使用C语言开发操作系统（1）

怎样用C语言写操作系统
尽管我的题目是“用C语言写操作系统”，但是，仅仅使用C语言是写不出操作系统的。我看到很多篇关于自己动手 开发操作系统的文章，几乎全来自一篇叫“Write Your Own Operating System Tutorial”英文文章，而且，使用的全是汇编语言。如今能够精通汇编语言的人已属凤毛麟角，而且现代操作系统的主体部分是用C语言写的，难道所谓的“Own Operating System”只能用汇编语言吗？在下不才，使用C语言（在某些部分必须结合汇编语言）写了一个可以与上述文章中提到的操作系统相媲美的操作系统，抛砖引玉，希望能够将其发展成为真正的中国人自己的操作系统。
我是在Windows环境下开发的，而不是大多数人选择的Linux环境。开发工具也是Microsoft公司的开发工具：masm615和VC15。微软公司的masm流传甚广，大家应该不陌生。对vc15可能较陌生，vc15堪称开发DOS程序的最“高档”编译器（尽管有很多BUG）。如果实在找不到这些开发工具，使用TASM、Turbo C或者Borland C++都是可以的。所给出的例子以masm615和vc15为准，转移到TASM、TC或BC平台，应该不难。有一条原则需要注意，在这里，源码必须使用TINY模式编译，也就是说，必须生成实模式代码。
1.          建立开发环境
这一步非常的简单。
将masm613和vc15的压缩包分别解压到e:/masm615和e:/msvc15目录下。你也可以放到其他目录下，根据自己的情况而定，但是下面用到的编译命令需要作相应的修改。也不需要添加或修改任何的环境变量。

2.          IBM PC的启动及当时的内存使用情况

这一部分内容已经是老生常谈了，但又不能不说。我们只说从硬盘引导的情况。

当 BIOS经过 POST（ Power On Test Self）后，将硬盘 MBR读到内存 0x0000:0x7C00的位置，然后从这里开始执行。一般的情况， MBR将选择活动分区进行操作系统的启动。在 MBR开始执行时，内存使用的情况如下图所示，地址数据用 16进制表示：

 

               

 

这已经是老掉牙的内容了，但是，在 20年前却十分流行。如果想更详细的了解这方面的内容，找本讲解 DOS的书看看吧。

我们自己的操作系统将被加载到 0x1000:0x0100。这不是必需或者必然的，是人为选择的，你也可以将其放在 0x4321:1234等其他地方。但是，上图中注明有其他用途的内存区域，应该保留，否则，你会后悔的。

3.          开发操作系统

我们自己的操作系统运行在实模式环境下（如果您不知道什么是实模式，也请看看 20年前出版的当时非常流行的书，或者直接请教当时的前辈高手）。即使你的电脑是 P4的 CPU，刚启动时，也只相当于主频较高的 8086而已。但是，没有关系。

首先，使用汇编语言写一个框架，文件名是 entry.asm：

; ;   entry.asm ;   Copyright (C) 2004, Tian XiangYuan ; .MODEL TINY,C .386p   option expr32 option casemap:none   cmain PROTO NEAR C   .CODE     ORG 0100h ;偏移地址 _start:     jmp begin     nop     DB 'TianXiangYuan',0 ;the magic of my os     begin:     cli     mov ax,cs     mov ds,ax     mov es,ax     mov ss,ax     mov sp,0FFFFh     sti         call cmain ;调用C语言写的主函数         mov ax,4c00h ;调用DOS的功能（为了调试），与我们自己的操作系统无关     int 21h

 

这段代码非常简单，应该没有什么问题。

已经说了，操作系统将从 0x1000:0x0100加载，说是无心，实则有意。我们知道， TINY模式的程序，在 DOS下运行时，其起始地址就是 0x0100，前面的 256Byte是参数部分。如果直接将操作系统在系统启动时加载到 0x1000:0x0100，调试时非常麻烦。我们将其起始地址设为 0x0100，使其可以在 DOS下运行（这也是在程序的最后包含 int 21h指令的原因），确认正确无误后，再进行下一步的开发。

