Lab 0-2 · 最小裸机启动

01构建结构

这次使用 riscv64-unknown-elf-as 和 ld 汇编、链接最小裸机程序，再交给 QEMU 系统模式的 virt 机器执行。

文件	职责
`start.S`	定义 `_start`、逐字符发送循环与串口寄存器写入。
`linker.ld`	指定入口与链接地址，安排 `.text`、`.rodata`、`.data`、`.bss`。
`Makefile`	提供 `all`、`run`、`dump`、`clean` 目标。

MakefileMAKE

CROSS   := riscv64-unknown-elf-
AS      := $(CROSS)as
LD      := $(CROSS)ld
OBJDUMP := $(CROSS)objdump
QEMU    := qemu-system-riscv64

BUILD   := build
TARGET  := $(BUILD)/baremetal.elf
OBJECT  := $(BUILD)/start.o

.PHONY: all run dump clean

all: $(TARGET)

$(BUILD):
	mkdir -p $(BUILD)

$(OBJECT): start.S | $(BUILD)
	$(AS) start.S -o $(OBJECT)

$(TARGET): $(OBJECT) linker.ld
	$(LD) -T linker.ld $(OBJECT) -o $(TARGET)

run: $(TARGET)
	$(QEMU) -machine virt -nographic -bios none -kernel $(TARGET)

dump: $(TARGET)
	$(OBJDUMP) -d $(TARGET)

clean:
	rm -rf $(BUILD)

02从入口到 UART

程序入口位于 0x80000000，QEMU virt 的 UART MMIO 基地址为 0x10000000。启动代码直接向设备映射地址写入字符。

start.SASM

# PUBLIC EXCERPT: identity lines removed for website use.
    # This is intentionally not a byte-for-byte copy of the lab ELF's source.
    .section .text.boot
    .globl _start

_start:
    li      t0, 0x10000000
    la      t1, message

print_loop:
    lbu     t2, 0(t1)
    beqz    t2, done
    sb      t2, 0(t0)
    addi    t1, t1, 1
    j       print_loop

done:
    wfi
    j       done

    .section .rodata
message:
    .asciz "kaiwai-os bare metal\n"

lbu 从 .rodata 的字符串逐字节读取。
beqz 检查零结束符；未结束时用 sb 向 UART 写入当前字节。
addi 推进字符串指针，继续发送。
字符串输出完成后，以 wfi 进入等待循环。

03链接与 ELF 布局

链接脚本用 ENTRY(_start) 指定入口，并从 0x80000000 开始安排各节。

linker.ldLD

ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    . = 0x80000000;

    .text : {
        *(.text.boot)
        *(.text*)
    }

    .rodata : {
        *(.rodata*)
    }

    .data : {
        *(.data*)
    }

    .bss : {
        *(.bss*)
        *(COMMON)
    }
}

通过 objdump 检查原始实验二进制，文件格式为 elf64-littleriscv，架构为 riscv:rv64，入口地址为 0x0000000080000000。

节	VMA / LMA	大小（字节）
`.text`	`0x80000000`	`0x28`
`.rodata`	`0x80000028`	`0x3c`

04QEMU 运行结果

原始实验执行 make -C experiments/0-2-baremetal run 后成功启动。对应的 QEMU 命令如下：

QEMU 启动BASH

qemu-system-riscv64 -machine virt -nographic -bios none -kernel build/baremetal.elf

串口输出包含 kaiwai-os bare metal。原始运行中的身份输出行已从公开资料中移除，下方记录仅展示无身份内容的终端片段。

构建与运行记录LOG

# Real experiment evidence excerpt, identity fields removed for public display.
$ make -C experiments/0-2-baremetal
mkdir -p build
riscv64-unknown-elf-as start.S -o build/start.o
riscv64-unknown-elf-ld -T linker.ld build/start.o -o build/baremetal.elf

$ riscv64-unknown-elf-objdump -f build/baremetal.elf
file format elf64-littleriscv
architecture: riscv:rv64
start address 0x0000000080000000

# Original unredacted ELF data, for this run only:
.text   size 0x28   VMA 0x80000000
.rodata size 0x3c   VMA 0x80000028

$ qemu-system-riscv64 -machine virt -nographic -bios none -kernel build/baremetal.elf
kaiwai-os bare metal
[identity lines omitted]
QEMU: Terminated

# Temporary test: UART write address changed from 0x10000000 to 0x10000001
# Result: ELF assembled/linked, but no UART text appeared after launch.

05UART 地址对照

为了检查设备地址的意义，使用 sed 临时复制源码，将 UART 写入地址从 0x10000000 改为 0x10000001。diff 确认只有这一处地址变化，写入位置偏移了一个字节。两次运行使用相同的 QEMU 参数。

UART 写入地址	汇编与链接	实际运行
`0x10000000`	通过	出现串口文字
`0x10000001`	通过	未出现串口文字

构建成功，仍然需要运行验证

改址版能汇编、能链接，但没有出现 UART 输出。裸机 MMIO 地址必须与目标机器的设备映射相符。

06退出与终端恢复

测试改址版时，QEMU 在 -nographic 模式下没有响应尝试的快捷键与 Ctrl+C。随后在另一个终端找到 QEMU 进程；发送 TERM 后进程仍存在，最终以 KILL 结束。

回到原终端后执行 stty sane，恢复显示与输入。该次实验的 git status --short 仍为空：临时测试文件始终位于 /tmp，正式版本未改动。