从0开始编写操作系统（初级篇）

基础知识：

伪指令org用来规定目标程序存放单元的偏移量。比如，如果在源程序的第一条指令前用了如下指令：
org 200h
那么，汇编程序会把指令指针的ip的值设成200h,即目标程序的第一个字节放在200h处，后面的 内容则顺序存放，除非遇上另一个org 语句

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上篇文章我们实验了怎么用TC来编写无DOS调用的程序，那么接下来我们来看看怎么编写引导程序。
我们知道在机器跑起来后，经BIOS系统的检测后便会去读取引导盘（当然可以是硬盘或软盘）的第一个扇区的数据。如果在读取的512个字节的数据中（一个扇区即512个字节）最后一个字为0Xaa55，那么BIOS即认为这是个引导程序，即将其运行并把控制权交给了此应用程序。OK，为了检验我们来写个这样的程序，看看是否成功。
我们将上文中的 Jig.c 中的内嵌汇编的内容来做个演示。编写以下代码：

;shiyan.asm
org 07c00h

mov ah, 0x0e
mov al, 't'
mov bl, 7
int 0x10

times 510 - ($ - $$) db 0 ; 填充剩下的空间，使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 0xaa55 ; 结束标志

然后将其编译 nasm shiyan.asm -o shiyan.bin
好的，这样我就有了一个很小很简单的引导程序，为了保证我们心爱的硬盘的安全我们还是先用软盘来做实验。OK，那我们再用WIN-TC写一个将此引导程序写了软盘的程序。其实很简单，使用biosdisk()函数就OK啦。（不熟悉此函数的朋友自己到网上去查）

/* writer.c */
#include <stdio.h>
#inlcude <bios.h>

void main(void)
{
FILE *fp;
char buffer[512];

fp = fopen("shiyan.bin", "rb");
fread(buffer, 512, 1, fp); /* 将shiyan.bin的内容存入buffer数组中 */
fclose(fp);

biosdisk(3, 0, 0, 0, 0, 1, buffer); /* 将buffer写入第一扇区 */
}

OK，编译此程序。在软区插入一张软盘。运行程序就可以把shiyan.bin写入软盘的第一扇区。（程序没有做出错处理，不过一般是不会出错的）好的，关机重启，在BIOS中改为从软盘其中。等待一会你会看到屏幕上显示了一个字母 t。这说明我们写入软盘的程序跑起来了，一个简单的引导程序就写成。

好的，关机重启系统。OK，来到系统的 我的电脑 中查看软区，“什么？竟然提示无磁盘？”难道我们的软盘坏了？呵呵，不要着急，我们的软盘没有坏，而是我们上面的引导程序将磁盘中的一些信息覆盖了，而这些信息就是磁盘格式（当然也是我们硬盘的一种格式），我们以后将逐步详细介绍磁盘格式。要知道我们以后的文件系统就靠他了。（当然这个是我自己的猜想，自从我研究了FAT12磁盘格式，我就认定DOS，WINDOS的文件系统应该是靠他来建立的，所以当我们完全认识到这点后我们也许可以自己定义一个新的磁盘格式。当然我是不会这样做啦，呵呵，还是用前人研究出来的东西比较稳妥，呵呵）

function StorePage(){d=document;t=d.selection?(d.selection.type!='None'?d.selection.createRange().text:''):(d.getSelection?d.getSelection():'');void(keyit=window.open('http://www.365key.com/storeit.aspx?t='+escape(d.title)+'&u='+escape(d.location.href)+'&c='+escape(t),'keyit','scrollbars=no,width=475,height=575,left=75,top=20,status=no,resizable=yes'));keyit.focus();}

开发操作系统一直被认为是高不可攀的事，的确，开发一个安全的，完整的，健全的OS是非常复杂的工作，不是一两个人能完成的。但是一个简易的操作系统是可以由一个人在很短的时间开发出来的。我将陆续发表开发简易操作系统的全过程，尽力提供完整的源代码，参考资料和文字说明，我也是OS开发的初学者，希望能得到各位读者的技术支持。该简易操作系统我称为Colimas Simple OS，它包括引导程序，图形界面，鼠标和键盘驱动，内存管理，计时器，多任务处理，控制台，Shell命令，API。

