自己动手写操作系统（一）

本系列文章将一步步实现一个简单的操作系统。实验环境是在Linux系统下通过Bochs虚拟机运行我们自己写的操作系统。

一、实验环境搭建

1. Ubuntu的安装，Windows用户可以选择在虚拟机中安装Ubuntu，具体安装教程可自行搜索。

2. Bochs虚拟机的安装

在学习编写操作系统的过程中，我们需要一个虚拟机来模拟出一个虚拟的计算机硬件环境，比如cpu、内存、硬盘等，并且能够运行并且调试我们写的代码。Bochs很好的提供了以上所有功能，在它面前我们就像上帝一样随时可以让时间停止，”钻“到计算机内部，查看这个虚拟电脑的一切信息，这正是开发操作系统所需要的。

Ubuntu下我们可以直接运行以下命令以源码方式安装Bochs（注意我们之所以选择以源码方式安装，是因为通过apt install安装的Bochs是没有调试功能的）

$ sudo apt update $ sudo apt install build-essential libx11-dev xorg-dev libgtk2.0-dev $ wget https://sourceforge.net/projects/bochs/files/bochs/2.7/bochs-2.7.tar.gz $ tar zxvf bochs-2.7.tar.gz $ cd bochs-2.7/ $ ./configure --enable-debugger --enable-disasm --enable-debugger-gui $ make $ sudo make install 

./configure后面的参数便是打开调试功能的开关

到此实验环境搭建完毕。

二、简单的引导扇区汇编代码

先简单讲一下计算机的启动流程，详细启动过程可参考我的另一篇博客 操作系统启动过程

按下开机键后，计算机首先会运行BIOS中的代码，BIOS在进行硬件检查和初始化后，会按照设置好的启动顺序（我们在使用U盘安装系统时，经常要进入BIOS设置这个启动顺序），依次寻找启动设备（比如硬盘、U盘等）。然后将第一个可用的启动设备的第一个扇区载入内存0x7c00处，并把执行权限交给它。

启动设备的第一个扇区我们称之为引导扇区（MBR），共512个字节，必须以数值0x55及0xaa结尾。包括三部分内容：引导加载程序（Boot Loader）（前446个字节，如GRUB等）、磁盘分区表（DPT，Disk Partition Table）、分区有效性标志（55AA）。其中的引导加载程序负责加载启动硬盘分区中的操作系统。

在BIOS向引导程序移交执行权之前，BIOS会对处理器进行初始化，这其中就包括处理器的代码段寄存器CS和指令指针寄存器IP。当BIOS跳转至引导程序时，CS和IP的值分别为0x0000和0x7c00。此时的处理器处于实模式下，物理地址必须经过CS寄存器和IP寄存器转换才能得到。转换公式为：物理地址=CS<<4+IP，也就是物理地址0x7c00处。

BIOS由Bochs虚拟机提供，我们接下来写的就是这个512字节的引导扇区（MBR）的汇编代码。目前它并不用加载操作系统，我们只让它在屏幕上打印出经典的“hello world”即可。

首先看一下汇编代码：

 org 0x07c00 mov ax,cs mov ds,ax mov es,ax mov ax,Message mov bp,ax mov cx, 13 mov ax,0x1301 mov bx,0x0002 mov dh,0 mov dl,0 int 0x10 jmp $ Message: db "Hello, world!" times 510-($-$$) db 0 dw 0xaa55 

代码和数据是按汇编程序的编写顺序依次连续存放到内存的，即上面的程序在0x7c00处开始存放的是org 0x07c00的机器指令，在512字节最后放的是0xaa55数据。

BIOS程序在把引导程序加载到内存时，同时还创建了中断系统，在物理内存的前1KB空间初始化中断向量表，在物理内存最后256KB物理地址空间内保存中断处理程序。cpu运行完BIOS后，物理内存的布局如下：

本程序就是调用0x10号中断，在屏幕上打印字符串。在调用0x10号中断处理程序往显示器的屏幕上打印字符串时，所有的参数都是通过cpu中的寄存器传递的，各参数的含义如下：

• 寄存器ah：0x13表示向屏幕打印字符串；
• 寄存器al：指定光标和字符的属性
  0，表示字符的属性值保存在寄存器bl中，光标停留在字符串的首字符
  1，表示字符的属性值保存在寄存器bl中，光标停留在字符串的尾字符
  2，表示字符的属性值紧跟在字符之后，光标停留在字符串的首字符
  3，表示字符的属性值紧跟在字符之后，光标停留在字符串的尾字符

  
  
  
  
  
  
  
  

• 寄存器bl：若寄存器al的值为0或者1时，保存字符的属性值。如图所示，字符属性由一个字节大小的数据表示。

• 寄存器[es:bp]：保存字符串的首字符在数据段中的逻辑地址
• 寄存器cx：保存字符串的长度
• 寄存器dh，dl：字符串在屏幕上的起始坐标，其中寄存器dh为行号，寄存器dl为列号。显示器的屏幕只能显示25行字符，并且每行只能显示80个字符，因此dh的取指范围为0~24，dl的取指范围为0~79。

