自己动手写操作系统(一)

作者：伊梅 本文选自：开放系统世界——赛迪网 2002年10月10日


自由软件社区是一个充满自由和梦想的地方，在10余年的时间里它创造了一个又一个奇迹。然而，这些奇迹的创造者不只是Stallman，也不只是Linus Torvalds，而是活跃在世界各地的不计其数的开发人员。

在使用各种功能强大的自由软件时，我总会对其开发者充满崇敬之情，期盼有朝一日自己也能成为他们中的一员。很多对自由社区充满向往之情的人，虽然也想努力融身于其中，但又不知该怎么做。那么，就请与我们一起从编写一个简单的操作系统开始吧！

我们要做的事情

有人可能担心自己既没有学过计算机原理，也没有学过操作系统原理，更不懂汇编语言，对C语言也一知半解，能写操作系统吗？答案是没问题。我将带大家一步一步完成自己的操作系统。当然如果学一学上述内容再好不过。

首先要明确处理器(也就是CPU)控制着计算机。对PC而言，启动的时候，CPU都处在实模式状态，相当于只是一个Intel 8086处理器。也就是说，即使你现在拥有一个奔腾处理器，它的功能也只能是8086级别。从这一点上来讲，可以使用一些软件把处理器转换到著名的保护模式。只有这样，我们才可以充分利用处理器的强大功能。

编写操作系统开始是对BIOS控制，取出存储在ROM里的程序。BIOS是用来执行POST(Power On Self Test，自检)的。自检是检查计算机的完整性(比如外设是否工作正常、键盘是否连接等)。这一切完成以后，你就会听到PC喇叭发出一声清脆的响声。如果一切正常，BIOS就会选择一个启动设备，并且读取该设备的第一扇区(即启动扇区)，然后控制过程就会转移到指定位置。启动设备可能是一个软盘、光盘、硬盘，或者其它所选择的设备。在此我们把软盘作为启动设备。如果我们已经在软盘的启动扇区里写了一些代码，这时它就被执行。因此，我们的目的很明确，就是往软盘的启动扇区写一些程序。

首先使用8086汇编来写一个小程序，然后将其拷贝至软盘的启动扇区。为了实现拷贝，要写一个C程序。最后，使用软盘启动计算机。

需要的工具

● as86：这是一个汇编程序，它负责把写的代码转换成目标文件。

● ld86：这是一个连接器，as86产生的目标代码由它来转换成真正的机器语言。机器语言是8086能够解读的形式。

● GCC：著名的C编程器。因为我们需要写一个C程序将自己的OS转移到软盘中。

● 一张空软盘：它用于存储编写的操作系统，也是启动设备。

● 一台装有Linux的计算机：这台机器可以很旧，386、486都可以。

在大部分标准Linux发行版中都会带有as86和ld86。在我使用的Red Hat 7.3中就包含有这两个工具，并且在默认的情况下，它已经安装在机器里。如果使用的Linux没有这两个工具，可以从网上下载(http://www.cix.co.uk/~mayday/)，这两个工具都包含在一个名为bin86的软件包中。此外，有关的文档也可以在网上获得(www.linux.org/docs/ldp/howto/Assembly-HOWTO/as86.html)。

开始工作

使用一个你喜欢的编辑器输入以下内容：

entry start start: mov ax,#0xb800 mov es,ax seg es mov [0],#0x41 seg es mov [1],#0x1f loop1: jmp loop1

这是as86可以读懂的一段汇编程序。第一个句子指明了程序的入口点，声明整个过程从start处开始。第二行指明了start的位置，说明整个程序要从start处开始执行。0xb800是显存的开始地址。#表明其后是一个立即数。执行语句：

mov ax,#oxb800

ax寄存器的值就变为0xb800，这就是显存的地址。下面再将这个值移至es寄存器，es是附加段寄存器。请记住8086有一个分段的体系结构。它的各段寄存器为代码段、数据段、堆栈段和附加段，对应的寄存器名称分别为cs、ds、ss和es。事实上，我们把显存地址送入了附加段，因此，任何送入附加段的东西都会被送到显存中。

