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AI가 자동으로 큐레이션·번역·정리하는 기술 동향 피드입니다.
이 프로젝트는 x86 시스템 프로그래밍 학습을 위해 수십 개의 최소 운영체제(OS) 예제를 제공합니다. QEMU나 Bochs 같은 에뮬레이터를 사용하여 이 OS들을 실행하고, 실제 하드웨어에 USB로 플래싱하는 방법을 안내합니다.
AI 자동 생성 콘텐츠
본 콘텐츠는 GitHub ML Hardware의 원문을 AI가 자동으로 요약·번역·분석한 것입니다. 원 저작권은 원저작자에게 있으며, 정확한 내용은 반드시 원문을 확인해 주세요.
원문 바로가기x86 시스템 프로그래밍을 학습하기 위한 수십 개의 최소 운영체제(OS)입니다. QEMU 2.11과 실제 하드웨어의 Ubuntu 18.04 호스트에서 테스트되었습니다. 유저랜드 치트(Userland cheat)는 다음에서 확인 가능합니다: https://github.com/cirosantilli/linux-kernel-module-cheat#userland-assembly ARM baremetal 설정은 다음에서 확인 가능합니다: https://github.com/cirosantilli/linux-kernel-module-cheat#baremetal-setup
먼저 이 소개 글을 읽어보세요: https://stackoverflow.com/questions/22054578/how-to-run-a-program-without-an-operating-system/32483545#32483545
그런 다음 Ubuntu에서:
./configure make
최상위 레벨의 모든 .S 파일은 운영체제입니다! 이들은 해당되는 .img 파일로 컴파일됩니다.
기본 OS를 QEMU에서 실행하려면:
./run
특정 OS를 실행하려면:
./run bios_hello_world ./run bios_putc
예시는 다음에서 설명합니다:
확장자는 완벽한 탭 자동 완성(tab completion)을 위해 무시되므로, 다음은 모두 동일합니다:
./run min ./run min. ./run min.S ./run min.img
QEMU 대신 Bochs를 사용하려면:
./run bios_hello_world bochs
그런 다음 터미널에서 다음으로 시뮬레이션을 시작합니다:
c
Bochs를 종료하려면 다음 중 하나를 수행하세요:
quit을 입력한 후 엔터를 누릅니다.TODO: 이 단계를 자동화합니다.
참고 문헌(Bibliography): https://stackoverflow.com/questions/6142925/how-can-i-use-bochs-to-run-assembly-code/32871939#32871939
USB를 삽입하고, 다음 명령어로 장치(/dev/sdX)를 확인합니다:
sudo lsblk sudo fdisk -l
실행하려는 .img 파일을 선택하고:
sudo dd if=bios_hello_world.img of=/dev/sdX
그런 다음:
작업을 마쳤으면 전원 버튼을 눌러 종료하면 됩니다.
예를 들어, 제 T430에서는 다음과 같이 보입니다.
전원을 켠 후에는 부팅 메뉴로 진입하기 위해 Enter 키를 눌러야 합니다:
그런 다음, 여기서는 F12 키를 눌러 USB를 부팅 장치로 선택해야 합니다:
그렇게 하면 다음과 같이 USB를 부팅 장치로 선택할 수 있습니다:
또는, 부팅 순서를 변경하여 USB가 더 높은 우선순위를 갖도록 설정하면 매번 수동으로 선택할 필요가 없습니다. 이 경우 'Startup Interrupt Menu' 화면에서 F1 키를 누른 다음 다음 경로로 이동합니다:
GRUB에서 부팅 가능한 모든 예제를 포함하는 big.img 생성하기:
make big.img
이제 다음과 같이 실행하면:
sudo dd if=big.img of=/dev/sdX
단일 USB 플래싱으로 여러 예제를 테스트할 수 있어 훨씬 빠릅니다.
재미로 QEMU에서 big image를 시도해 볼 수도 있습니다:
qemu-system-i386 -hda big.img
또한 F12 BIOS 메뉴에서 USB가 첫 번째로 오도록 부팅 순서를 변경하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 매번 F12 키를 누르지 않아도 됩니다.
TODO: STAGE2를 로드하는 부트 섹터가 big image chainloader와 작동하지 않습니다. TODO 왜일까요?
