另外一篇自己动手写操作系统（转贴）

[WiseDO]

在哈工大纯Ｃ论坛论坛有找到一篇写操作系统基础知识的文章，转贴供参考。
哈工大纯Ｃ论坛
http://software.hit.edu.cn/borlandclub/bbs/
前几天转贴的一篇类似但不同的《自己动手写操作系统》在这里：
http://expert.csdn.net/Expert/topic/2602/2602399.xml?temp=.6439173


哈工大纯Ｃ论坛
操作系统实验
When Do We Write Our Chinese OS ?

操作系统是计算机的核心，没有操作系统，一切计算机应用都免谈，但现在操作系统基本上被老外垄断，Windows就不说了，就算是Linux那也是泊来品，什么时候我们才能写出有中国特色的操作系统啊？

在工大，我们每个人都学过操作系统，我也一样，但老师教的那真的只是理论，一个实际的系统原比老师教的要复杂上一千万倍！然而，我们基本上没有可能实践的机会，就算是有一些实验，那也是停留在一个非常高的表层。我非常之笨，学完之后，还是不知系统是怎样从无到有，开始工作的。系统是怎样启动的？曾经把一段汇编代码写进了磁盘，但无论如何没将机器启动起来（原因现在已经清楚，稍后再谈）。想看看Linux的源码，但犹如天书！即使是Minix也非常之庞大，晦涉难懂！郁闷啊~~~，今天在网上无意间看见了一个老外写的E文，讲到此事，霍然开朗，在网上狂找了一堆E文后，最终将机器起启来了。（本人E文差得没底，基本上是用金山词霸配合联通国际在线翻译系统一句一句翻译的，痛苦啊！看来要想学好计算机E文不好还真不行：（，很多资料中文的就是没有，只有E文的，你咋办？）。现特将全过程描述一下，一来留个纪念，二来希望工大能有更多的人能对此感兴趣，超级大牛们早日写出我们自己的操作系统。Linux也是芬兰的一个大学生写的。

阅读本文最好有那么一丁点的汇编基础。另外，本人水平极其有限，对操作系统也不是很熟，对于论述中不计其数的错误，望大家原谅，千万不要来砍我~~~
首先，我要先说明一下计算机在你按下电源按钮后，计算机都做了什么
当你按下电源键的时候，同这个键相联的电线就会送出一个电信号给主板，主板将此电信号传给供电系统，供电系统开始工作，为整个系统供电，并送出一个电信号给BIOS，通知BIOS供电系统已经准备完毕。随后BIOS启动一个程序，进行主机自检，主机自检主要工作是确保系统的每一个部分都得到了电源支持，内存储器，主板上的其它芯片，键盘，鼠标，磁盘控制器及一些I/O端口正常可用，此后，自检程序将控制权还给BIOS。

接下来，BIOS开始启动操作系统。
BIOS将访问启动盘的第一个扇区（0磁道，1扇区，一共是512字节），BIOS将这第一扇区中的内容调入内存的0x7c00地址处，并开始执行它。这是启动系统的第一关，从此之后，系统就将控制权将给操作系统了，留下的事情就由你的程序来完成。

现在我们的任务就是写这样一个程序，系统将它称之为引导程序，用它来引导或说启动我们的计算机。它有如下两个特点：
1。大小只能是512字节，不能多一字节，也不能少一字节。因为BIOS只能读512字节的数据到内存中，多的部份BIOS不会理采
2。它必须以"55 AA"结尾，即最后两字节（511，512）必须是它们。这是引导区程序结束的标志，没有它BIOS不会将它作为引导程序看待。（我以前的程序没有执行，就是因为没有在这里写"55 AA"）
把这一程序放在磁盘的0磁道，1扇区里，这样，此磁盘就可以用来引导系统，而且是用的你自己做的引导程序！

在开始制作引导程序之前，先介绍一下怎样在Windows环境下进行这样的开发。

首先，需要一个实验环境，你当然可以就用真实的计算机，如果你有多台计算机的话，且不觉得麻烦的话。
这里我们使用虚拟机来进行实验，它与使用真实的计算机是一样的，不信待会儿你可以自己实验一下。
我用的是 MS Virtual PC，使用非常简单，这里就不多说了，它可以用一个1.44M大小的img文件，作为模拟软盘，因此，我们就只需把我们的引导程序写到一个img文件中，就如同写在了一张磁盘上面，就可以用它来引导系统。
启动虚拟机后，在Floopy菜单下，选Floopy Disk Image项，然后选到我们生成的那个img文件后，就可以了。

