { char *str = cp, *ch; for (ch = str; *ch; ch++) { put(*ch); } } void Video::put(char c) { if(pos>=80) { pos=0; off += 80; } if(off>=(80*25)) { clear(); // 화면을 스크를 해야하지만 지금은 그냥 clear } videomem[off + pos] = (unsigned char) c | 0x0700; pos++; } ============================================================================= # source : Kernel.cpp ============================================================================= //Kernel.cpp #include "Video.h" int main(void) { Video vid; // local (global 변수는 런타임 지원 코드가 필요하기 때문에...) vid.write("Hello, world!"); } ============================================================================= Part 1-4. 컴파일 작업 Video.cpp 과 Kernel.cpp 을 컴파일하기 위해서는 C++ 컴파일러가 필요합니다. 그리고 우리가 위에서 언급했었던 커널에서 사용할 수 없는 C++ 의 몇 가지 특징들을 컴파일 과정에서 disable 시키는 것도 잊지 말아주세요. 여러분의 C++ 컴파일러로 부터 나온 결과물은 Video.o 그리고 Kernel.o 처럼 오브젝트 파일(object file)이어야 합니다. Loader.asm 파일은 어셈블러를 사용하여 어셈블 과정을 거쳐야 하며 여러분들이 사용하게 될 어셈블러로 부터 나온 결과물 또한 Loader.o 라는 오브젝트 파일이어야 합니다. DJGPP 의 gxx(C++ 컴파일러) 와 NASM(어셈블러)를 사용하여 컴파일 하는 예는 아래와 같습니다. ================================================================================= gxx -c Video.cpp -ffreestanding -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -fno-exceptions gxx -c Kernel.cpp -ffreestanding -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -fno-exceptions nasm -f aout Loader.asm -o Loader.o ================================================================================= Part 1-5. 링크 작업 이제 우리는 위에서 만들어진 3개의 오브젝트 파일(Video.o, Kernel.o, Loader.o)들을 가공되지 않은 순수한 바이너리(flat binary)로 링크하여 Kernel.bin 이라는 파일을 만들어야 합니다. 링크 작업은 매우 자주 하게 되므로 링커 스크립트(linker script)를 사용하기를 바랍니다. part 2 에서는 링커 스크립트를 작성하여 사용하게 될겁니다. 아래는 ld(링커)를 사용할 때의 링커 스크립트입니다. ================================================ /* Link.ld */ OUTPUT_FORMAT("binary") ENTRY(start) SECTIONS { .text 0x100000 : { code = .; _code = .; __code = .; *(.text) . = ALIGN(4096); } .data : { data = .; _data = .; __data = .; *(.data) . = ALIGN(4096); } .bss : { bss = .; _bss = .; __bss = .; *(.bss) . = ALIGN(4096); } end = .; _end = .; __end = .; } ================================================ 이제, 위의 링커 스크립트를 사용하여 ld 링커로 아래와 같이 링크 작업을 할 수 있습니다. ====================================================== ld -T Link.ld -o Kernel.bin Loader.o Kernel.o Video.o ====================================================== Part 1-6. 결론 여러분들의 C++ 커널(Kernel.bin)은 어떠한 에러도 없이 컴파일되고 링크되어야 합니다. 그렇게 되었나요 ? 축하합니다. (% edward : 이게 무슨 결론이라고 -_-;;;) Part 2. C++ 의 Global Object 와 Static Object 지원 하에 동작하는 "Hello, world!" 커널 Part 2-1. Compiler Specific - Warning * 해결책 1 - .ctor 와 .dtor 섹션 이 방법은 오브젝트 파일을 위한 .ctor 와 .dtor 라는 2 개의 섹션을 컴파일러에 추가하는 방법입니다. 만약에 여러분들이 이 해결책을 사용하려 한다면 아래의 4 Step 을 참고하시기 바랍니다. ////////////////////////////////////////////////////////////// Step 1 - local scope 에서 global scope 로 Video 오브젝트 옮기기 ////////////////////////////////////////////////////////////// ================================================ //Kernel.cpp #include "Video.h" Video vid ; //global variable int main(void) { vid.write("Hello, world!") ; } ================================================ ////////////////////////////////////////////////////////////// Step 2 - Kernel.cpp 을 런타임 지원이나 표준 라이브러리 없이 freestanding 환경에서 컴파일 하기 ////////////////////////////////////////////////////////////// ================================================ gxx -c Kernel.cpp -ffreestanding -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -fno-exceptions ================================================ (% edward : 옵션은 전부 한 라인에 입력해야 합니다. 문서에는 지면상 두 라인으로 표기했어요.