基于Redhat 9.0實現(xiàn)Linux 0.01編譯與運行

于江濤，曲 波

(1.通化師范學院 計算機科學系，吉林 通化 134002；2.南京曉莊學院 數(shù)學與信息技術學院，江蘇 南京 211171)

作為一種開源軟件，Linux操作系統(tǒng)自問世以來發(fā)展迅速，成為主流操作系統(tǒng)之一.由于其開放性，被國內外眾多大學作為操作系統(tǒng)課程的教學平臺及實驗平臺.然而隨著Linux版本的不斷增長，其代碼量也飛速膨脹，當前Linux操作系統(tǒng)代碼量已達數(shù)百萬行之多.對如此龐大的源代碼作分析研究，對于普通工程技術人員及本科計算機專業(yè)學生而言顯然是無能為力的.

Linux 0.01是Linux操作系統(tǒng)創(chuàng)始人Linus最早實現(xiàn)的一個操作系統(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，卻實現(xiàn)了操作系統(tǒng)所需要的基本功能[1].

首先，它是一個真正的多任務系統(tǒng)，具有內核模態(tài)和用戶模態(tài)，通過進程實現(xiàn)系統(tǒng)的多任務功能.其次，它具備了多用戶系統(tǒng)的基本功能；盡管沒有多用戶登錄功能，但在很多方面，如文件的訪問權限、進程的信號處理等，都已經體現(xiàn)出多用戶的管理機制.第三，它具備了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的四個主要部分：進程管理、設備管理、內存管理及文件系統(tǒng).第四，它是一個真正的操作系統(tǒng)，能夠在X86保護模式硬件環(huán)境下獨立啟動，而不是一個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)境下運行，執(zhí)行常用的Linux基本命令.

總之，Linux 0.01結構清晰、代碼規(guī)模較小，比較適合于初學者分析學習.

由于Linux 0.01是Linux的早期版本，因此其編譯環(huán)境及運行環(huán)境與當前版本有巨大差別，而當年的開發(fā)及運行環(huán)境已不復存在，所以無法對其原始版本直接編譯運行，需要對其源碼作必要修改.然而從目前情況來看，各種修改版本基本上只是實現(xiàn)了在當前操作系統(tǒng)環(huán)境下的編譯鏈接.所謂運行，也只是在X86保護方式下引導啟動，并沒有實現(xiàn)根文件系統(tǒng)，因此也就無法使用Shell環(huán)境.

對Linux 0.01及Linux 0.11的文件系統(tǒng)源代碼[2，3]進行對比分析，不難發(fā)現(xiàn)二者在文件系統(tǒng)方面沒有本質差別.二者都是使用早期的Minix文件系統(tǒng)，尤其是其運行可執(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Linux0.01與Shell運行相關的代碼部分作了精心修改，并增加了動態(tài)鏈接系統(tǒng)調用，使用Linux 0.11的根文件系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了Linux 0.01的啟動運行，可在Shell環(huán)境下執(zhí)行Linux基本命令，還可用GCC編譯運行C語言程序.

1 Linux 0.01改造的關鍵技術及編程要點

1.1 關鍵技術

Linux 0.01改造[1]的關鍵技術在于：

(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平臺作為開發(fā)環(huán)境，GNU工具鏈作為開發(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從一開始就使用GNU工具鏈作開發(fā)工具，而且除boot.s外的所有匯編程序都使用AT&T語法，所以使用GNU工具鏈的AT&T語法匯編器是最佳選擇.

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

(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命令調用；其次是增加與動態(tài)鏈接相關的系統(tǒng)調用.

由于多數(shù)Shell命令運行時需要動態(tài)鏈接庫支持，所以動態(tài)鏈接系統(tǒng)調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啟動運行的基礎，由于編譯版本及文件系統(tǒng)結構的原因，不能直接采用當前Linux操作系統(tǒng)的根文件系統(tǒng).筆者在網上下載了多個Linux 0.11版本的根文件系統(tǒng)，經實驗比較，最后選定了一個較合適的版本作為Linux 0.01的根文件系統(tǒng)，其鏡像文件容量為60M，CHS結構為121個柱面、4個磁頭、每道63扇區(qū).

1.2 編程要點[1，3]

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

所有子目錄中的Makefile都要依據(jù)上述要求作相應修改.

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

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

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

與之相關，tools/build.c也要作相應修改，以適應新的boot鏡像文件.

(3)匯編程序的修改.首先是C語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編譯器可直接識別，因此需要將所有引用變量前的下劃線去掉.其次是內存對齊指令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語言內嵌匯編的修改.Linus當年在Linux 0.01中大量使用內嵌匯編.隨著匯編器和編譯器版本的增加，內嵌匯編的語法有很大改變，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，以及內嵌匯編代碼中所有對寄存器內容的無效聲明，例如：

…:“cx”，“di”，“si”)

應改為

…)

1.3 init()函數(shù)關鍵代碼簡介

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

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)首先調用setup()函數(shù)，讀入硬盤分區(qū)參數(shù)，裝入(mount)根文件系統(tǒng)；然后，用讀寫方式打開tty終端設備，并返回標準輸入設備句柄，dup(0)用來復制句柄，產生標準輸出及標準錯誤輸出句柄；接下來顯示系統(tǒng)信息及版本信息；最后進入無限循環(huán)，在其中創(chuàng)建子進程，在子進程中首先關閉父進程的標準輸入、標準輸出及標準錯誤輸出，然后重新以讀寫方式打開tty設備并復制及柄；最后調用execve()函數(shù)，由該函數(shù)將Shell命令(/bin/sh)裝入內存并運行；wait()函數(shù)使父進程暫時阻塞，等待子進程終止.

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

2 Linux 0.01編譯運行實例

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

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：虛擬機內存容量為16M；使用的軟盤鏡像文件為linux-fd.img；硬盤鏡像文件為hdc-0.11.img，其CHS結構為121個柱面、16個磁頭、每道63個扇區(qū)；操作系統(tǒng)由A盤引導啟動.

圖1顯示了運行的結果.操作系統(tǒng)啟動后，首先顯示系統(tǒng)信息及版本信息，然后調用Shell命令，等待用戶鍵盤輸入.

在本例中，演示了如下命令：

df命令，列出了當前裝入系統(tǒng)的文件設備；

pwd命令，列出當前工作目錄；

ls命令，顯示當前目錄內容；

rm命令，刪除hello文件；

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

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

圖1 Linux 0.01改進版的運行演示

3 結束語

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，便于初學者及計算機本科專業(yè)學生學習研究.本文提出的方法實現(xiàn)了Linux 0.01版在Redhat 9.0平臺下的編譯鏈接，并在bochs虛擬機上運行成功，具有重要的實用價值.

參考文獻：

[1]盧軍.Linux 0.01內核分析與操作系統(tǒng)設計[M].北京：清華大學出版社，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內核完全注釋[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.