几行代码演示linux kernel、libc、userSpace app的关系

news2024/9/27 21:26:29

问一：编译出来的Linux内核镜像(".\build\arch\arm64\boot\Image")，可以单独运行吗？
答案是能，但是加载完就提示panic，然后死掉了。

原因是：
内核代码加载完后，一定要切换到低权限模式运行，
内核是设计来为运行于低CPU权限的 "userSpace app" 服务的。

内核切换到低权限模式去运行的方式，就是去运行一个普通程序——用户态的可执行文件。
注意了，这是必须的！

用户态的可执行文件，下文称为 userapp。

问二：内核加载完成后，去哪找这个userapp？
答案是挂载的rootfs文件系统中，挂载路径是 "/"，
要“正常”运行内核，必须要有一个包含着userapp的文件系统，userapp数量至少得有一个以上。

问三：最小的linux userapp / 最小的rootfs镜像，应该是这样！
userapp 源文件名：loop.S 一个 arm64汇编代码写的源文件。

.data

.text
.globl main
main:
	b		.	/** 等效于 while(1); **/

编译、打包：

编译：
bin/aarch64-none-elf-gcc -c -fno-builtin -o init.o  loop.S
bin/aarch64-none-elf-ld  -e main init.o -o init

打包：
find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img

即可得到一个史上最最最最小的rootfs——能让内核正常启动哦。。。
只不过它不会有任何输出，它的作用，仅仅是让内核不会panic死掉。

重要的编译参数：-fno-builtin，让编译器不要链接它自带的libc代码，不论是动态的还是静态的。
因为这个loop.S啥也没干，不用libc中的代码。

这份代码用C语言同样可以实现：

int main()
{
    while(1);

    return 0;
}

编译的指令为：

bin/aarch64-none-elf-gcc -c -fno-builtin -o init.o  init.c
bin/aarch64-none-elf-ld  -e main init.o -o init

find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img

用qemu-aacrh64.exe加载这份rootfs.img+内核镜像：

"/mnt/d/Program Files/qemu/qemu-system-aarch64.exe" \
-kernel ".\build\arch\arm64\boot\Image" \
-initrd ".\build\rootfs.img" \
-append "root=/dev/ram0 rootfstype=ramfs rw init=/init" \
-nographic -machine virt-6.2,gic-version=3,secure=on,virtualization=on -cpu cortex-a53 -m 1024 -semihosting

最重要的部分来了。

上面这个userapp要如何调用内核提供的函数——syscall机制在arm64上如何实现？
直接上代码：loop.S 进化为 -> init.S ：

.data

msg:
    .ascii        "Hello, ARM64!\n"
len = . - msg

.text

.globl main
main:
    /* syscall write(int fd, const void *buf, size_t count) */
    mov     x0, #1      /* fd := STDOUT_FILENO */
    ldr     x1, =msg    /* buf := msg */
    ldr     x2, =len    /* count := len */
    mov     w8, #64     /* write is syscall #64 */
    svc     #0          /* invoke syscall */
	
	b		.

    /* syscall exit(int status) */
    mov     x0, #0      /* status := 0 */
    mov     w8, #93     /* exit is syscall #1 */
    svc     #0          /* invoke syscall */

这段userapp代码的作用，大致等效于：
write(STDOUT, "Hello, ARM64!\n"，字符串长度);
或者
printf("Hello, ARM64!\n");

编译指令：

bin/aarch64-none-elf-gcc -c -fno-builtin -o init.o  init.S
bin/aarch64-none-elf-ld  -e main init.o -o init

find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img

ARM64汇编代码中，系统调用的关键指令是 svc 。
上面的汇编代码，调用了内核提供的 write 函数—— 以这种汇编代码封装的方式，libc 运行库封装了内核实现的一两千函数。

libc 就是这么来的，类似的库，还有很多，newlibc, glibc, bonic ...