怎样用C语言写操作系统
来源:http://blog.尽管我的题目是“用C语言写操作系统”，但是，仅仅使用C语言是写不出操作系统的。我看到很多篇关于自己动手开发操作系统的文章，几乎全来自一篇叫“Write Your Own Operating System Tutorial”英文文章，而且，使用的全是汇编语言。如今能够精通汇编语言的人已属凤毛麟角，而且现代操作系统的主体部分是用C语言写的，难道所谓的“Own Operating System”只能用汇编语言吗？在下不才，使用C语言（在某些部分必须结合汇编语言）写了一个可以与上述文章中提到的操作系统相媲美的操作系统，抛砖引玉，希望能够将其发展成为真正的中国人自己的操作系统。
我是在Windows环境下开发的，而不是大多数人选择的Linux环境。开发工具也是Microsoft公司的开发工具：masm615和VC15。微软公司的masm流传甚广，大家应该不陌生。对vc15可能较陌生，vc15堪称开发DOS程序的最“高档”编译器（尽管有很多BUG）。如果实在找不到这些开发工具，使用TASM、Turbo C或者Borland C++都是可以的。所给出的例子以masm615和vc15为准，转移到TASM、TC或BC平台，应该不难。有一条原则需要注意，在这里，源码必须使用TINY模式编译，也就是说，必须生成实模式代码。
1. 建立开发环境
这一步非常的简单。
将masm613和vc15的压缩包分别解压到e:\masm615和e:\msvc15目录下。你也可以放到其他目录下，根据自己的情况而定，但是下面用到的编译命令需要作相应的修改。也不需要添加或修改任何的环境变量。
2. IBM PC的启动及当时的内存使用情况
这一部分内容已经是老生常谈了，但又不能不说。我们只说从硬盘引导的情况。
当BIOS经过POST（Power On Test Self）后，将硬盘MBR读到内存0x0000:0x7C00的位置，然后从这里开始执行。一般的情况，MBR将选择活动分区进行操作系统的启动。在MBR开始执行时，内存使用的情况如下图所示，地址数据用16进制表示：
这已经是老掉牙的内容了，但是，在20年前却十分流行。如果想更详细的了解这方面的内容，找本讲解DOS的书看看吧。
我们自己的操作系统将被加载到0x1000:0x0100。这不是必需或者必然的，是人为选择的，你也可以将其放在0x4321:1234等其他地方。但是，上图中注明有其他用途的内存区域，应该保留，否则，你会后悔的。
3. 开发操作系统
我们自己的操作系统运行在实模式环境下（如果您不知道什么是实模式，也请看看20年前出版的当时非常流行的书，或者直接请教当时的前辈高手）。即使你的电脑是P4的CPU，刚启动时，也只相当于主频较高的8086而已。但是，没有关系。
首先，使用汇编语言写一个框架，文件名是entry.asm：
;
; entry.asm
; Copyright (C) 2004, Tian XiangYuan
;
.MODEL TINY,C
.386p
option expr32
option casemap:none
cmain PROTO NEAR C
.CODE
ORG 0100h ;偏移地址
_start:
jmp begin
nop
DB 'TianXiangYuan',0 ;the magic of my os
begin:
cli
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,0FFFFh
sti
call cmain ;调用C语言写的主函数
mov ax,4c00h ;调用DOS的功能（为了调试），与我们自己的操作系统无关
int 21h
这段代码非常简单，应该没有什么问题。
已经说了，操作系统将从0x1000:0x0100加载，说是无心，实则有意。我们知道，TINY模式的程序，在DOS下运行时，其起始地址就是0x0100，前面的256Byte是参数部分。如果直接将操作系统在系统启动时加载到0x1000:0x0100，调试时非常麻烦。我们将其起始地址设为0x0100，使其可以在DOS下运行（这也是在程序的最后包含int 21h指令的原因），确认正确无误后，再进行下一步的开发。
下面再看C语言的代码，文件名是main.c：
……
static void InitShell()
{
}
void cmain()
{
InitShell();
TermShell();
}
顾名思义，其中实现了一个简单的shell。因为该程序本身是操作系统的一部分，所以，平时经常使用的一些C库函数，在这里就不能使用了。总之，一切都要自己动手实现。幸好，在实模式下，几乎所有的设备的驱动都包含在BIOS中了，我们可以直接使用。否则，连从键盘读一个键值这样的事都需要自己写键盘的驱动程序，实在太难了。也是这个原因，我们自己的操作系统没有将CPU转到保护模式下，有心之人可以试试。
