10分钟写操作系统（一）

原文：https://blog.csdn.net/zashizhi3299/article/details/80870073

想动手，但不知从何入手，是学习一门新知识普遍会遇到的尴尬点。笔者喜欢边实践边学习理论，笔者的写作思路是：入门的文章要避免讲一些高深的理论，而应该先抛出demo，从研究demo入手，逐步加深demo的难度，从而学习这个过程中涉及到的理论知识。下面就让我们花10分钟写个“操作系统”。

第一节开发环境

我们在linux下制作软盘、编译内核等，因此需要linux开发环境。如果你用windows, 那么在windows下安装VMware, 在VMware中安装ubuntu虚拟机，此ubuntu作为开发环境。

注：笔者的开发环境是windows–VMware–ubuntu14.04.

计算机启动过程

写操作系统看似是一个复杂的过程，但只要我们将过程分解，完成每一步，那么完成一个操作系统就是水到渠成的事了。好了，我们就看一下计算机的启动过程，看操作系统何时被启动的。

第一步：读取BIOS

按下电源按钮后，计算机首先读取一块ROM芯片，这块芯片里的程序是"基本输入输出系統”（Basic Input/Output System），即BIOS.

第二步：硬件自检

BIOS会检查计算机硬件是否满足运行条件，如果硬件出现问题，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止。

第三步：启动顺序

硬件检查完成后，BIOS会将控制权交给下一阶段的启动程序，注意，“下一阶段的启动程序”可能存放在硬盘中，也可能存放在CD/DVD中，或者软盘中等等，可以设置BIOS选择从哪个设备启动。

第四步：主引导记录

BIOS找到了“下一阶段的启动程序”所在设备，会读取该设备的第一个扇区，即读取最前面的512字节，称为主引导记录。主引导记录会告诉计算机下一步到哪里去找操作系统。

第五步：bootloader

计算机读取"主引导记录"前面446字节的机器码之后，运行事先安装的“启动管理器”bootloader，由用户选择启动哪个操作系统。如果你安装了多个操作系统，那么就要从这步做出选择了。

第六步：加载内核

好了，选择操作系统（内核）后，会加载内核，下面就交给内核去处理了。

第三节主引导记录

我们使用虚拟机来启动操作系统，上面的第一步和第二步我们不做，由虚拟机去完成；第三步“启动顺序”我们选择从软盘启动（我们用镜像代替，并不是真的软盘），需要对虚拟机做下设置，选择从软盘启动。下面重点来看第四步，我们写一下“主引导记录”，让BIOS读取我们写的主引导记录。

主引导记录代码

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19


; 文件名 boot.asm
 
org 7c00h                     ; BIOS读入MBR后，从0x7c00h处开始执行
 
; 下面部分和10h有关中断，10h中断用来显示字符
mov ax, cs
mov es, ax
mov ax, msg
mov bp, ax                    ; ES:BP表示显示字符串的地址
mov cx, msgLen                ; CX存字符长度
mov ax, 1301h                 ; AH=13h表示向TTY显示字符，AL=01h表示显示方式（字符串是否包含显示属性，01h表示不包含）
mov bx, 000fh                 ; BH=00h表示页号，BL=0fh表示颜色
mov dl, 0                     ; 列
int 10h
  
msg: db "hello world, welcome to OS!"
msgLen: equ $ - msg           ; 字符串长度
times 510 - ($ - $$) db 0     ; 填充剩余部分
dw 0aa55h                     ; 魔数，必须有这两个字节BIOS才确认是MBR

编译

nasm boot.asm -o boot.bin

如果没有nasm，安装它 sudo apt-get install nasm, 执行完上述命令，会生成boot.bin文件，这就是我们的主引导记录二进制。

第四节代码解释

我们再来看下主引导记录的汇编代码，熟悉汇编的读者可忽略本节。

为什么MBR要从0x7c00h处开始执行？

ORG是伪指令，org 7c00h是告诉编译器，下面代码装入到内存的起始地址0x7c00h处。为什么呢，这是因为BIOS读取主引导记录后，会从0x7c00h处开始执行，那么BIOS为什么会从0x7c00h这个地址开始执行，而不是其他地址呢，这一切都要从大明湖畔的8086cpu说起。

