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自己动手写操作系统 - Hello DTOS_自己动手写操作系统于渊

作者：正经夜光杯 | 2024-08-22 17:32:59

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自己动手写操作系统于渊

本系列笔记参考整理于狄泰未来 - 操作系统专题、于渊《自己动手写操作系统》（《一个操作系统的实现》）

基于x86架构从零开始编写操作系统内核，旨在通过实践的方式掌握操作系统原理

1、BIOS

什么是操作系统？

- Windows，UNIX，Linux，Mac OS，Android，iOS.…

- 操作系统是直接运行于硬件之上的计算机程序

- 操作系统用于管理和控制计算机的硬件与软件资源

- 操作系统为用户软件的开发提供必要的服务和接口

现代计算机系统架构

BIOS - Base Input & Output System

- BIOS是计算机上电后第一个运行的程序

- BIOS首先检测硬件状态，检测通过后立即进行硬件初始化

- BIOS会在内存中建立中断向量表（提供硬件访问的方法）

- BIOS 最后将控制权交由主引导程序执行

注意：BIOS不是软件（Software），而是固件（Firmware）！

（固件是固化于硬件中的程序，在硬件出厂前已经烧写固定）

关于中断向量表和BIOS的详细介绍可参考：王爽《汇编语言》笔记（详细）· 十一、内中断

系统启动流程（×86架构）

BIOS 是如何被运行起来的？

BIOS的运行机制

- BIOS 存储于ROM中，地址映射为0xF0000-0XFFFFF（实地址）

- BIOS的入口地址为：0XFFFF0

- 硬件电路的特殊设计使得：开机后，CPU从0XFFFF0处开始执行

★ 开机后，CPU一加电，初始化（CS）= 0FFFFH，（IP）= 0，自动从FFFF:0单元开始执行程序

★ FFFF:0处有一条转跳指令，CPU执行该指令后，转去执行BIOS中的硬件系统检测和初始化程序。

★ 初始化程序将建立BIOS所支持的中断向量，即将BIOS提供的中断例程的入口地址登记在中断向量表中

★ 硬件系统检测和初始化完成后，调用int 19h进行操作系统的引导。从此将计算机交由操作系统控制

BIOS 最后的使命

- 按照用户设置扫描各个存储介质（光驱，软驱，U盘，等）

- 发现主引导区后，将主引导区中的主引导程序载入内存

- 主引导程序在内存中的入口地址为0x0000 : 0x7c00(即0x07c00)

- 将控制权交由主引程序执行（jmp 0x0000:0x7c00）

问题

BIOS如何在存储介质中寻找主引导区？

如何判断引导区中有没有主引导程序？

主引导区(记录)（MBR:Master Boot Record）

- 位置：位于存储介质的最开始位置处，大小为512字节

- 特点：前512字节的最后2个有效字节为0x55aa

- 数据：0x55aa之前的数据被视为主引导程序

例如：使用二进程工具查看我的C盘（GPT分区）如下

关于MBR和GPT的知识点是装系统必掌握的知识点，篇幅有限，不解释

更详细的系统启动流程（x86架构）

2、主引导程序

1、主引导程序

问题

主引导程序是软件还是固件？如果是软件，

那么由谁开发？如何开发？

主引导程序

- 一段存储在主引导区（MBR）中的有效代码

- 并不固化于硬件，属于操作系统代码的一部分

- 启动操作系统内核的桥梁，由汇编程序写成

- 代码总量不能超过512个字节（包含0x55aa）

主引导程序的开发

2、编写一个主引导程序

课程实验

- 编写一个主引导程序（汇编语言）

- 可独立运行于x86架构的主机（无操作系统）

- 运行后在屏幕上打印" Hello，DTOS！"

实现思路

1. 将关键寄存器的值设置为0（mov ax，0）

2. 定义需要打印的数据（db "Hello，DTOS！"）

3. 打印预定义好的字符数据（int 0x10）

中断调用 VS 函数调用

编程实验

第一个引导加载程序 boot.asm


org 0x7c00;告诉编译器程序将加载到内存7c00偏移处
 
start:
	mov ax, cs
	mov ss, ax
	mov ds, ax
	mov es, ax
	
	mov si, msg
	
print:
	mov al, [si] ;默认段地址ds
	add si, 1
	cmp al, 0x00
	je last ;al
	mov ah, 0x0e  ;10号中断0e号子功能:打印字符 参数：AH＝0EH,AL＝字符,BH＝页码,BL＝前景色(图形模式)
	mov bx, 0x0f  ;字符颜色
	int 0x10       
	jmp print
	
last:
	hlt ;停止运行，CPU进入暂停状态，不执行任何操作，HLT instruction with IF=0!
	jmp last
msg:
	db 0x0a, 0x0a;换行
	db "Hello DTOS!"
	db 0x0a, 0x0a
	times 510 -($-$$) db 0x00;
	db 0x55, 0xaa

$是当行的汇编地址，$$是是当前汇编节（段）的起始汇编地址，当前程序没有定义节或段，默认生成一个汇编段，起始汇编地址为0。当前程序还很简陋，但后续会一步步完善。

如何验证编写的主引导程序？

解决方案设计

- 将汇编源码编译为二进制机器码（nasm）

- 创建虚拟盘（bximage）

- 将二进制代码写入虚拟盘起始位置（dd）

- 在虚拟机中将虚拟盘作为启动盘执行（vmware）

把a.img拷到Windows下用VMware模拟计算机启动

那么如何调试主引导区的代码？

3、主引导程序的扩展

限制

主引导程序的代码量不能超过512字节！！

突破限制的思路

- 主引导程序

1. 完成最基本的初始化工作

2. 从存储介质中加载新程序到内存中

3. 将控制权交由新加载的程序执行（jmp)

4. ...

主引导程序如何加载存储介质中的其它程序？后续讲解

3、调试环境的搭建（Bochs）

Bochs（另一款优秀的虚拟机软件）

- 专业模拟x86架构的虚拟机

- 开源且高度可移植，由C++编写完成

- 支持操作系统开发过程中的断点调试

- 通过简单配置就能够运行绝大数主流的操作系统

支持调试功能的Bochs版本

1. 下载源码：https://sourceforge.net/projects/bochs/files/

2. 解压缩 bochs-2.x.x.tar.gz→bochs-2.x.x（这里选择 bochs-2.4.5）

3. 进入源码目录：cd bochs-2.x.x

4. 配置：./configure --enable-debugger --enable-disasm

5. 编译：make

6. 安装：sudo make install、

安装过程中的错误：

再配置一次若提示gtk...错误，运行sudo apt-get install libgtk2.0-dev，再配置

若出现下面错误

缺少 pthread 库，修改 Makefile 文件，添加下面的部分，然后成功编译 Bochs 源码。

配置Bochs的启动文件

即必须

确定 bochs的安装路径（which bochs）

安装vgabios（apt-get install vgabios）

确定vgabios的安装路径（whereis vgabios）

启动文件bochsrc


###############################################################
# Configuration file for Bochs
###############################################################
 
# how much memory the emulated machine will have
megs: 32
 
# filename of ROM images
romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin
 
# what disk images will be used
floppya: 1_44=a.img, status=inserted
 
# choose the boot disk.
boot: floppy
 
# where do we send log messages?
# log: bochsout.txt
 
# disable the mouse
mouse: enabled=0
 
# enable key mapping, using US layout as default.
keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map