從零開始制作 MyOS（一）

從零開始制作 MyOS - 最簡單的操作系統內核

開發環境

操作系統：ubuntu22 （windows10 + VMware15pro + ubunut22 + qemu）
編譯器：gcc-multilib
匯編器：nasm
模擬器: QEMU
版本控制: git

安裝依賴

ubuntu22 中：

# 安裝必要的工具鏈
sudo apt update
sudo apt install -y build-essential
sudo apt install -y qemu-system-x86 
sudo apt install -y nasm    # x86架構匯編器
sudo apt install -y gdb
sudo apt install -y git
sudo apt install -y mtools  # 用于制作磁盤鏡像

# 安裝交叉編譯器（重要！避免使用宿主系統的libc）
sudo apt install -y gcc-multilib

前置知識

x86 匯編語言：寄存器，實模式 vs 保護模式，中斷和異常，CPU 特權級
C 語言編程
硬件基礎知識：
- 引導過程：當你按下電源鍵時，發生了什么事
- BIOS/UEFI：它們做了什么
- 內存映射：硬件設備（如 VGA 顯存）在內存中的位置

實模式 VS 保護模式

實模式是處理器的初始狀態，能夠將內存視為連續的，無保護的物理空間，能夠通過簡單的算術運算擴展尋址范圍；而保護模式則是通過硬件強制實施內存訪問策略，將物理內存抽象成虛擬地址空間后的一種內存訪問模式。

實模式下，程序能直接物理地址訪問，而內存訪問的范圍則是在 1MB，也就是 20 位地址線內，不支持多任務，也沒有內存保護。
保護模式下，物理地址被抽象成虛擬內存，程序通過分段和分頁訪問，最高能訪問到 4GB 的內存范圍。

保護模式是現代操作系統的基礎。

計算機啟動過程

當計算機上電后，位于 SPI Flash ROM 中的 BIOS 程序會被運行，該程序的任務是初始化計算的硬件，并且尋找可引導設備，這個可引導設備就是我們要開發的操作系統。

BIOS 在扇區 0 中找到有效地可引導設備后，就會將 CPU 的控制權轉移過去，執行可引導設備程序。

關于 BIOS 程序

BIOS 引導程序物理存儲地址是在 SPI Flash ROM ，也就是串行外設接口閃存只讀存儲器，這個存儲器是焊接在主板上，容量一般為 16 MB ~ 32 MB，斷電后不丟失數據。
在現代計算機中，傳統的 BIOS 被 UEFI，也叫做統一可擴展固件接口替代，它的存儲位置也是在 SPI Flash 芯片中。
由硬件廠商開發，BIOS 廠商根據芯片廠商提供的規范來負責編寫 BIOS 代碼
BIOS 的任務
- 上電自檢：檢查關鍵硬件，包括 CPU，內存，芯片組等；然后初始化系統管理總線（SMBus），并且驗證硬件完整性和兼容性
- 硬件初始化：設置 CPU 微代碼更新，配置內存控制器和時序參數，初始化 PCIe 設備枚舉，設置 USB，SATA 控制器
- 運行時服務建立：創建中斷向量表，建立 BIOS 數據區，提供系統調用接口（INT，13h 磁盤服務等）

第一步：制作一個最簡單的操作系統內核

啟動電腦時，BIOS 會做自檢，然后找到第一個可以啟動的設備，讀取該設備的第一個扇區（512 字節），如果該扇區最后兩個字節是 0x55 和 0xAA，BIOS 會認為這是一個有效的引導扇區，并將其加載到內存 0x7c00 處執行。

下面我們使用匯編程序編寫一個最簡單的引導程序，也就是一個 boot.asm ：（必須使用匯編語言）

; boot.asm - simple BIOS boot sector (512 bytes)
; Assembled with: nasm -f bin -o boot.bin boot.asm

org 0x7C00
bits 16

start:
    cli                 ; disable interrupts while setting up stack
    xor ax, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00      ; stack grows down from 0x7C00
    sti                 ; enable interrupts

    mov si, msg         ; pointer to message
.print_char:
    lodsb               ; al = [si], si++
    cmp al, 0
    je .hang
    mov ah, 0x0E        ; BIOS teletype function
    mov bh, 0x00        ; page
    mov bl, 0x07        ; color/attribute (for teletype this selects fg color)
    int 0x10
    jmp .print_char