下面说说img文件的创建生成方法
要把引导程序写到这个1.44M的文件里面，我使用的是WinHex工具，它非常方便，可以直接通过拷贝完成二进制文件的写入，而且还可以创建指定大小的文件。
1.44M的img文件可以用WinHex来创建，点击新建按钮就行，大小输入1474560，单位字节。
到时后，把我们写的程序用WinHex打开，将其内容复制到生成的img文件下就行。

这些工具连同本文所介绍的实验程序，我已经打包，大家可以通过下面的地址下载
ftp://202.118.239.46/Incoming/Other/BTC/temp/os_test/os_test.rar

下面再介绍一个本程序用到的唯一一个BIOS中断，
Int 0x10
0x10 中断是BIOS的显示器中断，所有输出都需要调用此中断，在使用前你需要设置一部分寄存器的值以告诉BIOS怎样进行输出
ah : 0x0e 打字机模式，告诉BIOS，把字符输出到屏幕上
bh : 页码
bl : 文字属性
al : 欲现示的字符的ASCII码

好了，下面我们就能创建我们的引导程序，完整的源程序如下:

[BITS 16] ; 告诉编译器，编译成16位的程序
[ORG 0x7C00] ; 告诉编译器，代码将从0x7c00处开始执行

main: ; 主程序
mov ax , 0x0000 ; 以下两句设置数据段为0000
mov ds , ax
mov si , Message ; 设置基址指针
call ShowMessage ; 调用显示函数
jmp $ ; $ 代表此语句的地址，表示在此语句此进行无限循环

ShowMessage: ; 显示函数
mov ah , 0x0e ; 设置现示模式
mov bh , 0x00 ; 设置页码
mov bl , 0x07 ; 设置字体属性

nextchar:
lodsb ; 字符载入指令
; 它将DS数据段中SI为偏移地址的源串中的一个字符取出送AL，同时修改SI指向下一个字符
or al , al ; 测试字符串是否为0
jz return ; 如果为零则表明字符串结束，跳转到返回指令处返回原调用函数
int 0x10 ; 调用BIOS 10号中断显示字符
jmp nextchar ; 继续显示下一下字符
return:
ret ; 返回原调用函数

Message:
db 'Can We Write A Chinese OS ?'; 定义显示消息
db 13 , 10 , 0 ; 13 表示回车，10 表示换到下一行 0 表示字符串结束

times 510 - ( $ - $$ ) db 0 ; 填充 0 以满足文件大小足够512字节
; $ 表示当前语句的地址，$$ 表示程序的起始地址
db 0x55 , 0xaa ; 结束标志

用任何一个文件编辑器输入它之后，存为test.asm
然后用一个汇编程序编译它，我用的是nasm，
输入 nasm test.asm
编译完成后，会生成一个 test 文件，用WinHex打开它，然后照上面讲的方法，把它写到一个img文件中，你就可以尝试一下用你自己的程序启动计算机了。
也可以用WinHex将它直接写到磁盘上，通过磁盘启动，这样的感觉非常爽啊~~~

下面是它的运行结果

此主题相关图片如下：

一个操作系统非常的复杂，这里只是我的一个尝试实验的心得，它只完成了系统启动这一步，严格说来引导程序不算是操作系统，虽然它无比重要，一般来说，它需要把真正的操作系统的内核载入内存，然后用一条jmp指令跳转到真正的内核处执行。

抛砖引玉，希望有人能早日做出Chinese内核的，拥有自主知识产权的实用性操作系统。
错误不计其数，希望各位老师大侠牛人不吝指点，同好者共同探讨研究学习~~~
留个mail: [e-mail] ^_^

[elliking]

值得看呀

[xiaohan13916830]

to abitz:
我还没去网络中心申请呢,没有 :(

[woodheadmail]

很喜欢,值得看呀!

