Hello World!
在前一章，我們成功啟動了第一個 kernel。雖然透過暫存器的傾印可以確認它有在執行，但這樣的驗證仍然有點不夠直觀。
在本章中，我們要讓它更「有感」― 直接讓 kernel 輸出一段字串！
向 SBI 說聲「哈囉」
在前一章，我們提到 SBI（Supervisor Binary Interface）是作業系統的 API。我們會使用 ecall 指令來呼叫 SBI 的功能。
#include "kernel.h"
extern char __bss[], __bss_end[], __stack_top[];
struct sbiret sbi_call(long arg0, long arg1, long arg2, long arg3, long arg4,
long arg5, long fid, long eid) {
register long a0 __asm__("a0") = arg0;
register long a1 __asm__("a1") = arg1;
register long a2 __asm__("a2") = arg2;
register long a3 __asm__("a3") = arg3;
register long a4 __asm__("a4") = arg4;
register long a5 __asm__("a5") = arg5;
register long a6 __asm__("a6") = fid;
register long a7 __asm__("a7") = eid;
__asm__ __volatile__("ecall"
: "=r"(a0), "=r"(a1)
: "r"(a0), "r"(a1), "r"(a2), "r"(a3), "r"(a4), "r"(a5),
"r"(a6), "r"(a7)
: "memory");
return (struct sbiret){.error = a0, .value = a1};
}
void putchar(char ch) {
sbi_call(ch, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1 /* Console Putchar */);
}
void kernel_main(void) {
const char *s = "\n\nHello World!\n";
for (int i = 0; s[i] != '\0'; i++) {
putchar(s[i]);
}
for (;;) {
__asm__ __volatile__("wfi");
}
}另外，建立一個新的 kernel.h 檔案，並定義回傳值的結構：
#pragma once
struct sbiret {
long error;
long value;
};這樣我們就新增了一個 sbi_call 函式，它會依據 SBI 的規格呼叫 OpenSBI。其具體的呼叫慣例如下：
Chapter 3. Binary Encoding
所有的 SBI 函式共用同一種二進位編碼格式，這使得不同的 SBI 擴充功能能夠混合使用。SBI 規格遵循以下呼叫慣例：
ECALL指令被用作 Supervisor 模式（S 模式）與 SEE（SBI 執行環境，例如 OpenSBI）之間的控制轉移指令。- 暫存器
a7用來編碼 SBI 擴充功能的 ID（EID）。- 暫存器
a6用來編碼 SBI 函式的 ID（FID），它對應到a7所指定的擴充功能 ID（適用於 SBI v0.2 及之後版本中定義的所有擴充功能）。- 除了
a0和a1，所有其他暫存器都必須由被呼叫方（callee）保留其值，不可更動。- SBI 函式必須透過
a0和a1回傳一對的值，其中a0回傳錯誤碼（error code）。這與回傳下列 C 語言結構類似：cstruct sbiret { long error; long value; };-- 摘自《RISC-V Supervisor Binary Interface Specification》v2.0-rc1 版本
TIP
「除了 a0 和 a1 之外，所有暫存器都必須由被呼叫方保留其值」的意思是被呼叫端（例如 OpenSBI）只能改動 a0 和 a1，不可更動其他暫存器的值。換句話說，對於 kernel 來說，可以保證在呼叫結束後，a2 到 a7 的值仍會維持不變。
在每個區域變數的宣告中使用 register 和 __asm__("register name")，用於要求編譯器將該變數的值放入指定的暫存器中。這是一種在系統呼叫實作中常見的寫法（例如 Linux 的 system call 呼叫流程）。
準備好參數後，就會在內嵌組語中執行 ecall 指令。當 ecall 執行時，CPU 的執行模式會從核心模式（S-mode）切換到 OpenSBI 模式（M-mode），並呼叫 OpenSBI 的處理函式。處理完畢後，系統會切回核心模式（S-Mode），然後從 ecall 指令之後繼續執行。
當應用程式呼叫核心（例如執行系統呼叫）時，也會使用 ecall 指令。這個指令的行為就像是呼叫一個更高特權等級的 CPU 模式的函式一樣。
要顯示字元，我們可以使用 Console Putchar 這個函式：
5.2. Extension: Console Putchar (EID #0x01)
clong sbi_console_putchar(int ch)將
ch中的資料輸出至除錯用的主控台（debug console）和
sbi_console_getchar()不同，如果仍有待傳輸的字元，或是接收端終端機尚未準備好接收該位元組，這個 SBI 呼叫會阻塞（block）。不過，如果系統中根本不存在主控台，則這個字元會直接被丟棄。若成功，這個 SBI 呼叫會回傳 0；失敗則回傳實作相關的負數錯誤碼。
-- 摘自《RISC-V Supervisor Binary Interface Specification》v2.0-rc1
Console Putchar 是一個將傳入字元輸出到偵錯主控台的函式。
試著執行看看
讓我們試著執行你的程式。如果一切正常，你應該會看到 Hello World!：
$ ./run.sh
...