.hang:
    cli
    hlt
    ; do not loop: single HLT to hang the CPU. If an interrupt occurs (shouldn't, because
    ; interrupts are disabled), execution could continue into the padding; we intentionally
    ; avoid an explicit jump here so the CPU remains halted instead of spinning.

msg db "Hello, OS! Booted from boot.asm", 0

; pad to 510 bytes so that signature is at offset 510-511
times 510 - ($ - $$) db 0
dw 0xAA55

# 編譯匯編文件
nasm -f bin boot.asm -o boot.bin

# 使用 QEMU 運行
qemu-system-x86_64 boot.bin

# vscode 終端 ssh 執行 QEMU 結果
qemu-system-x86_64 -nographic -monitor none -serial mon:stdio -drive file=boot.bin,format=raw,index=0,if=floppy

qemu-system-x86_64 -nographic -serial mon:stdio -drive format=raw,file=boot_serial.bin

運行結果

會出現一個 QEMU 的黑屏窗口
打印出 “"Hello, OS! Booted from boot.asm"”

qemu-system-x86_64 boot.bin

代碼詳解

boot.asm 文件都是匯編指令，下面對指令和它背后的意義做一個簡單介紹：

boot.asm

它是一個最小的 BIOS 引導扇區，做了以下工作：

被 BIOS 加載到物理地址 0x0000:0x7C00（也就是線性地址 0x7C00）并從那里執行。
在屏幕上打印一行文本（通過 BIOS int 0x10 teletype 服務）。
進入 halt 循環停止執行。
文件被填充到 512 字節并以 0x55AA 結尾（這是 BIOS 引導簽名）。

代碼設計步驟：

org 0x7C00 + bits 16：引導扇區在實模式下，并且 BIOS 把第一個扇區加載到 0x0000:0x7C00，因此必須讓匯編器使用那個基址來生成正確的地址。
填充到 512 字節并寫入 0x55AA：滿足 BIOS 的最小引導扇區約定。
使用 BIOS int 服務（int 0x10）來打印：簡單、兼容且不需要直接操作視頻內存。
設置棧：引導階段沒有默認可靠的棧，需要顯式設置以免后續調用/中斷出現問題。
禁用/恢復中斷（cli/sti）：在設置棧或初始化關鍵結構時防止中斷打斷（可以提高穩定性）。

org 0x7C00

告訴匯編器，代碼段在源代碼中被認為是從線性地址 0x7C00 開始的（即 BIOS 把扇區加載到內存 0x0000:0x7C00）

bits 16
指示 nasm 生成 16-bit 實模式編碼
start
程序入口點標簽（實際 BIOS 會跳轉到 0x7C00，所以這只是代碼中便于引用的標簽）
xor ax, ax

ax 寄存器是
xor 是一個清零指令，
xor ax, ax 將 AX 清零（AX = 0），等同于指令 mov ax, 0，這里為接下來設 SS = 0 做準備

mov ss, ax

mov 指令，匯編語言中的賦值指令，將后者的值賦值給前者
為了設定棧使用的段，將 SS（棧段寄存器）設為 0x0000（因為 AX 清零）。
注意：在實模式下修改 SS 要小心（最好在修改 SP 之前或配套操作）。

mov sp, 0x7C00

把棧指針 SP 設為 0x7C00（棧從 0x0000:0x7C00 向下增長）。
必須設置棧，否則函數/中斷可能導致不可預期行為。
把棧放在 0x7C00 是一種常見簡單做法（和引導扇區加載地址一致），但要確保不覆蓋自身代碼/數據
如果后續會加載第二階段，可能選不同位置。