Ubuntu 환경이 없다면, 첫 실행을 위해 다음과 같은 쉬운 대안이 있습니다:
sudo docker run --interactive --tty --name xbme --net=host ubuntu:18.04 bash
그리고 이후 실행은 다음과 같습니다:
sudo docker start xbme sudo docker exec --interactive --tty xbme bash sudo docker stop xbme
나중에 컨테이너를 삭제하려면:
그 후 게스트 환경에서 정상적으로 진행합니다: 패키지 설치 및 빌드:
apt-get update &&
apt-get install -y git &&
git clone https://github.com/cirosantilli/x86-bare-metal-examples &&
cd x86-bare-metal-examples &&
./configure -y &&
make
GUI가 부족한 문제를 해결하기 위해, 기본 SDL 대신 QEMU의 VNC 구현을 사용할 수 있습니다. 이는 --net=host 때문에 호스트에서 보입니다.
:
./run bios_hello_world run -vnc :0
그리고 호스트에서는:
sudo apt-get install vinagre vinagre localhost:5900
프로그램을 GDB로 단계별 디버깅하려면 다음과 같이 실행합니다:
./run bios_hello_world debug
이는 프로그램이 실행하는 첫 번째 명령어에서 멈추게 됩니다. 즉, 우리의 BEGIN 매크로의 시작점입니다.
다만, 이것이 QEMU가 실제로 실행하는 가장 첫 번째 명령어는 아니라는 점에 유의해야 합니다. 실제로는 우리 프로그램보다 먼저 실행되는 BIOS 설정 코드가 있을 것입니다.
그 후에는 일반적인 사용자 영역(userland) 프로그램을 디버깅하듯이 기본적으로 작업할 수 있습니다. 특히 다음을 참고하세요:
ni는 매크로를 건너뛰고 -
ni는 매크로 내부에서 스텝합니다. 하지만 어디에 있는지 확인하려면 GDB Dashboard에서 어셈블리 코드 출력 기능을 활성화해야 합니다.
이러한 God-like한 GDB Dashboard 설정으로, 89cbe7be83f164927caebc9334bc42990e499cb1 지점에서는 다음과 같은 완벽한 프로그램 보기를 확인할 수 있습니다:
1 /* https://github.com/cirosantilli/x86-bare-metal-examples#bios-hello-world */ 2 3 #include "common.h" 4 BEGIN 5 mov $msg, %si 6 mov $0x0e, %ah 7 loop: 8 lodsb 9 or %al, %al 10 jz halt 11 int $0x10 12 jmp loop
─── 어셈블리 (Assembly) ────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
0x00007c00 __start+0 cli
0x00007c01 __start+1 ljmp $0xc031,$0x7c06
0x00007c08 __start+8 mov %eax,%ds
0x00007c0a __start+10 mov %eax,%es
0x00007c0c __start+12 mov %eax,%fs
0x00007c0e __start+14 mov %eax,%gs
0x00007c10 __start+16 mov %eax,%ebp
0x00007c12 __start+18 mov %eax,%ss
0x00007c14 __start+20 mov %ebp,%esp
─── 레지스터 (Registers) ───────────────────────────────────────────────────────────────────────────
eax 0x0000aa55 ecx 0x00000000 edx 0x00000080 ebx 0x00000000 esp 0x00006f04 ebp 0x00000000 esi 0x00000000 edi 0x00000000 eip 0x00007c00 eflags [ IF ] cs 0x00000000 ss 0x00000000 ds 0x00000000 es 0x00000000 fs 0x00000000 gs 0x00000000
─── 스택 (Stack) ───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
[0] from 0x00007c00 in __start+0 at bios_hello_world.S:4 (no arguments)
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────>>>
디버그 심볼(Debug symbols)은 먼저 ELF 파일을 링크한 다음, objcopy를 사용하여 얻을 수 있습니다.
