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Elf 文件及内核加载

Overview

elf - format of Executable and Linking Format (ELF) files

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man 5 elf

ElfLoad

  • Section 节
  • Segment 段

链接时用节,加载时只关注段.

Elf的加载在 操作系统之上最为常见,还有虚拟内存的Buff加持,可以 ~~随心所欲~~

Elf 文件头 - ELF_HEADER

我们要借助 ELF_HEADER 来帮我们 检测文件格式 以及 加载.

对于 ia32 与 ia32e 有不同的 ELF_HEADER (见 src/include/boot/Elf.h)

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typedef struct {
    UINT32 Magic;
    UINT8  Class;
    UINT8  Data;
    UINT8  Version;
    UINT8  OSABI;
    UINT8  ABIVersion;
    UINT8  Pad[6];
    UINT8  Nident;
    UINT16 Type;
    UINT16 Machine;
    UINT32 ObjFileVersion;
    UINT64 Entry;
    UINT64 PhOffset;
    UINT64 ShOffset;
    UINT32 Flgs;
    UINT16 EhSiz;
    UINT16 PhentSiz;
    UINT16 PhNum;
    UINT16 ShentSiz;
    UINT16 ShNum;
    UINT16 ShStrIdx;
} ELF_HEADER_64;

Magic 即 [0x7F,'E','L','F'] 或 0x464C457F,表示此为 Elf 文件.

由于位于 Machine 后的类型才开始变化以适配不同的机器,于是我们可以通过 Machine 来检测架构.

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#define EM_386         3
#define EM_X86_64      62
#define EM_ARM         40
#define EM_AARCH64     183

Type 标定 Elf 文件的类型:

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#define ET_NONE        0 // 无效
#define ET_REL         1 // 可重定位文件
#define ET_EXEC        2 // 可执行文件
#define ET_DYN         3 // 共享目标文件

显然,目标是 ET_EXEC.

Entry 即为入口点地址

Elf 程序头 - ELF_PHEADER

只列举 x64 啦...

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typedef struct {
  UINT32 Type;          // Type of the segment,e.g. PT_LOAD
  UINT32 Flgs;          // Segment flags
  UINT64 Offset;        // The segment's offset in the file
  UINT64 VirtualAddr;
  UINT64 PhysicalAddr;
  UINT64 FileSiz;       // The size of the segment in the file
  UINT64 MemSiz;        // The size of the segment that used in memory space
  UINT64 Align;
} ELF_PHEADER_64;
  • Type
  • PT_NONE (0x0)
  • PT_LOAD (0x1) - 就是我们的对象,这个类型的段要加载
  • Offset - 段在文件中的偏移
  • FileSiz - 段在文件中的所占大小
  • MemSiz - 段被加载到内存后所占大小
  • Align - 对齐参数
  • 0 / 1 - 无需对齐
  • 2的倍数 -

于是我们到此查表的过程如下所示:

Copy!!!

在实际加载时,我们要做的工作无非就是 复制 ~~我们的传统艺能desu~~

Uefi 将物理内存对等隐射进虚拟内存,使得我们可以直接访问物理内存,几乎感觉不到虚拟内存的存在. ELF_PHEADER.VirtualAddr 在此时实际也可以指物理地址了.此时程序也是拥有全部内存的.

Let's start here

进入内核应该是最简单的部分了...

当前由于我们要测试一下调用是否成功,接受一下返回值,实际内核在进入之后不再返回 Boot,原因有二: 1. 内核本身不需要返回 Boot 2. 内核进入之后会切换栈,或在调用时就切换.

这里有几种常见的方法:

  1. 强制类型转换成函数指针,并调用
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((UINT64 (*)(void))KernelEntry)();
  1. jmp

使用汇编指令,参数就应手动存入 (rdi -> rsi -> rdx -> ..)

以下将入口地址先存入 rax,再执行 jmp 

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__asm__ volatile ("jmpq %%rax" : : "a"(KernelEntry));

  1. ret

将 入口点地址 压入栈中,然后 ret

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__asm__ volatile ("pushq %0" : : ""(KernelEntry));
  1. iret

其实是中断返回,被我们拿来玩...

在 iret 指令执行时,会按照此顺序依次出栈 : SS -> RSP (original RSP) -> RFLAGS -> CS -> RIP

于是我们可以在 Boot 阶段就完成 Gdt 的加载,以及 部分段寄存器(ss, cs)的重载

灵感来自 https://github.com/naoki9911/edk2/tree/xv6_uefiloader