Orange'S 一个操作系统的实现 (于渊)

操作系统（Operating System）是现代计算机系统的核心，它管理着硬件资源，调度应用程序运行，并为用户提供友好的交互界面。尽管我们每天都在使用各种操作系统，如 Windows、Linux、macOS 等，但其背后的设计与实现却常常被视为复杂而深奥的技术领域。然而，实现一个简单的操作系统并非遥不可及。通过深入了解操作系统的基本原理——如进程管理、内存管理、文件系统和设备驱动，我们可以循序渐进地从零开始构建一个微型操作系统。这不仅能加深对计算机系统的理解，还能让你体验到亲手编写底层代码的乐趣。在这篇文章中，我们将从最基础的引导程序开始，逐步构建一个简单的操作系统雏形。

0. 环境搭建

本节主要介绍在 Ubuntu 系统下的环境搭建。

VirtualBox

为了使用 Ubuntu 系统，本文选择的是在虚拟机上进行安装，这里选用的软件是 VirtualBox 6.1。

VirtualBox 官网：https://www.virtualbox.org

在官网将安装包下载安装好即可。

Ubuntu

为了安装 Ubuntu 系统，需要去官网将系统的 ISO 文件下载好。

ubuntu 官网：https://ubuntu.com

可以参考VirtualBox 上 Ubuntu16.04 安装教程进行安装。

安装 Bochs

Bochs 是什么？一个模拟器而已。有了它，我们不再需要频繁地重启计算机，可以用来对操作系统进行调试。

如何安装呢？在 Ubuntu 下非常简单，用如下命令即可：

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sudo apt-get install vgabios bochs bochs-x bximage

NASM

除了 Bochs 我们还需要一个汇编编译器，执行如下命令即可进行安装：

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sudo apt-get install nasm

1. 引导程序

完成了环境搭建后，我们可以从引导程序开始。

代码如下：

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	org 07c00h	; 程序加载到7c00处
	mov ax, cs
	mov ds, ax
	mov es, ax
	call DispStr	; 调用显示字符串例程
	jmp $		; 无限循环

DispStr:
	mov ax, BootMessage
	mov bp, ax	; ES:BP = 串地址
	mov cx, 16	; CX = 串长度
	mov ax, 1301h	; AH = 13, AL = 01
	mov bx, 000ch	; 页号为0(BH = 0), 黑底红字(BL = 0c, 高亮)
	mov dl, 0
	int 10h	; 10h号中断
	ret

BootMessage:	db "Hello, OS world!"
times 510-($-$$) db 0	; 用0填充剩余空间, 使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 0xaa55		; 结束标志

把这段代码用 NASM 编译一下：

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nasm boot.asm -o boot.bin

接下来，我们 bximage 工具生成一个磁盘映像，它既可以生成虚拟软盘，也可以生成虚拟硬盘。这里，我们创建一个软盘映像：

如果想用默认值，直接回车就行。这里，我们只有一个地方没有使用默认值，那就是被问到创建硬盘还是软盘映像的时候，输入了“fd”。

完成之后，当前目录下就会多了一个 a.img 文件，

便是软盘映像。所谓的映像，可以理解为原始设备的逐字节复制，也就是说，软盘的第 M 个字节对应映像文件的第 M 个字节。

接下来，我们可以把 boot.bin 文件的内容写入软盘映像，使用dd命令即可：

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dd if=boot.bin of=a.img bs=512 count=1 conv=notrunc

接下来，我们需要编写一下 Bochs 的配置文件。为什么需要配置文件？因为需要告诉 Bochs，我们希望的虚拟机是什么样的。例如，内存多大、软盘映像和硬盘映像都是哪些文件等内容。下面就是一个配置文件的例子：

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# how much memory the emulated machine will have
megs: 32

# filename of ROM images
romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin

# what disk images will be used
floppya: 1_44=a.img, status=inserted

# choose the boot disk
boot: floppy

# where do we send long messages?
log: bochsout.txt

# disable the mouse
mouse: enabled=0

# enable key mapping, using US layout as default
keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map

将以上内容保存至名为a.config的文件中。之后，执行命令：

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bochs -f a.config

如果输入一个不带任何参数的 bochs 命令并执行，那么 Bochs 将在当前目录顺序寻找以下文件作为默认配置文件：

• .bochsrc
• bochsrc
• bochsrc.txt

所以若我们将文件命名为 bochsrc 时，-f a.config是可以省略的。

假如你正在运行一个有调试功能的 Bochs，那么启动后会看到终端出现若干选项，默认选项为“6. Begin simulation”，直接回车即可启动。由于是可调试的，Bochs 并没有急于进入运转状态，而是出现一个提示符，等待你的输入，我们可以输入c：

可以看到 Bochs 模拟器中显示了红色的“Hello, OS world!”。

除了c指令，还可以尝试其他调试指令：

引导扇区

当计算机电源被按下后，它会先进行加电自检（POST），然后寻找启动盘，如果选择的是从软盘启动，计算机就会检查软盘的 0 面 0 磁道 1 扇区。若该扇区以0xAA55结束，则 BIOS 会认为它是一个引导扇区。当然，一个正确的引导扇区除了以0xAA55结束之外，还应该包含一段少于 512 字节的执行码。

上图来自: https://www.ionos.com/digitalguide/server/configuration/what-is-mbr/

一旦 BIOS 发现了引导扇区，就会将这 512 字节的内容装载到内存地址0000:7c00处，然后跳转到0000:7c00处将控制权交给这段引导代码。到此为止，计算机不再由 BIOS 中固有的程序来控制，而变成由操作系统的一部分来控制。

这也就是为什么代码的第一行是org 07c00。这行代码就是告诉编译器，将来我们的这段代码要被加载到内存偏移地址0x7c00处。

$和$$

代码中的$表示当前行被汇编后的地址。我们可以把生成的二进制代码文件反汇编看看：

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ndisasm -o 0x7c00 boot.bin >> disboot.asm

打开 disboot.asm 可以看到：

其中有一行：

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00007C09 EBFE   jmp short 0x7c09

对比：

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org 07c00h	; 程序加载到7c00处
	mov ax, cs
	mov ds, ax
	mov es, ax
	call DispStr	; 调用显示字符串例程
	jmp $		; 无限循环

DispStr:
	mov ax, BootMessage
	mov bp, ax	; ES:BP = 串地址
	mov cx, 16	; CX = 串长度
	mov ax, 1301h	; AH = 13, AL = 01
	mov bx, 000ch	; 页号为0(BH = 0), 黑底红字(BL = 0c, 高亮)
	mov dl, 0
	int 10h	; 10h号中断
	ret

BootMessage:	db "Hello, OS world!"
times 510-($-$$) db 0	; 用0填充剩余空间, 使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 0xaa55		; 结束标志

我们就会知道：$在这里的是0x7c09。$$表示什么呢？它表示一个节（section）的开始处被汇编后的地址。这里，我们的程序只有 1 个节。故$$实际上就表示程序被编译后的开始地址，也就是0x7c00。

$-$$表示本行距离程序开始处的相对距离。times 510-($-$$) db 0表示将 0 这个字节重复510-($-$$)遍，也就是在剩下的空间中不停地填充 0，直到程序有 510 个字节。加上结束标志0xAA55占用的 2 个字节，恰好是 512 字节。

推荐

• nasm(1) - Linux man page: https://linux.die.net/man/1/nasm
• NASM Tutorial: https://cs.lmu.edu/~ray/notes/nasmtutorial/
• Linux dd Command: https://linuxhint.com/linux_dd_command/

参考

ORANGE’S 一个操作系统的实现