1． 开发环境
本文使用Qemu虚拟机，可以在Windows XP内虚拟软盘镜像文件。Qemu是开源软件，可以在http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/下载。C编译器使用Cygwin下的GCC，汇编编译器使用Nasm，可以在http://sources.redhat.com/cygwin/下载。
操作系统开发在FAT12文件系统的软盘里，FAT12文件系统格式参考http://en.wikipedia.org/wiki/FAT32#FAT12的Design部分。

2． 引导程序１
;boot.s
;Colimas Simple OS
org 0x7c00 ;引导程序开始位置
;Fat12文件系统格式参考 http://en.wikipedia.org/wiki/FAT32#FAT12
; |offset|Length|Descripton
jmp entry
db 0x90 ; 0x00 3 Jump instruction(to skip over header on boot)
db "COLIMAS " ; 0X03 8 OEM Name
db 512 ; 0x0b 2 Bytes per sector. The BIOS Parmeter Block starts here.
db 1 ; 0x0d 1 Sectors per cluster
db 1 ; 0x0e 2 Reserved sector count(including boot sector)
db 2 ; 0x10 1 Number of file allocation tables
db 224 ; 0x11 2 Maximum number o root directory entries
db 2880 ; 0x13 2 Total sector:80 tracks * 18 sectors * 2 sides=2880
db 0xf0 ; 0x15 1 Media descriptor
db 9 ; 0x16 2 Sectors per File Allocation Table
db 18 ; 0x18 2 Sectors per track
db 2 ; 0x1a 2 Number of heads
db 0 ; 0x1c 4 Hidden sectors
db 2880 ; 0x20 4 Total sectors again
db 0 ; 0x24 1 Physical drive number
db 0 ; 0x25 1 Reserved("current head")
db 0x29 ; 0x26 1 Signature
db 0xffffffff ; 0x27 4 ID(serial number)
db "Colimas OS "; 0x2b 11 Volume Label
db "FAT12 " ; 0x36 8 FAT file system type, FAT12
resb 18 ; 为了安全添加18 bytes个0

entry:
mov ax,0 ;寄存器初始化
mov ss,ax
mov sp,0x7c00 ;栈指针赋为0x7c00,既引导程序初始地址
mov ds,ax
mov es,ax
mov si,msg ;source index为msg第一个字符地址

putloop:
mov al,[si] ;第一个字符->al
add si,1 ;si+1
cmp al,0 ;比较0寻找最后一个字符，msg之后的byte是0
je fin ;如果等于0则，调到fin
;video bios参考http://en.wikipedia.org/wiki/BIOS_interrupt_call
mov ah,0x0e ;显示字符
mov bx,15 ;黑色
int 0x10 ;调用video bios中断
jmp putloop
fin:
hlt ;cpu停止
jmp fin ;死循环

msg:
db 0x0a,0x0a ;换行
db "Colimas Simple OS Initialize..."
db 0x0a ;换行
db 0

resb 0x1fe-($-$$) ;510 bytes为1止均设为0
db 0x55,0xaa ;sector结束
编译与运行：
$ nasm boot.s -o boot.bin
$ cp boot.bin ../qemu
$ ./qemu-win.bat
其中qemu-win.bat的内容是
@set SDL_VIDEODRIVER=windib
@set QEMU_AUDIO_DRV=none
@set QEMU_AUDIO_LOG_TO_MONITOR=0
qemu.exe -L . -m 32 -localtime -std-vga -fda boot.bin
运行结果



3．引导程序2
上文已经作了简单的引导程序，引导程序利用了软盘的第一个Sector作为引导sector，下面开始读取软盘第2个Sector。
读取磁盘需要使用Disk Bios，int 13中断，参考http://en.wikipedia.org/wiki/BIOS_interrupt_call#INT_13h_AH.3D02h:_Read_Sectors_From_Drive

