基于Redhat 9.0實(shí)現(xiàn)Linux 0.01編譯與運(yùn)行

于江濤，曲 波

(1.通化師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，吉林 通化 134002；2.南京曉莊學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211171)

作為一種開(kāi)源軟件，Linux操作系統(tǒng)自問(wèn)世以來(lái)發(fā)展迅速，成為主流操作系統(tǒng)之一.由于其開(kāi)放性，被國(guó)內(nèi)外眾多大學(xué)作為操作系統(tǒng)課程的教學(xué)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái).然而隨著Linux版本的不斷增長(zhǎng)，其代碼量也飛速膨脹，當(dāng)前Linux操作系統(tǒng)代碼量已達(dá)數(shù)百萬(wàn)行之多.對(duì)如此龐大的源代碼作分析研究，對(duì)于普通工程技術(shù)人員及本科計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生而言顯然是無(wú)能為力的.

Linux 0.01是Linux操作系統(tǒng)創(chuàng)始人Linus最早實(shí)現(xiàn)的一個(gè)操作系統(tǒng)版本，其全部代碼總共只有9000行左右.盡管代碼量不是很大，卻實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)所需要的基本功能[1].

首先，它是一個(gè)真正的多任務(wù)系統(tǒng)，具有內(nèi)核模態(tài)和用戶(hù)模態(tài)，通過(guò)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)功能.其次，它具備了多用戶(hù)系統(tǒng)的基本功能；盡管沒(méi)有多用戶(hù)登錄功能，但在很多方面，如文件的訪問(wèn)權(quán)限、進(jìn)程的信號(hào)處理等，都已經(jīng)體現(xiàn)出多用戶(hù)的管理機(jī)制.第三，它具備了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的四個(gè)主要部分：進(jìn)程管理、設(shè)備管理、內(nèi)存管理及文件系統(tǒng).第四，它是一個(gè)真正的操作系統(tǒng)，能夠在X86保護(hù)模式硬件環(huán)境下獨(dú)立啟動(dòng)，而不是一個(gè)寄生在其它操作系統(tǒng)環(huán)境下的模擬系統(tǒng).第五，它可以在Shell環(huán)境下運(yùn)行，執(zhí)行常用的Linux基本命令.

總之，Linux 0.01結(jié)構(gòu)清晰、代碼規(guī)模較小，比較適合于初學(xué)者分析學(xué)習(xí).

由于Linux 0.01是Linux的早期版本，因此其編譯環(huán)境及運(yùn)行環(huán)境與當(dāng)前版本有巨大差別，而當(dāng)年的開(kāi)發(fā)及運(yùn)行環(huán)境已不復(fù)存在，所以無(wú)法對(duì)其原始版本直接編譯運(yùn)行，需要對(duì)其源碼作必要修改.然而從目前情況來(lái)看，各種修改版本基本上只是實(shí)現(xiàn)了在當(dāng)前操作系統(tǒng)環(huán)境下的編譯鏈接.所謂運(yùn)行，也只是在X86保護(hù)方式下引導(dǎo)啟動(dòng)，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)根文件系統(tǒng)，因此也就無(wú)法使用Shell環(huán)境.

對(duì)Linux 0.01及Linux 0.11的文件系統(tǒng)源代碼[2，3]進(jìn)行對(duì)比分析，不難發(fā)現(xiàn)二者在文件系統(tǒng)方面沒(méi)有本質(zhì)差別.二者都是使用早期的Minix文件系統(tǒng)，尤其是其運(yùn)行可執(zhí)行文件部分的主要代碼基本一致.筆者參照Linux 0.11源代碼，對(duì)Linux0.01與Shell運(yùn)行相關(guān)的代碼部分作了精心修改，并增加了動(dòng)態(tài)鏈接系統(tǒng)調(diào)用，使用Linux 0.11的根文件系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了Linux 0.01的啟動(dòng)運(yùn)行，可在Shell環(huán)境下執(zhí)行Linux基本命令，還可用GCC編譯運(yùn)行C語(yǔ)言程序.

1 Linux 0.01改造的關(guān)鍵技術(shù)及編程要點(diǎn)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

Linux 0.01改造[1]的關(guān)鍵技術(shù)在于：

(1)編譯環(huán)境的選擇.考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性及方便性，筆者采用Redhat 9.0平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，GNU工具鏈作為開(kāi)發(fā)工具.

