高手揭密 开发简单“操作系统”全过程

Posted 2021-11-27 goldcrop

一篇不错的文章，按照这篇文章的指导我制作了第一个自己的“操作系统”，也就是一个引导程序啦，当时还是很兴奋的哦！

　　写在前面

　　写一个PC机的引导程序比我们想象的容易很多，事实上所需要了解的只是知道PC机是怎样启动的。在网上看到不少类似的文章，说的很多，有的很麻烦，笔者觉得仅仅是写一个引导程序完全没有必要牵涉太多东西，知道足够的知识用于去实际地写一个出来看看是很多人最初的目的，那这篇文章就刚好适合你了。这篇文章的立足点就是短、简单、一看就懂，而又不会看完了什么都不知道就写出一个连自己都看不懂的代码。

　　另外，机器人天空重新改版，笔者兴奋的看到了一个真正的机器人网站，囊括了机器人科学与技术这样庞大的系统工程的各个方面，在此献上这篇文章给机器人天空的操作系统专栏，祝愿机器人天空越办越好，并能够为中国的机器人爱好者们带来更多更丰富的信息与资源，做更多的实事！同时，也希望广大的机器人爱好者和有识之士都能出一份力，为祖国更美好的明天共同努力！笔者与您共勉。

　　现在，让我们开始引导程序初探！
　
　　[什么？]  

　　很多文章中把写一个引导程序称作是开发一个最简单的操作系统，其实这是非常片面的，引导程序算不上操作系统，虽然此程序可以运行在裸机上。所谓引导程序，直观的说就是在系统加电启动时Bios第一个执行的程序。

　　引导程序要想发挥作用，让机器识别，就必须安置在一个特别的位置，这个位置就是磁盘的第一个扇区（0面0磁道1扇区，备注：没有0扇区），而一个包含引导程序的扇区叫作引导扇区。
  
　　一个合法的引导扇区（1）通常包含512个字节（当然喽，一个扇区通常本来就是512个字节），（2）并且以0xAA55这样一个占用两个字节的数据结尾作为标志符。（备注：0x前缀说明这是一个十六进制数）。

　　也就是如果把引导扇区看成一个字符数组的BootSector[]话（因为一个字符，即char，刚好为一个字节），那么这个数组就拥有512个元素，如果用C语言申明的话即为
char BootSector[512];

　　接着，一个合法的引导扇区必须以0xAA55结束，即
BootSector[510] = 0x55;
BootSector[511] = 0xAA;

　　除了结束标志必须符合上面的要求之外，中间虽然还有510字节的空间，但执行代码可以少于510字节，用无意义字符（通常用0x0）填充剩余空间即可。

　　[过程]

　　PC是通过BIOS来启动机器的，当PC机加电之后BIOS启动相应的程序完成机器的自检，然后就寻找可以引导的驱动器，即大家通常所说的启动盘。在 BIOS中可以设置从哪个盘启动，但通常总要检查硬盘，所以当BIOS检查完前面的启动设备之后，如果没有发现任何引导程序，那么就会开始检查主硬盘，即 C盘。如果此时在C盘上找到了合法的引导扇区，那么就会将引导扇区的内容（共512字节）装载到内存0x0000:07C00处。此时BIOS把控制权限交给这段引导程序。

　　那么，接下来，引导程序通常会简单的执行一些指令，比如输出一段文字，显示一个启动界面等等，但最重要的，引导程序将会启动一个更大的程序，然后把权限交给他，这通常就是我们所说的操作系统内核。额外补充一句，目前对操作系统的定义有不少，但笔者比较赞成的观点如下：

　　从形式上看，操作系统是：从计算机启动到结束的过程中始终在运行的程序。而这通常就是我们所说的操作系统内核。从功能上看，操作系统：管理和维护所有的硬件、软件、数据资源，并为上层应用或服务提供一个抽象的接口。从某种层面上看，第二中定义更接近于虚拟机。（闲话一段^_^）

　　[如何]

　　现在，已经了解了这些基本的概念，那么，如何动手制作这样的引导扇区呢？这个过程十分简单，

　　（1）首先按照要求写一个合法的引导程序（通常用汇编，机器码也可以，呵呵）；
　　（2）然后将其通过汇编程序，如NASM汇编成二进制文件；
　　（3）最后，将这个二进制文件写入到目标盘的第一个扇区。

　　跟我做:-P]

　　上面说的很简单吧？那好，现在我们来写一个吧！

　　第一步：写代码

; 文件名：boot.asm
; 代码如下，注意，汇编中通常用“;”来表示注释内容
; 此段代码参考《自己动手写操作系统》（于渊）
;
; 初始化函数
org 07c00h            　　; 告诉编译器将此段程序加载
                      　　; 到内存0x0000:07C00处
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
call PrintStr         　　; 调用屏幕打印函数
jmp $                 　　; 无限循环


PrintStr:             　　; 屏幕打印函数
mov ax, HelloWorld    　　; 将字符串拷贝到ax
mov bp, ax            　　; es:bp = 串地址
mov cx, 24            　　; cx = 串长度
mov ax, 01301h        　　; ah = 13, al = 01h
mov bx, 000ch         　　; 页号为0（bh = 0） 黑底红字（bl = 0ch，高亮）
mov dl, 0
int 10h               　　; 10h号中断
ret


HelloWorld: db "Welcome to Lee‘s OS *_*" ; 字符串负值
times 510-($-$$) db 0 　　; 用0x0填充剩余的空间使生成
                      　　; 的二进制代码刚好为512字节

dw 0xaa55             　　; 结束标志
; 整个程序结束！很短吧

　　第二步：汇编

　　假设你已经安装了NASM程序，那么进入命令行模式，然后输入以下命令：

C:[PATH]\ nasm boot.asm -o boot.bin
其中“C:[PATH]\”为boot.asm代码文件所在位置。
现在如果不出意外的话，你已经拥有了boot.bin二进制文件，这个就是引导程序！

　　第三步：制作引导盘

　　由于不能随便更改硬盘，否则系统无法进入原来的操作系统，所以我们用软盘来试验。

　　那么，我们准备一张软盘。

　　现在，我们要自己写一个程序将我们汇编得到的二进制文件写到软盘的第一个扇区。
C语言程序代码如下：

/***************START***************/
#include
#include

int main(void)
{
　　FILE *in;
　　unsigned char buffer[520];

　　if((in = fopen("boot.bin", "rb"))==NULL)
　　{
    　　printf("Error loading file\n");
    　　exit(0);
　　}

　　fread(&buffer, 512, 1, in);
　　while(biosdisk(3, 0, 0, 0, 1, 1, buffer));
　　fclose(in);

　　return 0;
}
/****************END****************/

　　注意，这个程序必须同boot.bin文件在同一目录下，然后将软盘放进软驱，运行此程序。

　　第四步：GOGOGO