;boot.s
;Colimas Simple OS
org 0x7c00 ;引导程序开始位置
;Fat12文件系统格式参考 http://en.wikipedia.org/wiki/FAT32#FAT12
; |offset|Length|Descripton
jmp entry
db 0x90 ; 0x00 3 Jump instruction(to skip over header on boot)
db "COLIMAS " ; 0X03 8 OEM Name
db 512 ; 0x0b 2 Bytes per sector. The BIOS Parmeter Block starts here.
db 1 ; 0x0d 1 Sectors per cluster
db 1 ; 0x0e 2 Reserved sector count(including boot sector)
db 2 ; 0x10 1 Number of file allocation tables
db 224 ; 0x11 2 Maximum number o root directory entries
db 2880 ; 0x13 2 Total sector:80 tracks * 18 sectors * 2 sides=2880
db 0xf0 ; 0x15 1 Media descriptor
db 9 ; 0x16 2 Sectors per File Allocation Table
db 18 ; 0x18 2 Sectors per track
db 2 ; 0x1a 2 Number of heads
db 0 ; 0x1c 4 Hidden sectors
db 2880 ; 0x20 4 Total sectors again
db 0 ; 0x24 1 Physical drive number
db 0 ; 0x25 1 Reserved("current head")
db 0x29 ; 0x26 1 Signature
db 0xffffffff ; 0x27 4 ID(serial number)
db "Colimas OS "; 0x2b 11 Volume Label
db "FAT12 " ; 0x36 8 FAT file system type, FAT12
resb 18 ; 为了安全添加18 bytes个0

entry:
mov ax,0 ;寄存器初始化
mov ss,ax
mov sp,0x7c00 ;栈指针赋为0x7c00,既引导程序初始地址
mov ds,ax
mov es,ax
mov si,msg ;source index为msg第一个字符地址

putloop:
mov al,[si] ;第一个字符->al
add si,1 ;si+1
cmp al,0 ;比较0寻找最后一个字符，msg之后的byte是0
je fin ;如果等于0则，调到fin
;video bios参考http://en.wikipedia.org/wiki/BIOS_interrupt_call
mov ah,0x0e ;显示字符
mov bx,15 ;灰色
int 0x10 ;调用video bios中断
jmp putloop
;读取磁盘第2个Sector数据
reading:
mov ax,0x0820
mov es,ax ;0x0820(es) * 16=0x8200
mov ch,0 ;track/cylinder number
mov dh,0 ;head number
mov cl,2 ;sector number
mov ah,0x02 ;status of reading disk sector
mov al,1 ;number of sectors read
mov bx,0 ;0x0820(es) * 16 + 0(bx)=0x8200, 0x7e00~0x9fbff之间
mov dl,0x00 ;A drive
int 0x13 ;Read
jc error ;on error goto label error

mov si,msg2 ;source index msg2第一个字符地址
putloop2:
mov al,[si] ;第一个字符->al
add si,1 ;si+1
cmp al,0 ;比较0找最后一个字符，msg之后的byte是0
je fin ;
mov ah,0x0e ;显示字符
mov bx,15 ;灰色
int 0x10 ;调用video bios中断
jmp putloop2
error:
mov ax,0
mov es,ax
mov si,errmsg
putloop3:
mov al,[si]
add si,1
cmp al,0
je fin
mov ah,0x0e
mov bx,15
int 0x10
jmp putloop3
;读完后，休眠
fin:
hlt ;cpu停止
jmp fin ;死循环
msg:
db 0x0a,0x0a ;
db "Colimas Simple OS Initialize..."
db 0x0a ;
db "Reading disk..."
db 0x0a ;
db 0

msg2:
db "1 sector was read."
db 0x0a
db 0
errmsg:
db "load error"
db 0x0a
db 0

resb 0x1fe-($-$$)
db 0x55,0xaa ;
编译与运行：
$ nasm boot.s -o boot.bin
$ cp boot.bin ../qemu
$ ./qemu-win.bat



笑
（未完）-C语言的开始，编写图形显示程序。

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