代码解析：

第1行，告诉编译器程序加载到内存的0x7c00处。

第2~4行，统一数据段寄存器DS和附加段寄存器ES的值和代码段寄存器CS一致，即不论数据段还是代码段，段起始地址都是0x7c00。

第5~6行，将字符串”Hello, world!”的首地址传递给寄存器bp。注意任何不被方括号[ ]括起来的标签或变量名都被认为是地址，访问标签或变量中的内容必须使用[ ]

第7行，将字符串的长度传递给寄存器cx

第8~11行，字符串属性设置

第12行，调用0x10号中断处理程序，在屏幕上显示字符串

$表示当前行被汇编后的地址，$$表示程序被汇编后的开始地址，也就是0x7c00.

第15、17行，分别以字节和字的形式存放的数据

第16行，表示将0这个字节重复510-($-$$)遍，也就是在剩下的空间不停填充0，直到第510个字节为止。这样加上结束标志0xaa55占用的两个字节，恰好是512个字节。

在运行代码之前我们需要将其转换成计算机能读懂的机器指令形式，这就需要编译器。我们编译c代码使用GCC，编译汇编程序使用nasm编译器。

把上面的代码保存成boot.asm，然后使用nasm编译一下，生成二进制可执行文件boot.bin

$ nasm boot.asm -o boot.bin 

三、虚拟硬盘的制作

下面我们将制作一个虚拟硬盘并将已经生成的可执行文件boot.bin放到虚拟硬盘的第一个磁盘块（引导扇区MBR）中。Bochs虚拟机将使用这块“硬盘”引导启动。

首先选择合适的地方创建一个工程目录

$ mkdir projectest $ cd projectest 

将可执行文件boot.bin拷贝到该工程目录中

然后在本层目录中创建一个大小为1MB的硬盘镜像文件b.img的命令如下：

$ dd if=/dev/zero of=b.img bs=512 count=2048 

dd是文件拷贝命令，其中：

• if=/dev/zero：表示拷贝的源文件的路径，”/dev/zero”是一个特殊的文件，可以提供n个0（n的值等于bs和count参数的积）
• of=b.img：表示拷贝的目标文件路径。若不存在，则创建该文件
• bs=512：表示块大小，单位为B
• count=2048：表示拷贝的文件的块的数量。

由bs和count参数可知，硬盘镜像文件的大小为：2048*512B=1MB，硬盘镜像文件制作好后，将可执行文件boot.bin拷贝到硬盘镜像文件b.img（硬盘）的引导扇区的命令如下：

$ dd if=boot.bin of=b.img bs=512 seek=0 conv=notrunc 

其中：

• seek=0：表示把可执行文件boot.bin拷贝到硬盘镜像文件b.img的引导扇区（扇区号为0）。
• conv=notrunc：表示不改变目标文件的大小，若没有该选项，则硬盘镜像文件b.img的大小会由1MB变为可执行文件boot.bin的大小512B。

这样一个写入了引导程序的“硬盘”就制作好了。

四、Bochs的使用

1. 启动Bochs

“硬盘”制作好后，要想启动bochs还需要一个配置文件——bochsrc.bxrc。为什么需要配置文件呢？因为你需要告诉bochs你希望的虚拟机是什么样的，比如，内存多大，使用哪个硬盘启动等等。在下载bochs的源码包中有一个.bochsrc，就是官方提供的配置文件示例，我们可以根据这个更改。

下面是本实验用到的bochs配置文件代码

romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest vgaromimage: file=/usr/local/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest ata0-master: type-disk, path="b.img" megs: 16 cpu: count=1 boot: disk 

其中：

• romimage：指定bochs运行过程中使用的ROM-BIOS的路径。
• vgaromimage：指定bochs运行过程中使用的VGA的ROM-BIOS的路径。
• ata0-master：指定硬盘镜像文件b.img的路径。
• megs：指定物理内存的大小，单位为MB。
• cpu：指定cpu的个数，1个。
• boot：指定启动方式，从硬盘启动。

将上面的代码保存为bochsrc.bxrc，也存到工程目录下。

现在一切准备就绪，启动bochs的命令如下：

$ bochs -q -f bochsrc.bxrc 

其中：

• -q: 跳过bochs启动后的配置界面。
• -f : bochsrc.bxrc：指定配置文件的路径。
• 如果不指定路径，那么Bochs将按照如下顺序在当前目录中寻找配置文件：

1. .bochsrc
2. bochsrc
3. bochsrc.txt
4. bochsrc.bxrc (windows only)
5. /home/.bochsrc (Unix only)
6. /etc/bochsrc(Unix only)

运行bochs后会在终端出现bochs调试命令行，等待我们输入调试命令，这里输入c继续执行

可以看到在虚拟机中我们的引导程序已成功运行，在屏幕上打印出了hello world。

2. Bochs调试