sti

允許中斷指令（Set Interrupt Flag）。
一般和 cli 配套使用，在想要想讓 BIOS/硬件中斷產生的地方使用

mov si, msg

將 msg 值賦值給 si 寄存器，msg 本質是一個地址值，是一個存儲字符串區域的首地址。
把 SI 指向數據標簽 msg，用于字符串讀取。

.print_char

一個循環標簽
jmp .print_char 配合該條指令實現循環功能

lodsb

從 [DS:SI] 處加載字節到 AL，然后 SI++（DS 默認是 0x0000，且 org 保證 msg 地址正確）。
是一種簡潔的逐字節讀取方式。

cmp al, 0

cmp 是一個比較指令；
比較 al 寄存器的值是否為 0 .
目的是檢查是否為字符串結束符（這里用 0 作為結束符）。
用于結束循環。

je .hang

如果 AL==0，則跳到結束（hang）。

mov ah, 0x0E

ah 寄存器是
設置 BIOS int 0x10 的功能號為 teletype 輸出（TTY 輸出字符到當前光標并前進）。
必須設 AH 才能讓 int 0x10 執行正確的子功能。

mov bh, 0x00

設置頁面號（page）。BIOS teletype 函數使用 BH 指定頁號（通常 0）。
通常設為 0，是標準做法。

mov bl, 0x07

BL 設置字體屬性/顏色
盡管對于 teletype（0x0E）在傳統文本模式 BL 并非總必需，但設會更兼容某些 BIOS。

int 0x10

int 指令為 BIOS 中斷指令
調用 BIOS 視頻中斷，執行上面設置的 teletype 輸出（輸出 AL 中的字符）。
必須使用 BIOS 中斷才能在實模式下不直接操作顯存也輸出字符（更簡單）。

jmp .print_char
作用：繼續循環輸出下一個字符。

.hang:
    cli
    hlt

進入禁中斷并執行 halt 指令，cpu 進入低功耗等待模式，然后跳回（確保 CPU 不會繼續向下執行垃圾代碼）。
需要一個安全的結束點而不返回到隨機內存。hlt 比不停循環省電；
cli+hlt 防止來自中斷的喚醒（但會阻塞直到外部復位），加上 jump 可在某些環境下避免返回到可能是可執行的區域。

msg db "Hello, OS! Booted from boot.asm", 0

定義以 0 結尾的字符串數據，打印時 lodsb 逐字節讀取直到 0。

times 510 - ($ - $$) db 0

把文件填充到偏移 510（即文件前 510 個字節有效，接下來 2 字節用來放簽名）。
必須讓整個扇區達到 512 字節，使得簽名位于正確偏移。

dw 0xAA55

寫入引導簽名 0x55AA（注意小端序寫入會在磁盤上以 55 AA 的順序保存）。
BIOS 在嘗試從介質引導時會檢查每個扇區末尾的 0x55AA 來判定該扇區是否為引導扇區；缺失此簽名通常導致 BIOS 忽略該鏡像作為引導設備。

使用串口輸出（boot_serial.asm）

在沒有圖形界面的環境下，推薦用串口輸出調試和顯示信息。下面詳細介紹串口初始化涉及的寄存器和每一步的作用。

串口輸出代碼結構

start:
    cli
    xor ax, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00
    sti
    call init_serial         ; 初始化串口
    mov si, msg
.print_loop:
    lodsb
    cmp al, 0
    je .hang
    call serial_putchar      ; 發送 AL 到串口
    jmp .print_loop
.hang:
    cli
    hlt