时光飞逝，容颜易老，8086却还是那个样子，如图所示：

图 8086实物图

图 8086引脚图

正如图中所示，8086cpu的地址总线宽度为20（AD0-AD19），可以传送220的地址信息，即可以定位220（1M）的内存地址空间，那么这1M的内存地址空间是如何分配的呢，见下图所示（图是386的，我们目前只关心实模式即1M内存地址空间分配):

图实模式内存地址空间分布

看到0x7c00h了吗？0x0000h–0x7c00h这一段存的是BIOS中断向量和一些BIOS数据等，至于到底为什么以0x7c00h为界，本文不做讨论，有兴趣看这里http://www.glamenv-septzen.net/en/view/6。

int 10h是干嘛的?

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21


当出现int 10h中断时，表示要操作显示器了，此时AH寄存器表示如何显示，代码中的AH为13h，表示要在TTY（伪终端）显示字符，此时其他几个寄存器都有一定的含义，如下所示：

ES:BP -- 显示字符串的地址CX -- 显示字符串的长度

BH -- 页码                      BL -- 属性(若AL=00H或 01H)

DH -- 行  DL -- 列

AL -- 显示输出方式

下面一段代码也就不难理解了：

mov ax, cs
mov es, ax
mov ax, msg
mov bp, ax                    ; ES:BP表示显示字符串的地址
mov cx, msgLen                ; CX存字符长度
mov ax, 1301h                 ; AH=13h表示向TTY显示字符，AL=01h表示显示方式（字符串是否包含显示属性，01h表示不包含）
mov bx, 000fh                 ; BH=00h表示页号，BL=0fh表示颜色
mov dl, 0                     ; 列
int 10h

$和$$是什么意思？

1
2
3
4
5
6
7


$   是当前位置
$$ 是段开始位置

下面两句就不难理解了：

msgLen: equ $ - msg           ; 字符串长度
times 510 - ($ - $$) db 0     ; 填充剩余部分

为什么要有0xaa55h魔数？

BIOS检查完硬件后，会寻找下一个设备来启动计算机，BIOS找到一个设备后，会读取该设备的第一个扇区，也就是读取最前面的512个字节。如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA，表明这个设备可以用于启动；如果不是，表明设备不能用于启动，控制权于是被转交给"启动顺序"中的下一个设备。

第五节制作软盘镜像，加入主引导记录

如何用dd命令制作软盘，自行google之。

首先，我们制作一个空的软盘镜像empty.img：

dd if=/dev/zero of=empty.img bs=512 count=2880

之后，我们制作一个包含主引导记录boot.bin的镜像文件lucasOS.img:

dd if=boot.bin of=lucasOS.img bs=512 count=1

然后，将empty.img中1个扇区后的数据拷贝到lucasOS.img的后:

dd if=empty.img of=lucasOS.img skip=1 seek=1 bs=512 count=2879

这样就做成了一个大小为1.44Mb的包含主引导记录的软盘镜像文件lucasOS.img。

将虚拟机ubuntu中的文件lucasOS.img拷贝到windows下（鼠标直接拖拽，如果不行google之）。

第六节用软盘镜像lucasOS.img启动一个空的虚拟机

VMware创建空的虚拟机，去掉开机从CD/DVD启动选项。

网络选择host-only模式。

选择从软盘驱动，路径选择上一节已经拷贝到windows下的镜像lucasOS.img.

开启虚拟机电源，看到如下画面，恭喜你，成功了。

好了，至此，我们完成了主引导记录，后续会讨论载入内核，并进一步讨论进程管理、内存管理、文件系统和中断等等。

代码获取

本系列GitHub地址 https://github.com/lflxp/lucasOS.git

获取代码:

git clone https://github.com/lflxp/lucasOS.git

本讲的代码是code/chapter1，笔者已经将上面的命令集成到Makefile中了，读者只需进入目录，按ReadMe.txt执行即可。有问题请留言。

文章目录

第一节 开发环境