下面再看 C语言的代码，文件名是 main.c：

…… static void InitShell() { } void cmain() {     InitShell();     TermShell(); }

 

顾名思义，其中实现了一个简单的 shell。因为该程序本身是操作系统的一部分，所以，平时经常使用的一些 C库函数，在这里就不能使用了。总之，一切都要自己动手实现。幸好，在实模式下，几乎所有的设备的驱动都包含在 BIOS中了，我们可以直接使用。否则，连从键盘读一个键值这样的事都需要自己写键盘的驱动程序，实在太难了。也是这个原因，我们自己的操作系统没有将 CPU转到保护模式下，有心之人可以试试。

下面的事情几乎都可以使用 C语言实现了。

第一，初始化显示模式。系统启动时，显卡已经被初始化成 3模式了，就是 80X25的彩色模式（除非你的显示器是单色显示器），我们不需要再做什么了。当然，你也可以将显卡设成 VGA甚至 SVGA模式，只要你的 BIOS和显卡支持。

第二，实现一个具有简单交互功能的 shell。代码不全，请自己补齐，或参看附件。

/*  *从键盘读一个字符，如果没有输入，则等待；返回值的低字节为asii码，高字节为键盘扫描码 */ static int getch() {     int chr=0;     __asm     {         mov ah,00h         int 16h         mov chr,ax     }     return chr; } /* *使用TTY模式向屏幕输出一个字符 */ static void putch(unsigned char key) {     __asm     {         mov bh,0         mov al,key         mov ah,0Eh         int 10h     } }   #define KEY_BACKSPACE 0x08 #define KEY_ENTER 0x0D #define KEY_NEWLINE 0x0A #define KEY_ESCAPE 0x1B   static int printk(const char* str,...) {     …… //给大家一点空间，自己实现吧 } static void endline() {     putch(KEY_NEWLINE); //Line Feed (LF)     putch(KEY_ENTER); //Enter (CR) } static char msg_prompt[]="CMD:"; static void deal_cmd(char* cmd_line,int cmd_len) { …… //也请大家自己实现吧，例如，可以实现help，dir，cls，halt等命令 …… //其实，就是字符串比较的过程 } static void TermShell() {     char cmd_line[80]={0,};     int cmd_len=0;         endline();     printk(msg_prompt,sizeof(msg_prompt));         for (;;)     {         cmd_line[cmd_len]=getch();         switch(cmd_line[cmd_len])         {         case KEY_ENTER:             if (cmd_len>1)                 deal_cmd(cmd_line,cmd_len);             //break;         case KEY_ESCAPE:             cmd_len=0;             endline();             printk(msg_prompt,sizeof(msg_prompt));             break;         case KEY_BACKSPACE:             if (cmd_len>0)             {                 putch(0x08);                 putch(' ');                 putch(0x08);                 cmd_len--;             }             break;         default:             putch(cmd_line[cmd_len]);             cmd_len++;         }     } }

 

更复杂、功能更强大的方法请参考 BIOS的相关文档。也请大家发挥想象力，不断的扩展功能。说心里话，这个 “操作系统”比 dos还原始！但毕竟是自己的操作系统。

4.          编译方法

下面是 build.bat的内容。各种编译选项参看相关编译器的说明文档。

@echo off set PATH=e:/masm615/bin;e:/msvc15/bin; set AS=e:/masm615/bin/ml.exe set AFLAGS=/AT /W3 /X /Gd /Zp1 /nologo set CC=e:/msvc15/bin/cl.exe set CFLAGS=/Od /G3 /Gd /Gs /Zl /Zp1 /X /W3 /nologo del *.obj *.com *.cod *.dbg *.pdb *.map *.lst %AS% /c %AFLAGS% entry.asm if errorlevel 1 goto error %CC% /c %CFLAGS% /Fc main.c if errorlevel 1 goto error %AS% %AFLAGS% /Fe"boot.com" entry.obj main.obj if errorlevel 1 goto error goto exit   :error echo Failure...... :exit pause @echo on

 

