在 498 行极小系统跑标准 ELF 程序

By Falcon of TinyLab.org Aug 18, 2019

简介

ELF 在 Linux 系统中作为标准可执行文件格式已经存在了 ~25 年。

如果要在 Linux 下直接研究 ELF，通常很难绕过 Linux 本身的复杂度。

为了降低学习 ELF 的门槛，今天特地引荐一个极小的系统，这个小系统不仅有 “Bootloader”，有 “OS”，还能加载和运行标准的可以打印 Hello 的 ELF 程序。

所有这些都由 CS630-Qemu-Lab 提供。它是一套用于学习旧金山大学课程 CS 630: Advanced Microcomputer Programming 的极简实验环境，是一个由泰晓科技主导的开源项目。

它可以独立使用，也可以在 Linux Lab 下使用。下面介绍如何在 Linux Lab 下使用它。

准备环境

先准备 Linux Lab（非 Ubuntu 系统请提前安装好 Docker）：

$ git clone https://gitee.com/tinylab/cloud-lab
$ cd cloud-lab
$ tools/docker/run linux-lab

执行完正常会看到一个启动了 LXDE 桌面的浏览器，进去以后，点击桌面的控制台，启动后下载 CS630-Qemu-Lab 到 /labs 目录下：

$ cd /labs
$ git clone https://gitee.com/tinylab/cs630-qemu-lab
$ cd cs630-qemu-lab

一键运行 ELF

接下来，通过 CS630 Qemu Lab 提供的极速体验方式，一键编译 Bootloader, OS 和 Hello 汇编程序，并自动依次运行：

$ make boot SRC=res/elfexec.s APP=res/hello.s

运行完以后，会弹出一个 Qemu 界面，并在屏幕打印一个 Hello 字符串。

默认是从软盘加载程序，如果要改为硬盘，可以用：

$ make boot-hd SRC=res/elfexec.s APP=res/hello.s

初步解读

这个实验主要包含如下三部分：

• “Bootloader”
  • src/quikload_floppy.s：实际代码只有 68 行
  • src/quikload_hd.s：实际代码只有 44 行
• “OS”
  • res/elfexec.s：实际代码只有 430 行，有提供 write, exit 等几个小的系统调用，还能加载标准 ELF
• “APP”
  • res/hello.s：实际代码仅 19 行，可以打印 Hello 字符串，编译生成标准的 ELF 程序

以 Floppy 版本为例，上述 bootloader 和 os 加起来仅有 498 行代码，含注释和空行也才 644 行，相比庞大的 Linux 来讲，可谓极其微小，因此特别适合核心 ELF 原理分析。

题外话

CS630 Qemu Lab 的汇编语言实验案例非常丰富，全部以 X86 为平台，以 Linux AT&T 汇编语法撰写，代码简洁清晰，非常适合学习。例如，跑一个 rtc 程序：

$ make boot SRC=src/rtc.s

下面是演示视频：

小结

Jonathan Blow 在莫斯科 DevGAMM 上，做了一个题为《阻止文明倒塌》的演讲。

这个演讲反应了一个普遍的情况，某个项目，随着功能的迭代和技术的发展，其功能不断丰富，复杂度却在不断增加。对于后来者，学习难度和门槛就变得越来越高。很多内容，由于逐步远离了当初设计者和开发者的环境，新来的维护人员极易出现理解偏差，随着老一辈 Maintainers 逐渐地离开，系统可能会变得越来越难以维护。

Linux 有点类似这样，它正在变得越来越复杂，我们学习一个可执行文件格式，得抱着几本大砖头 Linux 图书，并从数万行代码中找出那些关联的片段，看上去就是一个令人畏惧的工程。

泰晓科技致力于降低 Linux 技术的学习和研究门槛，我们正在做很多努力，去简化问题的复杂度，一方面构建了多套极简又容易快速上手的实验环境，另外一方面，从产品实战的细微处追本溯源，分享了大量的技术原创文章，争取见微知著。

后续将进一步深度解读这个 498 行的极小系统。