由于Linux 0.01使用了匯編程序，因此涉及到匯編器的選擇.Linux 0.01從一開(kāi)始就使用GNU工具鏈作開(kāi)發(fā)工具，而且除boot.s外的所有匯編程序都使用AT&T語(yǔ)法，所以使用GNU工具鏈的AT&T語(yǔ)法匯編器是最佳選擇.

(2)源代碼語(yǔ)法的修改.由于匯編器及編譯器的改變，涉及到源代碼語(yǔ)法的差別.在匯編語(yǔ)言程序中，主要是變量名的命名等；在C語(yǔ)言程序中主要是內(nèi)嵌匯編(embedded assembly)語(yǔ)法等.

(3)源程序功能的修改.主要是init()函數(shù)的修改，使之更適于Shell命令調(diào)用；其次是增加與動(dòng)態(tài)鏈接相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用.

由于多數(shù)Shell命令運(yùn)行時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)鏈接庫(kù)支持，所以動(dòng)態(tài)鏈接系統(tǒng)調(diào)用是必要的先決條件.

(4)根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建.根文件系統(tǒng)是Linux0.01啟動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，由于編譯版本及文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原因，不能直接采用當(dāng)前Linux操作系統(tǒng)的根文件系統(tǒng).筆者在網(wǎng)上下載了多個(gè)Linux 0.11版本的根文件系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)比較，最后選定了一個(gè)較合適的版本作為L(zhǎng)inux 0.01的根文件系統(tǒng)，其鏡像文件容量為60M，CHS結(jié)構(gòu)為121個(gè)柱面、4個(gè)磁頭、每道63扇區(qū).

1.2 編程要點(diǎn)[1，3]

(1)修改Makefile文件.首先，修改工具名稱(chēng)，gas改為as，gld改為ld，gar改為ar.其次，修改匯編選項(xiàng)，將匯編器(as)的-c選項(xiàng)去掉，將編譯器(gcc)的-fcombin-regs及-mstring-insns選項(xiàng)去掉.第三，增加-m386選項(xiàng)，使之不含80486及以上CPU指令，使內(nèi)核可以在80386機(jī)器上運(yùn)行.

所有子目錄中的Makefile都要依據(jù)上述要求作相應(yīng)修改.

(2)改寫(xiě)boot/boot.s文件.該文件是Linux 0.01的bootloader，當(dāng)年Linus是用as86匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的.為統(tǒng)一使用GNU工具鏈匯編器as，需要將該文件按AT&T語(yǔ)法重寫(xiě).

由于該程序規(guī)模較小，直接手工改寫(xiě)并不困難.也可以用INTEL-AT&T轉(zhuǎn)換工具，但一般也還需要手工整理.

值得注意的是，as匯編后的默認(rèn)格式為ELF，要將boot目標(biāo)文件作為引導(dǎo)扇區(qū)鏡像，還需要用objcopy將其轉(zhuǎn)換成純二進(jìn)制鏡像文件.

與之相關(guān)，tools/build.c也要作相應(yīng)修改，以適應(yīng)新的boot鏡像文件.

(3)匯編程序的修改.首先是C語(yǔ)言程序引用變量的表示方法，早期的匯編程序要在引用變量前加一下劃線“_”，而現(xiàn)在的GCC編譯器可直接識(shí)別，因此需要將所有引用變量前的下劃線去掉.其次是內(nèi)存對(duì)齊指令align值的修改，早期版本用乘方數(shù)表示，而現(xiàn)在版本直接使用其值(如早期的align 2，現(xiàn)在表示為align 4).

(4)C語(yǔ)言?xún)?nèi)嵌匯編的修改.Linus當(dāng)年在Linux 0.01中大量使用內(nèi)嵌匯編.隨著匯編器和編譯器版本的增加，內(nèi)嵌匯編的語(yǔ)法有很大改變，主要是不再需要人工指定變量所使用的CPU寄存器.

因此要去掉所有_asm__(“ax”)代碼，以及內(nèi)嵌匯編代碼中所有對(duì)寄存器內(nèi)容的無(wú)效聲明，例如：

…:“cx”，“di”，“si”)

應(yīng)改為

…)

1.3 init()函數(shù)關(guān)鍵代碼簡(jiǎn)介

筆者對(duì)init()函數(shù)作了修改，使之更適用于Shell的運(yùn)行，其關(guān)鍵代碼如下：

static char * argv[] ={“-”，NULL};

static char * envp[]={“HOME=/usr/root”，NULL};

static char * vmsg=“ Linux-0.01-rh9===”;

static char * gmsg=“Adapted... ”;

void init(void)

{int i，pid;

setup();

(void) open(“/dev/tty0”，O_RDWR，0);

