[翻译]如何开始开发自己的操作系统

This tutorial is written by K.J. and Joachim Nock. Updated 2002.11.20 by K.J.

原文地址：http://www.osdever.net/tutorials/view/getting-started-in-os-development

译者能力有限，欢迎砍砖，共同进步

正文开始

目前看来确实有很多人想要写一个自己的操作系统，但是他们不知道到底从哪开始，而且他们不知道到底都需要掌握哪些计算机语言。

其实，让我开始写我自己的操作系统的时候，我确实也经历了这样的问题。因此我写了这个如何开始开发操作系统的教程。

我写了个Q&A表来帮助大家理解。

Q：要写一个自己的操作系统，我都应该掌握哪些计算机语言？

A：你需要至少知道汇编语言（ASM），因为你将使用它去写一个bootsector（下面会解释这个问题）以及不少其它的事情。我还建议你需要学习C/C++，与汇编语言相比它更好理解一些。你可以把它们都用在你的操作系统中。你可能会想使用Pascal和汇编去替代C++，但是我建议使用C/C++和汇编。（记住这里有一些关于C++和操作系统开发的特别的问题）

Q：什么是bootsector（引导扇区）？

A：bootsector被存在你的软驱或者硬盘最前端的小程序。它用来帮助找到你的内核（这是你操作系统的主要部分），并且把它加载到内存中，并且运行它。

Q：是不是我不得不在一个操作系统上去写的我的操作系统？

A：是的，很多人使用MS Windows或者Linux来开发他们的操作系统。

Q：我应该使用什么编译器？

A：对于汇编语言来说，我建议使用NASM，因为他是免费的，有很好的文档，可以输出很多文件格式，并且支持大多数操作系统，我们可以找到很多可用的源代码示例。对于C/C++来说，我建议使用Linux的朋友使用gcc，MS Windows平台下的朋友使用DJGPP。（它们是相互兼容的）。

Q：怎么做才能让我的操作系统的bootsector启动起来？

A：你需要输出一个二进制文件。如果你使用NASM的话，你需要使用-f bin参数，如果你使用C/C++的话你需要一个linker（连接器）去做这些事情（下面会介绍linker）。

Q：什么是linker，我应该怎么把它用在我的开发中。

A：一个linker可以把编译器生成的文件链接成一个文件。在操作系统开发过程中，你将会经常想要把你的文件链接成一个庞大的2进制文件。对于LD（大多数人一般都会与DJGPP或者gcc一起使用连接器）我们需要使用—oformat binary参数。如果你使用LD的话，你可能还需要一个linker script（链接脚本）去控制的你链接。见My suggestions for making your OS。

http://www.osdever.net/mysuggestions.php

译者注：链接已经失效

Q：什么是Real Mode（实模式）？

A：Real Mode是一个当你打开x86(386,486,Pentium,etc)电脑时的CPU状态。Real Mode有以下几个劣势：

它缺乏保护，并且缺乏阻止程序与其他程序发生混乱和冲突的能力。

也许你只有一个任务

你最多只有1兆的地址空间。

你必须分段去访问内存。

Q：什么是Protected Mode（保护模式）？

A：Protected Mode（还称作PMode）是一个Real Mode的进阶模式。Protected Mode相对Real Mode有以下几个优势:

Protected Mode是被保护的，这个是一个去阻止程序与其他程序发生冲突混乱的能力（这是Protected Mode的名字的由来）。

也许你只有几个任务（就像Windows和Linux）。

你有4G的内存空间，是的4G。（一次使A20-Gate可用，看下一个问题）。

你可以使segmentation（段）去访问内存。

如果这还不够明显，那除非你有一个非常特殊的原因去使用Real Mode，否则你的操作系统需要运行在Protected Mode下。

Q：什么是A20-Gate？

A：8086微处理器（也就是在286，386，486，奔腾等之前的Intel处理器）可以寻址（access）1MB的地址空间（access space）。对于这个寻址范围，20根地址线（A0-A19）已经足够了。在Intel发明了80286（通常被叫做286）之后。80286需要寻址到16MB的寻址空间，但是80286却是和8086一样的（这是为了保证哪些为8086开发的程序也能同样运行在80286上）。

那解决方案是什么呢。首先必须要给80286更多的地址门，但是一些程序已经依赖于这1MB的地址空间。

让我们看看在这种情况下8086看到了什么：你有一个地址：11111111111111111111，当你要给它加1的时候，结果却是0。原因是你没有第21位（A20）。但是80286确实有很多位。