[WiseDO]

== csdn每次可发布的字数有限，也不允许连续回复三次以上，还剩一段今天贴上：） ==
（转贴）

下面，我们将进入主题，将讲述一下怎样处理键盘输入。
处理键盘输入有两种方式，一是通过循环就行，在主程序中不断的查询0x60端口是否有数
据，如果有数据则表示有键盘输入，且此数据就是输入的键的键盘扫描码，将扫描码转换
成相应的ASCII码，然后显示就行。 这种情况非常简单，我们就不详细描述了，你可以改
动本源程序用此种方式实现。这里，我们常用一种新的方式进行，这就是通过中断进行。

要使用中断方式，我们就必须编写自己的中断处理程序，并且要让CPU知道此中断的中断处
理程序在什么地方，这通过IDT（中断描述符表）完成。此表的每一个表项对应一个中断，
每一个表项都指明此中断的中断处理程序在什么地方。因此首要的任务是要构造一个中断
描述符表。

中断描述符表一共可有256项，即256个中断。头三十二项，也就是0~31号中断，已经被CPU
及硬件所占用了，因此我们需要从第三十三项即32号中断开始构造我们自己的中断及中断
服务程序
中断描述符每项占8个字节（64位），所以我们定义如下的一个结构来处理它：
typedef struct{
unsigned long dword0 ;
unsigned long dword1 ;
} segment_desc ;
下面是我们定义中断描述符表的程序：
segment_desc idt[ 256 ] ; /* 中断号 0~255 */
unsigned long idt_desc[ 2 ] ;
unsigned long idt_addr ;
unsigned long keyboard_addr ;
unsigned long idt_offset = 0x8 ; /* IDT 在 GDT 中的位置,此程序中也是代码段在
GDT中的位置 */

// 发送4个ICW
ToPort( 0x20 , 0x11 ) ;
ToPort( 0xA0 , 0x11 ) ;
ToPort( 0x21 , 0x20 ) ;
ToPort( 0xA1 , 0x28 ) ;

ToPort( 0x21 , 0x4 ) ; // 在 Inter 出产的硬件中，PIC之间的联系是
ToPort( 0xA1 , 0x2 ) ; // 把 PIC1的IRQ2 同 PIC2 的IRQ1 联系起来

ToPort( 0x21 , 0x1 ) ;
ToPort( 0xA1 , 0x1 ) ;

// 下面设定中断屏蔽字，只许可键盘中断
ToPort( 0x21 , 0xFD ) ;
ToPort( 0xA1 , 0xFF ) ;

keyboard_addr = ( unsigned long )keyboard_interrupt ; /* 键盘中断处理程序
的位置 */
idt[ 0x21 ].dword0 = ( keyboard_addr & 0xffff ) | ( idt_offset << 16 ) ;
idt[ 0x21 ].dword1 = ( keyboard_addr & 0xffff0000 ) | 0x8e00 ;

/* 得到整个IDT的位置描述 */
idt_addr = ( unsigned long )idt ;
idt_desc[ 0 ] = 0x800 + ( ( idt_addr & 0xffff ) << 16 ) ;
idt_desc[ 1 ] = idt_addr >> 16 ;

__asm__( "lidt %0\n""sti" : "=m"( idt_desc ) ) ; /* 用lidt指令载入 IDT 表，
并用 sti 指令开中断*/
下面我们来解释一下这个程序
ToPort是程序定义的一个函数，具体代码请见源程序，这里只需要知道，它把由第二个参
数指定的数据，发到由第一个参数指定的端口中去。
先来看看这两行
idt[ 0x21 ].dword0 = ( keyboard_addr & 0xffff ) | ( idt_offset << 16 ) ;
idt[ 0x21 ].dword1 = ( keyboard_addr & 0xffff0000 ) | 0x8e00 ;
一个 IDT 表项有64位长，0~15位是中断处理程序地址的低16位，16~31是中断处理程序所
在的段在GDT中的位置（参见第二篇）。
最高的16位是中断处理程序地址的高16位，而留下的中间的16位是用来表明此是一个中断
门还是一个陷阱门还是一个任务门，及是16位中断还是32位中断等，非常复杂，要想详细
了解请查看Intel CPU 开发人员手册（网上有下的，没找到的可以找我要）。幸运的是，
我们不需要管得太多，只需记住在正常情况下是置为0x8e00就行。