최종 이미지를 생성하도록 합니다. 그런 다음 디버그 정보를 가진 ELF 파일을 GDB에 전달합니다: https://stackoverflow.com/questions/32955887/how-to-disassemble-16-bit-x86-boot-sector-code-in-gdb-with-x-i-pc-it-gets-tr/32960272#32960272
int 호출 건너뛰기(step over) 방법: http://stackoverflow.com/questions/24491516/how-to-step-over-interrupt-calls-when-debugging-a-bootloader-bios-with-gdb-and-q
특정 opcode에서까지 단일 스텝(Single stepping)하는 것이 때때로 도움이 될 수 있습니다: https://stackoverflow.com/questions/14031930/break-on-instruction-with-specific-opcode-in-gdb/31249378#31249378
TODO: 제어 레지스터(control registers)에서 16비트인지 32비트인지 자동으로 감지하는 기능. 현재는 16과 32라는 두 함수를 사용하여 수동으로 전환하고 있는데, 이게 별로입니다. 문제는 이들을 직접 읽을 수 없다는 것입니다: http://stackoverflow.com/a/31340294/895245 만약 cr0이 있다면, hook-stop 내부에서 if cr0 & 1 같은 코드로 쉽게 할 수 있을 텐데요.
이것들이 먼저 살펴보아야 할 것들입니다.
make -C printf run
결과: QEMU 창이 열리고 몇 가지 부팅 메시지가 출력된 후 멈춥니다(hangs).
저희 프로그램 자체는 화면에 아무것도 출력하지 않고, 단지 CPU를 정지시킵니다(halt).
이 예제는 printf로 바이트 단위로 생성되었습니다. 이보다 더 최소화할 수는 없습니다!
기본적으로 다음으로 구성되어 있습니다:
hlt 명령어-0xAA55, 이는 BIOS가 저희 디스크로 인식하는 데 필요합니다../run min
결과: QEMU 창이 열리고 몇 가지 펌웨어 메시지가 출력된 후 멈춥니다(hangs).
저희 미니 라이브러리를 사용한 동등한 예제는 다음과 같습니다:
./run template
새로운 테스트를 시작하는 빠른 템플릿으로 이 파일을 사용할 수 있습니다.
hlt을 사용하는 대신 무한 루프(infinite loop)로 들어갑니다:
./run infinite_loop
결과는 눈에 띄게 같지만, TODO: 실제 하드웨어에서는 전력을 더 많이 소모할 가능성이 높습니다?
이 중요한 파일은 저희 어셈블리 메모리 레이아웃을 결정하므로, 이 파일의 주석들을 읽고 숙지하는 데 시간을 할애하십시오.
hello world 출력하기
펌웨어 메시지 이후에 실행할 명령어는 다음과 같습니다:
./run bios_hello_world
cd c_hello_world ./run
하지만 다음 제한 사항과 어려움들을 염두에 두어야 합니다:
단일 스테이지(single stage)이므로 여전히 코드 및 데이터 512바이트로 제한됩니다! TODO: BIOS 디스크 로드를 사용하면 쉽게 해결될 것이라 생각합니다. 풀 리퀘스트를 보내주세요 :-) 우리가 적응할 수 있는 전체 예제는 여기입니다: http://3zanders.co.uk/2017/10/18/writing-a-bootloader3
GCC의 -m을 사용하면 "진짜" 16비트 코드를 생성하지 않고, 대신 0x66 및 0x67 접두사를 가진 32비트 코드가 생성됩니다: https://wiki.osdev.org/X86-64_Instruction_Encoding#Legacy_Prefixes -
초기 상태 설정과 링커 스크립트를 구성하는 것이 어셈블리(assembly)를 사용할 때보다 훨씬 어렵고 오류가 발생하기 쉽습니다.
따라서 대부분의 애플리케이션에서는 이러한 모든 문제를 극복하는 Multiboot을 사용하는 것이 좋습니다.
생성된 C 코드를 디스어셈블(disassemble)하려면 다음 명령어를 시도해 보세요:
objdump -D -m i8086 main.elf
하지만 여전히 32비트 참조를 포함하고 있다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어:
00007c17 <main>: 7c17: 66 55 push %ebp 7c19: 66 89 e5 mov %esp,%ebp 7c1c: 66 83 ec 10 sub $0x10,%esp
이는 해당 명령어들이 접두사 0x66에 의해 수정되어 마치 32비트처럼 작동하기 때문입니다.