5.          引导程序

我们自己的操作系统虽然写完了，但是还没有办法引导，使其拥有系统的控制权。你可以使用第三方的引导程序，只要它能够将我们的操作系统加载到内存的 0x1000:0x0100，并且 cpu工作在实模式下。如果实在找不到合适的引导程序，只有自己动手写一个了。

; ;   bootsect.asm ;   Copyright(C) 2004, Tian XiangYuan ; .MODEL TINY,C .386p   option expr32 option casemap:none   SYSSEG EQU 1000h SYSOFF EQU 0100h   .CODE     ORG 7C00h   _start:     jmp begin     nop     DB 'BOOTSECT',0 ;magic         pack_size DB 16     DB 0   ;reserved     DW 60 ;sectors     DW SYSOFF ;buf_addr_off     DW SYSSEG ;buf_addr_seg     DD 2 ;sector_from     DD 0 ;sector_from_high     begin:     cli     mov ax,cs     mov ds,ax     mov es,ax     mov ss,ax     mov sp,0FFFFh     sti         mov cx,msg_load_len ;length     lea bp,msg_load ;es:bp     call display_msg     ; read disk for my OS     lea si,pack_size     mov dl,80h     mov ax,4200h     int 13h ;使用LBA方式读硬盘     jc error         ; test magic of my os     lea si,magic_test ;ds:si     mov ax,SYSSEG     mov es,ax     mov di,SYSOFF     add di,3 ;es:di     mov cx,magic_test_len     cld test_again:     cmpsb     jnz error     loop test_again         push SYSSEG     push SYSOFF     retf ;转入操作系统执行   error:     mov ax,cs     mov es,ax     lea bp,msg_error ;es:bp     mov cx,msg_error_len     call display_msg   failure:     hlt     jmp failure   ;cx    : length of message ;es:bp : address of message ;void display_msg(); display_msg PROC NEAR C     ;scrollup a line     push cx     push bp     mov ax,0601h     mov bh,07h     mov cx,0000h ;y/x     mov dx,184Fh ;y2/x2, 24/79     int 10h     pop bp     pop cx     ;display message     mov ax,1301h     mov bx,000Ah     ;mov cx,msg_error_len     mov dl,0  ;x     mov dh,24 ;y     ;lea bp,msg_error ;es:bp     int 10h     ret display_msg endp   .DATA   msg_load DB 'Loading......',0 msg_load_len DW $ - msg_load   msg_error DB 'NO BOOTER,please reboot!',0 msg_error_len DW $ - msg_error   magic_test DB 'TianXiangYuan',0 magic_test_len DW $ - magic_test       end _start

 

上面这段代码，是 MBR的内容，他使用 LBA方式读硬盘（支持大硬盘），将我们自己的操作系统读入 0x1000:0x0100，然后转入操作系统执行。

很显然，我们的操作系统必须放在硬盘的 No.2（ LBA定位方式）扇区开始的 60个扇区之内（实际上我们的操作系统远没有这么大），这时我们的引导程序的硬性规定，如果使用第三方的引导程序，也许会更方便。

可以自己开发安装程序，也可以使用 WinHex工具将其写入硬盘。请一定注意数据安全，不要将硬盘分区搞坏，建议做好备份工作，或者使用没有重要数据的测试硬盘。顺便说一下，我是使用 WinHex写入测试硬盘的。

这段引导程序的编译方式与操作系统一样， build.dat文件如下：

@echo off set PATH=e:/masm615/bin; set AS=e:/masm615/bin/ml.exe set AFLAGS=/AT /W3 /WX /Gd /Zp1 /X /nologo del *.obj *.com *.cod *.dbg *.pdb *.map %AS% /c %AFLAGS% bootsect.asm if errorlevel 1 goto error %AS% %AFLAGS% /Fe"bootsect.com" bootsect.obj if errorlevel 1 goto error goto exit :error echo Failure...... :exit pause @echo on

 

6.          后记

我们自己的操作系统太原始了，连 DOS都不如！在这里，主要介绍的是一种开发方法，旨在说明使用 C语言如何开发像操作系统这样底层的软件。

闲暇时，将其移至 Linux平台下开发，并且使用 cpu的保护模式，毕竟这样才能发挥 80x86系列 cpu的强大功能。

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