下面我们详细讲一下代码中的“// 发送4个ICW”部份

我们现在已经知道，要建立中断，我们需要填充 IDT（ 中断描述符表），它需要指出当发
生中断时，应跳到哪儿去执行。

为了使中断系统起作用，我们需要对PIC(可编程的中断控制器）进行编程，PIC 是可编程
的中断控制器，它可以处理硬件中断请求（IRQ0,IRQ1..等等)，如果没有PIC，我们就不得
不按规则去查询哪一个硬件发生了中断，有了PIC，当硬件发生中断时，PIC把中断信号送
到CPU，CPU处理中断。我们实际上有两上PIC，第一个PIC1(端口号0x20~0x21)处理IRQ0~IR
Q7的请求，第二个PIC2(端口号0xA0~0xA1)处理 IRQ8~IRQ15 的请求

CPU只知道逻辑意义上的中断，不区分是物理上的软件中断还是硬件中断，因此我们必须把
CPU不知道的物理中断，映射为CPU知道的逻辑意义上的中断。在实模式下，这项工作由BIO
S来做，在保护模式下需要我们自己做。

因此我们需要初使化PICs，这通过发送一些ICW(初始化命令字）来实现对PICs的控制，它
们必须被精确的依次序发送，因为，它们之间是相互依赖的
1. 发送 ICW1 到 PIC1(20h) 与 PIC2(A0h) 中
2. 发送 ICW2 到 PIC1(21h) 与 PIC2(A1h) 中
3. 发送 ICW3 到 PIC1(21h) 与 PIC2(A1h）中
4. 发送 ICW4 到 PIC1(21h) 与 PIC2(A1h）中

ICW1 用来告诉PIC, 存在ICW4，（当两个PIC串联工作时，这是必须的）
ICW2 用来告诉PIC，把 IRQ0 与 IRQ7 映射到什么地方
(每一个PIC有八个管脚处理中断(IRQ0~IRQ7）
ICW3 用来告诉PIC，它们之间应当用几号IRQ(第几根管脚)进行同信
ICW4 用来告诉PIC，我们工作在保护模式，并且是由软件来处理还是自动处理中断

ICW1的结构
7 6 5 4 3 2 1 0
0 0 0 1 M 0 C I

I : 如果 ICW3 后面还有 ICW4，则置位
C : 如果不置位，表明这两个 PIC 工作在串联状态下
M : 表明 IR0 到 IR7 的线是水平触发，在PC机中，这位应为0(边沿触发)

ICW2 表明了 IRQ0 在中断向量表中的地址，在保护模式下，你应当改变它
7 6 5 4 3 2 1 0
A7 A6 A5 A4 A3 0 0 0

IRQ1 在中断向量表中的地址为 IRQ0的+1,IRQ2~IRQ7以此类推

ICW3 只在 这两个PIC是在串联工作状态下才被发送（ICW1 的C位置0），它的目的是在两
个PIC间建立联系

ICW3 关于 PIC1 的结构
7 6 5 4 3 2 1 0
IR7 IR6 IR5 IR4 IR3 IR2 IR1 IR0

如果 IR0 是置0的，则表明此根线联到一个外围设备
如果 IR0 是置1的，则表明此根线与PIC2联结
其余的与此类似

ICW3 关于 PIC2 的结构
7 6 5 4 3 2 1 0
0 0 0 0 I R Q
最后3位是PIC1的，与PIC2相联结的IRQ号

ICW4 的结构
7 6 5 4 3 2 1 0
0 0 0 0 0 0 EOI 80x86
EOI 表明中断的最后是自动处理还是由软件辅助处理。在PC中此位通常置0，表示软件必须
处理中断的最后扫尾工作
80x86 表明PIC是否工作在80x86的体系结构下

有了上述基础知识，你现在应当可以理解了吧。
下面我们再来看看：中断屏蔽字
PIC 1 处理的中断有
0 系统时钟
1 键盘
2 重定向到IRQ9 (PIC2的IRQ1)，如果此位被置1，则屏幕掉所有来自PIC2的中断
3 串口 1 (COM2/4)
4 串口 2 (COM1/3)
5 声卡
6 软驱
7 并行端口

