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
目录
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. …
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启动bochs虚拟机（通过启动文件）
– 显示方式：bochs -f bochsrc_file
– 隐式方式：bochs（尝试寻找下列启动文件）
输入c(continue)继续执行
Bochs中的常用调试命令
4、小结
BIOS 是计算机上电后第一个运行的程序
BIOS 进行必要的初始化，并加载运行主引导程序
主引导程序位于存储介质的最开始512字节处
主引导程序负责后续初始化，并加载运行操作系统内核
主引导程序的代码量不能超过512字节
可以通过主引导程序加载新程序的方式突破限制
主引导程序需要使用汇编语言开发
主引导程序中可以通过BIOS中断使用硬件功能
主引导程序运行于实模式（地址都是实际的物理地址）
Bochs 是一款专业模拟x86架构的虚拟机
从源码安装Bochs 可以获得调试功能的支持
Bochs的启动配置文件是正确运行关键
Bochs 支持断点调试，其调试命令与GDB类似
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