(void) dup(0);(void) dup(0);

printf(“%d buffers=%d bytes buffer space ”，NR_BUFFERS，NR_BUFFERS*BLOCK_SIZE);

printf(vmsg);printf(gmsg);

while(1){

if((i=fork())<0)

printf(“Fork failed in init ”);

else if (!i){

close(0);close(1);close(2);

setsid();

(void) open(“/dev/tty0”，O_RDWR，0);

(void) dup(0);(void) dup(0);

_exit(execve(“/bin/sh”，argv，envp));

}

pid=wait(&i);

printf(“child %d died with code %04x ”，pid，i);

sync();

}

_exit(0);/* NOTE! _exit， not exit()*/

}

該函數(shù)首先調(diào)用setup()函數(shù)，讀入硬盤(pán)分區(qū)參數(shù)，裝入(mount)根文件系統(tǒng)；然后，用讀寫(xiě)方式打開(kāi)tty終端設(shè)備，并返回標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備句柄，dup(0)用來(lái)復(fù)制句柄，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸出及標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出句柄；接下來(lái)顯示系統(tǒng)信息及版本信息；最后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，在其中創(chuàng)建子進(jìn)程，在子進(jìn)程中首先關(guān)閉父進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出及標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤輸出，然后重新以讀寫(xiě)方式打開(kāi)tty設(shè)備并復(fù)制及柄；最后調(diào)用execve()函數(shù)，由該函數(shù)將Shell命令(/bin/sh)裝入內(nèi)存并運(yùn)行；wait()函數(shù)使父進(jìn)程暫時(shí)阻塞，等待子進(jìn)程終止.

當(dāng)子進(jìn)程中的Shell程序終止時(shí)，引起_exit()函數(shù)的執(zhí)行返回，使子進(jìn)程終止；這時(shí)，父進(jìn)程被喚醒，產(chǎn)生一條系統(tǒng)提示后進(jìn)入下一輪循環(huán).

2 Linux 0.01編譯運(yùn)行實(shí)例

筆者基于Redhat 9.0平臺(tái)，按照上述方法成功改造了Linux 0.01系統(tǒng)，在bochs虛擬機(jī)成功運(yùn)行，其運(yùn)行腳本的關(guān)鍵代碼如下：

megs:16

floppya:1_44=“l(fā)inux-fd.img”，status=inserted

ata0-master: type=disk，path=“hdc-0.11.img”，mode=flat，cylinders=121，heads=16，spt=63

boot: a

上述腳本表示：虛擬機(jī)內(nèi)存容量為16M；使用的軟盤(pán)鏡像文件為linux-fd.img；硬盤(pán)鏡像文件為hdc-0.11.img，其CHS結(jié)構(gòu)為121個(gè)柱面、16個(gè)磁頭、每道63個(gè)扇區(qū)；操作系統(tǒng)由A盤(pán)引導(dǎo)啟動(dòng).

圖1顯示了運(yùn)行的結(jié)果.操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先顯示系統(tǒng)信息及版本信息，然后調(diào)用Shell命令，等待用戶(hù)鍵盤(pán)輸入.

在本例中，演示了如下命令：

df命令，列出了當(dāng)前裝入系統(tǒng)的文件設(shè)備；

pwd命令，列出當(dāng)前工作目錄；

ls命令，顯示當(dāng)前目錄內(nèi)容；

rm命令，刪除hello文件；

gcc命令，編譯鏈接C語(yǔ)言程序hello.c，生成可執(zhí)行文件hello.

./hello，運(yùn)行用GCC編譯鏈接生成的可執(zhí)行文件hello，顯示運(yùn)行結(jié)果：Hello，world!

圖1 Linux 0.01改進(jìn)版的運(yùn)行演示

3 結(jié)束語(yǔ)

Linux 0.01雖然是Linux的早期版本，但具備了操作系統(tǒng)最重要最基本的組成部分；其規(guī)模較小，便于初學(xué)者及計(jì)算機(jī)本科專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)研究.本文提出的方法實(shí)現(xiàn)了Linux 0.01版在Redhat 9.0平臺(tái)下的編譯鏈接，并在bochs虛擬機(jī)上運(yùn)行成功，具有重要的實(shí)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]盧軍.Linux 0.01內(nèi)核分析與操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]Pramode C.E，Gopakumar C.E.The Linux Kernel 0.01 Commentary [EB/OL].http://ranger.uta.edu/～dliu/courses/os/kc.pdf，2008.

[3]趙炯.Linux內(nèi)核完全注釋[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.