PIC 2 处理的中断有
0 实时时钟
1 来自 IRQ2 (PIC1)
2 保留
3 保留
4 鼠标
5 数学协处理器
6 硬盘
7 保留

当某位置位0表示允许其发出中断请求，置为1表示屏蔽其中断请救
程序中，有这样两行代码:
ToPort( 0x21 , 0xFD ) ;
ToPort( 0xA1 , 0xFF ) ;
其中 0xFD 就是 11111101 ;即只允许 PIC1的第二个中断请求，即键盘中断请求。

完工！本篇任务已经胜利完成~~~ ^_^，所有源代码可在如下地址下载
ftp://202.118.239.46/Incoming/Other/BTC/temp/pyos/pyos3.zip
BTW:
在本实验进行的过程中，在BBS上得到了很多老师同学的鼓励，正是由于这种支持力量的
存在，使我获得了将本实验进行下去的力量，在此深表感谢！同时对于此中不计其数的错
误，非常希望各位老师、同学、大牛小牛:P~~，批评指教！
仍然留个mail:
[e-mail]

[52study]

maker

[minitigger]

操作系统，我不觉得现在国内能做出来，不用说个人了。
你们现在做的这一部分只能是一个boot和shell，还没有核心的东西。万里长征才走了一步。
另外更正一下。现在的操作系统的书，得却没有讲boot的事情，讲的都是理论上的系统内核的东西。如果想做操作系统，这些书还是的好好精读一下了。

[52study]

很好，我喜欢

[lw549]

收藏

[minitigger]

国内自主操作系统开发的局限性表现在很多方面。
首先，技术上不成熟，积累的不够。而且现在的国内没有这种让你埋头作的环境。
其次，从市场上来讲，即使技术没有问题了，市场也很难，你首先的说服应用程序开发商用你的操作系统，进行基于你的操作系统的开发，也就是你要对应用系统集成商开放一部分。鉴于中国的国情，没有等到你出正版的，盗版的已经铺天盖地了。
还有楼上讲的所谓的实验室的人员流动性大，这个好像不是主要问题吧？看看现在的大学实验室里面，有几个实在踏踏实实的高学术的，大多还是再搞权术而已，用学生来做课题，来写论文归于自己名下。我看首先的搞个奖惩机制，把那些什么教授啊，助教之类的积极性提高上去再说。比较一下，就可以看出差距，国内的实验室和国外的实验室。

[allen_wang]

是的，国内普遍弥漫着一种浮躁的气氛。
导师忙着拉项目赚钱，不管研究，不管技术创新。
学生呢，更是赶潮流，什么热门学什么，什么赚钱学什么，什么容易学什么，到头来是什么都没有学到。
也不知道这到底是谁的责任，教育制度真的需要好好改改了。

[feup]

做出来也没市场！！！！！！！！！！！！

[allen_wang]

楼上的说的不对了，国内还是可以做出来的，只是要看做到什么样的程度罢了。
这方面我们的技术积累不是很多，需要很多人力物力的投入，一般的公司也没有这个魄力去做。国家投钱大多是投到高校的实验室里面。但是实验室最大的特点是人员流动性很大，研究生3年换一次代，刚刚有点心得就要毕业了。
所以我觉得主要还是条件的问题。技术上没什么大的困难。

[ppgg1979]

国内早就有公司作出嵌入式操作系统来了，只不过是应用在军工领域罢了。另外我也觉得技术上不存在大的困难，内核部分相对来说还容易些，操作系统源代码大部分篇幅都是在诸如IO系统，文件系统等等上头了

[allen_wang]

对，嵌入式os内核大小往往100k左右就可以了。而其他的诸如网络系统、文件系统、n多n多的设备驱动则是很烦人的。

[solar]

mark

[xupan007]

up

[xupan007]

做出来也没市场！！！！！！！！！！！！


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难道说没市场就不能做了吗

那你过去学习的时侯编的那些练习程序不也没市场吗？？？
学习嘛，说那么多干嘛，你不想做，有人想。

[WindyLotus]

up

[zhp831221]

大家应该为中国IT的发展多多努力啊？争取早日有自己的操作系统

[das]

呵呵，快看不懂了。