为了解决这个问题，Intel创造了80286 A20-Gate关闭模式，这种情况下，地址范围就是20位。因此，为了寻址超过1MB的内存，我们必须打开A20-Gate。

Q：什么是selector？

A：selector（有些情况也被叫做descriptor）是一个分段的定义。它包含了基础段属性的一个描述。像基段（它是内存的开始）和段的极限（它的长度）。每个selector都有64 位长。关于它的更多描述，我们可以看GDT和LDT。

Q：什么是GDT？

A：GDT是一个包含selector的表。简单的说，它为寻址所有的selector提供了一个开始地址。

译者注 start

这里关于GDT的解释非常少，所以我再解释一下

GDT全称是Global Descriptor Table

在我们实际使用CPU的时候，肯定是同时执行N个程序，每个程序都会有自己的内存空间，因此我们要为每个程序声明自己的内存空间。

所以要使用GDT（中文是啥我也不知道）。

内存会被分成若干个segmentation（段）。

这样我们就可以为每个程序声明ORG 0，但是在声明之前，我们需要为每个segmentation声明一些信息：

段（segment）的大小

段在内存中的开始位置

段的管理属性，比如只读，系统专用等。

以上内容参考自tetsu的博客，我会在Reference List写下它的地址。

译者注 end

Q：什么是interrupt（中断）？

A：interrupt是一个中断现在CPU任务的信号。它告诉CPU你要接受一个重要的事件。举个硬件中断的例子，CPU需要中断现在的任务去运行中断捕获者（interrupt handler => 中断处理函数）。这个中断捕获者（中断处理函数）是一个特别的功能，它被设计去捕获（handle => 处理）一些具体的中断（比如从键盘输入文字）。对中断来说他们有很多特别的特性，举个例子，他常被用于去把ring 3转换成ring 0（they can be used to switch from ring 3 to ring 0），它们在操作系统中可能被用于做一个系统呼叫。

译者注 start

这个是程序的运行级别, ring 0级是最高级别, 通常是系统内核运行的, 而ring 3是最低级别, 通常就是我们的应用程序运行的级别.

扩展阅读：

Wikipedia => 用户态 => http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%80%81

Wikipedia => Ring (computer security) => http://en.wikipedia.org/wiki/Ring_(computer_security)

笔者会在深入学习后，把上面这篇文章翻译了。

感谢@Nemesis_E comrade抓错，你好用心啊。

译者注 end

Q：什么是PIC（Programmable Interrupt Controller）？

A：PIC是可以编程的interrupt（中断）控制器，它是一个可以在CPU发生中断时捕获硬件中断请求和信号的装置。当它发生时，PIC和CPU会交流发生的那个请求，而且CPU会中断现在的任务并且为那个请求执行interrupt handler。

Q：什么是PIT？

A：PIT（Programmable Interrupt Timer）可编程中断计时器，是一个可编程（你可以改变它的速度）硬件计时器，当它消失的时候（IRQ 0）它会快速的发送（fires off => to quickly send a message or give instructions）一个中断。它主要被用于任务调度。

Q：我应该按照什么顺序去开发我的操作系统？

A：事实上你可以从任何地方开始，但是你可以最后被各种bug终结。我建议你可以先写一个bootsector，然后再写一个基础的内核，最后再一点点的完善这个内核。

Q：在启动时都需要什么基础步骤才能引导进PMode（Protected Mode => 保护模式）？

A：

禁用所有中断，这样就没有事情能困扰你了。

设置GDT

使A20可用

设置CR0的第一位为1

从GDT中为段寄存器加载正确的值

从做一个for jump那里为CS和EIP加载正确的值

你现在已经在PMode（Protected Mode）了

有一篇Chris Giese写的叫做Protected Mode的文章覆盖了更多的细节

链接是http://www.osdever.net/tutorials/pm.php

译者注：以后我会翻译这篇文章。翻译后我会改掉这个链接。

Q：我的问题不在这里，那我应该做什么

A：你可以发给我email，我会试着回答你，并且把你的问题添加到这篇文章里（这个教程离完成还远者呢）。

译者注：作者的邮箱是：osdev@reallyneatmail.zzn.com

感谢

@Nemesis_E 帮我抓错

@杨同学 错别字，第一个回复

@闲尘 提出翻译指正

@海上添翼

@陈阳阳阳

@RGW

注：希望OSCHINA早日出@人功能

Reference List

对GDT的解释（上） => http://tetsu.iteye.com/blog/403407