명시적인 링커 스크립트를 사용하지 않고 hello world를 출력하는 방법:
make -C no-linker-script run
소스 코드:
기본 호스트 ld 스크립트를 사용하며, -T로 명시적으로 설정된 스크립트는 사용하지 않습니다. 또한 다음을 사용합니다:
-tText.org
경고를 피하기 위해 _start가 반드시 존재해야 합니다. 기본 링커 스크립트가 이를 예상하기 때문입니다.
이것은 임시방편(hack)이며, 빠르고 간편한 테스트에는 편리할 수 있지만 절대 사용해서는 안 됩니다.
BIOS는 현존하는 가장 잘 알려진 펌웨어 중 하나입니다.
펌웨어란 다음과 같은 소프트웨어를 의미합니다:
OS/부트로더에 인터페이스를 제공하여 빠르고 간편한 I/O 같은 작업을 수행할 수 있게 합니다.
운영체제(OS)와 구별되는 점은 보통 더 작다는 것만 제외하고는 구분할 수 없습니다.
BIOS는 오래되고, 비표준화되었으며, x86 환경에서 어디에나 존재하지만 기능이 제한적입니다.
진지한 OS를 개발한다면 BIOS 기능을 가능한 한 적게 사용하는 것이 좋습니다.
BIOS 함수들은 모두 int 명령어를 통해 접근합니다:
mov <함수-ID>, %ah int <인터럽트-ID>
함수의 인자(argument)는 다른 레지스터에 저장됩니다.
인터럽트 ID는 전통적으로 16진수로 다음과 같습니다:
10h (이는 0x10과 동일합니다).
각 인터럽트-ID는 유사한 기능을 가진 여러 함수들을 그룹화합니다. 예를 들어, 10h는 비디오 관련 기능들을 포함하는 함수들을 그룹화합니다.
참고 문헌:
공식 문서나 표준화된 자료가 있습니까?
단일 @ 문자 출력:
./run bios_putc
새 줄(newline) 출력:
./run bios_newline
결과:
hello world
옛날처럼 캐리지 리턴(Carriage returns)이 필요합니다:
./run bios_carriage_return
결과:
hello world
현재 커서 위치 변경:
./run bios_cursor_position
결과:
cb
주어진 색상으로 문자 N번 쓰기:
./run bios_color
결과:
bcd
여기서:
b와 c는 전경색(foreground)이 빨강, 배경색(background)이 초록인 경우이고,d는 기본 색상(검은색 바탕에 회색)입니다.배경색을 전체 화면의 빨간색으로 변경하고 a 문자를 출력합니다:
./run bios_background
화면 스크롤:
./run bios_scroll
결과:
a c GG d
여기서 G는 빈 초록색 사각형입니다.
작동 방식:
스크롤 전:
a b c d
그런 다음 우리는 cx와 dx로 주어진 모서리 (1, 1)과 (2, 2)를 가진 직사각형에 대해 작동하기로 선택합니다:
a XX YY d
그리고 그 직사각형을 한 줄 위로 스크롤합니다.
Y는 채우기 색상인 초록색으로 채워집니다.
스크롤의 부분집합:
./run bios_clear_screen
결과:
b
빨간색 전경(foreground)에, 그리고 전체 화면을 녹색 배경(background)으로 설정하고, 초기 SeaBIOS 메시지 없이 실행합니다.
./run bios_pixel
이것을 보려면 조금 애를 써야 할 수도 있습니다.
이러한 픽셀로 선을 그립니다:
./run bios_pixel_line
고급 그래픽!
키보드를 통해 사용자로부터 한 문자를 받아, 그것을 하나 증가시키고 화면에 출력한 다음 정지합니다:
./run bios_keyboard
여러 문자를 입력하고 화면에 나타나는 것을 확인해 보세요:
./run bios_keyboard_loop
Ctrl-key 조합도 시도해 보세요.
int 13h를 사용하여 디스크에서 스테이지 2(stage 2)를 로드하고 실행합니다:
./run bios_disk_load
결과:
a
이 문자는 스테이지 2에서 출력되었습니다.
단지 하나가 아닌 두 개의 섹터를 로드해 보세요:
./run bios_disk_load2
결과:
ab
여기서 a는 첫 번째 블록의 코드에서, 그리고 b는 두 번째 블록의 코드에서 출력되었습니다.