要在屏幕上显示字符，就需要向显存中写两个字节。前一个是所要显示字符的ASCⅡ值，第二个字节表示该字符的属性。属性包括字符的前景色、背景色及是否闪烁等等。seg es指明下一个将要执行的指令是指向es段的。所以，我们把值0x41(在ASCⅡ中表示的字符是A)送到显存的第一个字节中。接下来要把字符的属性送到下一个字节当中。在此输入的是0x1f，该属性指的是在蓝色背景下显示白色的字符。因此，如果执行这个程序，就可以在屏幕上得到显示在蓝底上的一个白色的A。接着是一个循环。因为在执行完显示字符的任务后，要么让程序结束，要么使用一个循环使其永远运行下去。把该文件命名为boot.s，然后存盘。

此处显存的概念说得不是很清楚，有必要进一步解释一下。假设屏幕由80列×25行组成，那么第一行就需要160字节，其中一个字节用于表示字符，另外一个字节用于表示字符的属性。如果要在第三行显示某一字符的话，就要跳过显存的第0和1字节(它们是用于显示第1列的)，第2和3字节(它们是用于显示第2列的)，然后把需要显示字符的ASCⅡ码值入第4字节，把字符的属性写入第5字节。

把程序写至启动扇区

下面写一个C程序，把我的操作系统写入软盘第一扇区。程序内容如下：

#include /* unistd.h 需要这个文件 */ #include /* 包含有read和write函数 */ #include int main() { char boot_buf[512]; int floppy_desc, file_desc; file_desc = open("./boot", O_RDONLY); read(file_desc, boot_buf, 510); close(file_desc); boot_buf[510] = 0x55; boot_buf[511] = 0xaa; floppy_desc = open("/dev/fd0", O_RDWR); lseek(floppy_desc, 0, SEEK_CUR); write(floppy_desc, boot_buf, 512); close(floppy_desc); }

首先，以只读模式打开boot文件，然后在打开文件时把文件描述符复制到file_desc变量中。从文件中读取510个字符，或者读取直到文件结束。在本例中由于文件很小，所以是读取至文件结束。然后关闭文件。

最后4行代码打开软盘驱动设备(一般来说是/dev/fd0)。使用lseek找到文件开始处，然后从缓冲中向软盘写512个字节。

在read、write、open和lseek的帮助页中，可以看到与函数所有有关的参数及其使用方法。程序中有两行比较难懂：

boot_buf[510] = 0x55; boot_buf[511] = 0xaa;

该信息是用于BIOS的，如果它识别出该设备是一个可启动的设备，那么在第510和511的位置，该值就应该是0x55和0xaa。程序会把文件boot读至名为boot_buf的缓冲中。它要求改变第510和第511字节，然后把boot_buf写至软盘之上。如果执行代码，软盘上的前512字节就包含了启动代码。最后，把文件存为write.c。

编译运行

使用下面的命令把文件变为可执行文件：

as86 boot.s -o boot.o ld86 -d boot.o -o boot cc write.c -o write

首先将boot.s文件编译成目标文件boot.o，然后将该文件连接成最终的boot文件。最后C程序编译成可执行的write文件。

插入一个空白软盘，运行以下程序：

./write

重新启动电脑，进行BIOS的界面设置，并且把软盘设为第一个启动的设备。然后插入软盘，电脑从软盘上启动。

启动完成后，在屏幕上可以看到一个字母A(蓝底白字)，启动速度很快，几乎是在瞬间完成。这就意味着系统已经从我们制作的软盘上启动了，并且执行了刚才写入启动扇区的程序。现在，它正处在一个无限循环的状态。所以，如果想进入Linux，必需拿掉软盘，并且重启机器。

至此，这个操作系统就算完成了，虽然它没有实现什么功能，但是它已经可以启动机器了。

下一期我将在这个启动扇区程序里加入一些代码，使它可以做一些比较复杂的事情(比如使用BIOS中断、保护模式切换等等)。