Hello World!TIP
Hello World 的生命歷程：
當你呼叫 SBI 時，字元會經過以下流程被顯示出來：
- 核心執行
ecall指令，此時 CPU 跳躍至由 OpenSBI 在啟動時設定的 M-mode 陷阱處理函式（trap handler），該處理函式的位址保存在mtvec暫存器中。 - 儲存暫存器內容後，會呼叫以 C 語言撰寫的陷阱處理函式。
- 根據
eid，呼叫對應的 SBI 處理函式。 - 8250 UART 的裝置驅動程式（Wikipedia）將字元送給 QEMU。
- QEMU 的 8250 UART 模擬器收到這個字元，並將它送到標準輸出（stdout）。
- 最終，終端機模擬器顯示該字元。
換句話說，呼叫 Console Putchar 函式其實不是魔法 ― 它只是利用了 OpenSBI 已經實作好的裝置驅動程式！
printf 函式
我們已經成功印出了一些字元，下一步要做的是實作 printf 函式。
printf 可以接收格式字串和數個參數，並將其嵌入於輸出中。例如 printf("1 + 2 = %d", 1 + 2); 會輸出 1 + 2 = 3
雖然 C 標準函式庫中的 printf 功能非常完整，但我們先從一個最小版本開始。 具體來說，我們要實作一個支援以下三種格式指定符（format specifier）的 printf：
%d：十進位整數%x：十六進位整數%s：字串
由於我們之後在應用程式（application）中也會用到 printf，所以這邊就新建一個 common.c 檔案，放置核心與 user space 之間共用的程式碼。
以下為 printf 的實作：
#include "common.h"
void putchar(char ch);
void printf(const char *fmt, ...) {
va_list vargs;
va_start(vargs, fmt);
while (*fmt) {
if (*fmt == '%') {
fmt++; // Skip '%'
switch (*fmt) { // Read the next character
case '\0': // '%' at the end of the format string
putchar('%');
goto end;
case '%': // Print '%'
putchar('%');
break;
case 's': { // Print a NULL-terminated string.
const char *s = va_arg(vargs, const char *);
while (*s) {
putchar(*s);
s++;
}
break;
}
case 'd': { // Print an integer in decimal.
int value = va_arg(vargs, int);
unsigned magnitude = value; // https://github.com/nuta/operating-system-in-1000-lines/issues/64
if (value < 0) {
putchar('-');
magnitude = -magnitude;
}
unsigned divisor = 1;
while (magnitude / divisor > 9)
divisor *= 10;
while (divisor > 0) {
putchar('0' + magnitude / divisor);
magnitude %= divisor;
divisor /= 10;
}
break;
}
case 'x': { // Print an integer in hexadecimal.
unsigned value = va_arg(vargs, unsigned);
for (int i = 7; i >= 0; i--) {
unsigned nibble = (value >> (i * 4)) & 0xf;
putchar("0123456789abcdef"[nibble]);
}
}
}
} else {
putchar(*fmt);
}
fmt++;
}
end:
va_end(vargs);
}這段程式碼是不是出奇地簡潔呢？它會逐字元讀取格式字串，當遇到 % 符號時，就讀取下一個字元並執行相對應的格式化操作。除了 % 以外的字元則直接以原樣輸出。
對於十進位整數來說，如果 value 是負數，我們會先輸出一個 -，接著取其絕對值。然後計算一個除數（divisor），用來取得最高位數的數字，並逐位印出。我們使用 unsigned 類型的 magnitude 來處理 INT_MIN 的特殊情況。詳情可參考此 issue。
對於十六進位整數（%x），我們從最高位的 nibble（4 位元，也就是一個十六進位數字）輸出到最低位。這裡 nibble 的值介於 0 到 15，所以我們把它當成字串 "0123456789abcdef" 的索引來取得對應字元。
va_list 及其相關的 marco 本來定義在 C 標準函式庫的 <stdarg.h>。但在本書中，我們直接使用編譯器提供的內建版本，避免依賴標準函式庫。具體來說，我們會在 common.h 中如下定義它們：
#pragma once
#define va_list __builtin_va_list
#define va_start __builtin_va_start
#define va_end __builtin_va_end
#define va_arg __builtin_va_arg
void printf(const char *fmt, ...);我們只是把它們定義成帶有 __builtin_ 前綴的別名而已。這些是由編譯器（clang）內建提供的功能（參考：clang 文件）。其餘細節由編譯器妥善處理，我們不需擔心其底層實作。
現在我們已經完成了 printf 的實作，接下來就來讓核心印出一句「Hello World」吧：
#include "kernel.h"
#include "common.h"
void kernel_main(void) {
printf("\n\nHello %s\n", "World!");
printf("1 + 2 = %d, %x\n", 1 + 2, 0x1234abcd);
for (;;) {
__asm__ __volatile__("wfi");
}
}另外，記得要將 common.c 加入到編譯的目標檔案中：
$CC $CFLAGS -Wl,-Tkernel.ld -Wl,-Map=kernel.map -o kernel.elf \
kernel.c common.c現在來試試看吧！如果一切順利，你會看到如下所示的 Hello World! 和 1 + 2 = 3, 1234abcd：
$ ./run.sh
Hello World!
1 + 2 = 3, 1234abcd強力盟友「printf 除錯功能」，現在加入你的作業系統了！