^^) ////////////////////////////////////////////////////////////// Step 3 - 섹션의 내용을 보기위한 오브젝트 덤프 툴 사용하기 ////////////////////////////////////////////////////////////// ================================================ objdump -h Kernel.o > Kernel.dis ================================================ (objdump 의 결과를 Kernel.dis 라는 파일로 리다이렉션) ////////////////////////////////////////////////////////////// Step 4 - 텍스트 에디터를 사용하여 Kernel.dis 파일 열어보기 ////////////////////////////////////////////////////////////// 파일을 열어보면 아래와 비슷한 내용이 나오게 될 겁니다. ================================================= 7 .ctors 00000004 000000f4 000000f4 00000294 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, DATA 8 .dtors 00000004 000000f8 000000f8 00000298 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, DATA. ================================================= Part 2-2. 코드(The code) 이제 우리는 _main() 함수와 _atexit() 함수를 구현하게 될겁니다. 그리고 우리의 링커 스크립트에서 .ctor 섹션에 생성자 포인터 리스트를 생성하고, .dtor 섹션에는 소멸자 포인터 리스트를 생성할 것 입니다. 알림 - 리스트는 우선순위 순으로 정렬되지 않습니다. # source : Support.c ============================================================= //Support.c void _main() { // Walk and call the constructors in the ctor_list // the ctor list is defined in the linker script extern void (*_CTOR_LIST__)() ; //hold current constructor in list void (**constructor)() = &_CTOR_LIST__ ; //the first int is the number of constructors int total = *(int *)constructor ; //increment to first constructor constructor++ ; while(total) { (*constructor)() ; total-- ; constructor++ ; } } void _atexit() { //Walk and call the deconstructors in the dtor_list //the dtor list is defined in the linker script extern void (*_DTOR_LIST__)() ; //hold current deconstructor in list void (**deconstructor)() = &_DTOR_LIST__ ; //the first int is the number of deconstructors int total = *(int *)deconstructor ; //increment to first deconstructor deconstructor++ ; while(total) { (*deconstructor)() ; total-- ; deconstructor++ ; } } ============================================================= ============================================================= ; Loader.asm [BITS 32] ; protected mode [global start] [extern _main] ; this is in our C++ code [extern __main] ; this is in our C support code [extern __atexit] ; this is in our C support code start: call __main call _main ; call int main(void) from our C++ code call __atexit cli ; interrupts could disturb the halt hlt ; halt the CPU /* Link.ld */ OUTPUT_FORMAT("binary") ENTRY(start) SECTIONS { .text 0x100000 : { code = .; _code = .; __code = .; *(.text) . = ALIGN(4096); } .data : { __CTOR_LIST__ = .; LONG((__CTOR_END__ - __CTOR_LIST__) / 4 - 2) *(.ctors) LONG(0) __CTOR_END__ = .; __DTOR_LIST__ = .; LONG((__DTOR_END__ - __DTOR_LIST__) / 4 - 2) *(.dtors) LONG(0) __DTOR_END__ = .; data = .; _data = .; __data = .; *(.data) . = ALIGN(4096); } .bss : { bss = .; _bss = .; __bss = .; *(.bss) . = ALIGN(4096); } end = .; _end = .; __end = .; } ============================================================= Part 2-3. 결론 컴파일과 링크는 Part 1에서 했던것과 동일합니다. 여러분은 이제부터 여러분들이 작성할 C++ 커널에서 Global 객체와 Static 객체를 사용할 수 있습니다. Part 3 에서는 namespace std 에 있는 단순한 OStream 클래스의 구현에 대해 보게 될 것입니다. 그리고 OStream의 global 인스턴스(instance) 인 cout 을 사용할 것입니다. ======================================================================== * edward 의 문서 작성후기 음 -_-;; 그냥 간만에 켄신 TV 판을 보다가 할 짓이 없어서 ... 끼적 끼적 작업했습니다. 파트 3 부터는 어딧는지 안보이더라구요 작업하다가 말았는지 보이질 않아서 여기까지만 했어요. 또 시간이 나면 저도 문서에 대한 좀더 섬세한 검증 작업을 하겠지만 저는 C++ 을 딱 한번 만져봤습니다... 누군가의 부탁을 받아서 간단한 C++ 프로그램을 작성해봤을뿐 그 외에는 아는 바가 전혀 없으므로 오류가 있을 수도 있습니다. 오류가 있는 부분은 메일로 보내 주시면 감사하겠습니다. ======================================================================== ======================================================================== * Change Log (bout Documentation) - v 0.0.2 (2000.00.00) ========================================================================