; 串口初始化例程 (COM1, 38400 8N1)
init_serial:
    ; 設置 IER = 0 (禁用中斷)
    mov dx, 0x3F8      ; COM1 base port
    mov al, 0x00
    add dx, 1
    out dx, al
    sub dx, 1
    ; 設置 DLAB = 1，準備設置分頻器
    mov dx, 0x3F8
    add dx, 3
    mov al, 0x80       ; LCR: DLAB=1
    out dx, al
    sub dx, 3
    ; 設置波特率分頻器 (38400)
    mov dx, 0x3F8
    mov al, 3          ; divisor low byte
    out dx, al
    inc dx
    mov al, 0          ; divisor high byte
    out dx, al
    dec dx
    ; 設置 LCR = 8N1 (8位，無校驗，1停止位)
    mov dx, 0x3F8
    add dx, 3
    mov al, 0x03       ; LCR: DLAB=0, 8N1
    out dx, al
    sub dx, 3
    ; 啟用 FIFO
    mov dx, 0x3F8
    add dx, 2
    mov al, 0xC7       ; FCR: 啟用FIFO，清空，14字節閾值
    out dx, al
    sub dx, 2
    ; 設置 MCR (RTS/DSR/OUT2)
    mov dx, 0x3F8
    add dx, 4
    mov al, 0x0B       ; MCR: IRQs enabled, RTS/DSR set
    out dx, al
    sub dx, 4
    ret

; 串口發送單字符例程 (AL)
serial_putchar:
    push dx
    push ax
    mov dx, 0x3F8
    add dx, 5           ; LSR port
.wait_lsr:
    in al, dx
    test al, 0x20       ; 檢查 THRE (發送寄存器空)
    jz .wait_lsr
    pop ax              ; 恢復要發送的字符到 AL
    mov dx, 0x3F8       ; 數據端口
    out dx, al
    pop dx
    ret

msg db "Hello, OS! Booted to serial from boot_serial.asm", 0

串口初始化步驟與寄存器說明

PC 的標準串口 COM1 基地址是 0x3F8，串口芯片（16550A）有多個寄存器，分別控制不同功能：

數據端口 (Data Register, 0x3F8)
- 用于收發數據。寫入一個字節即可發送。
中斷使能寄存器 (IER, 0x3F9)
- 控制串口中斷。我們設置為 0，禁用所有串口中斷。
分頻器鎖存寄存器 (DLL/DLM, 0x3F8/0x3F9, 需 DLAB=1)
- 設置波特率。波特率 = 基準頻率 / 分頻值。常見基準頻率為 115200Hz，分頻值為 3，則波特率為 38400。
- DLL (低字節) 寫入 3，DLM (高字節) 寫入 0。
線路控制寄存器 (LCR, 0x3FB)
- 控制數據位、停止位、校驗位和 DLAB 位。
- DLAB=1 時可設置分頻器，DLAB=0 時正常通信。
- 設置為 0x03 表示 8位數據，無校驗，1停止位（8N1）。
FIFO 控制寄存器 (FCR, 0x3FA)
- 控制 FIFO 緩沖區。0xC7 啟用 FIFO，清空緩沖，設置 14字節閾值。
調制解調器控制寄存器 (MCR, 0x3FC)
- 控制 RTS/DSR/OUT2 等信號。0x0B 啟用 IRQs，設置 RTS/DSR。
線路狀態寄存器 (LSR, 0x3FD)
- 只讀。用于檢測發送寄存器是否空（THRE 位，0x20）。發送前需輪詢該位。

串口發送字符流程

發送字符前，先輪詢 LSR 的 THRE 位，確保發送寄存器空。
然后將要發送的字符寫入數據端口 (0x3F8)。
這樣可以保證數據不會丟失。

編譯和運行

nasm -f bin boot_serial.asm -o boot_serial.bin
qemu-system-x86_64 -nographic -serial mon:stdio -drive format=raw,file=boot_serial.bin

運行效果

如果一切正常，你會在終端看到：

Hello, OS! Booted to serial from boot_serial.asm
如果沒有輸出，請檢查 boot_serial.asm 是否正確生成、QEMU 參數是否正確、串口初始化代碼是否有誤。

總結：

串口輸出適合無頭環境、遠程調試、嵌入式開發。
代碼中每一步都對應串口芯片的硬件寄存器設置，理解這些寄存器有助于后續開發更復雜的 bootloader 和內核調試功能。

posted @ 2025-10-22 16:33 王清河閱讀(22) 評論(0) 收藏舉報

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王清河