下面的事情几乎都可以使用C语言实现了。
第一，初始化显示模式。系统启动时，显卡已经被初始化成3模式了，就是80X25的彩色模式（除非你的显示器是单色显示器），我们不需要再做什么了。当然，你也可以将显卡设成VGA甚至SVGA模式，只要你的BIOS和显卡支持。
第二，实现一个具有简单交互功能的shell。代码不全，请自己补齐，或参看附件。
/*
*从键盘读一个字符，如果没有输入，则等待；返回值的低字节为asii码，高字节为键盘扫描码
*/
static int getch()
{
int chr=0;
__asm
{
mov ah,00h
int 16h
mov chr,ax
}
return chr;
}
/*
*使用TTY模式向屏幕输出一个字符
*/
static void putch(unsigned char key)
{
__asm
{
mov bh,0
mov al,key
mov ah,0Eh
int 10h
}
}
#define KEY_BACKSPACE 0x08
#define KEY_ENTER 0x0D
#define KEY_NEWLINE 0x0A
#define KEY_ESCAPE 0x1B
static int printk(const char* str,...)
{
…… //给大家一点空间，自己实现吧
}
static void endline()
{
putch(KEY_NEWLINE); //Line Feed (LF)
putch(KEY_ENTER); //Enter (CR)
}
static char msg_prompt[]="CMD:";
static void deal_cmd(char* cmd_line,int cmd_len)
{
…… //也请大家自己实现吧，例如，可以实现help，dir，cls，halt等命令
…… //其实，就是字符串比较的过程
}
static void TermShell()
{
char cmd_line[80]={0,};
int cmd_len=0;
endline();
printk(msg_prompt,sizeof(msg_prompt));
for (;;)
{
cmd_line[cmd_len]=getch();
switch(cmd_line[cmd_len])
{
case KEY_ENTER:
if (cmd_len>1)
deal_cmd(cmd_line,cmd_len);
//break;
case KEY_ESCAPE:
cmd_len=0;
endline();
printk(msg_prompt,sizeof(msg_prompt));
break;
case KEY_BACKSPACE:
if (cmd_len>0)
{
putch(0x08);
putch(' ');
putch(0x08);
cmd_len--;
}
break;
default:
putch(cmd_line[cmd_len]);
cmd_len++;
}
}
}
更复杂、功能更强大的方法请参考BIOS的相关文档。也请大家发挥想象力，不断的扩展功能。说心里话，这个 “操作系统”比dos还原始！但毕竟是自己的操作系统。
4. 编译方法
下面是build.bat的内容。各种编译选项参看相关编译器的说明文档。
@echo off
set PATH=e:\masm615\bin;e:\msvc15\bin;
set AS=e:\masm615\bin\ml.exe
set AFLAGS=/AT /W3 /X /Gd /Zp1 /nologo
set CC=e:\msvc15\bin\cl.exe
set CFLAGS=/Od /G3 /Gd /Gs /Zl /Zp1 /X /W3 /nologo
del *.obj *.com *.cod *.dbg *.pdb *.map *.lst
%AS% /c %AFLAGS% entry.asm
if errorlevel 1 goto error
%CC% /c %CFLAGS% /Fc main.c
if errorlevel 1 goto error
%AS% %AFLAGS% /Fe" entry.obj main.obj
if errorlevel 1 goto error
goto exit
:error
echo Failure......
:exit
pause
@echo on
5. 引导程序
我们自己的操作系统虽然写完了，但是还没有办法引导，使其拥有系统的控制权。你可以使用第三方的引导程序，只要它能够将我们的操作系统加载到内存的0x1000:0x0100，并且cpu工作在实模式下。如果实在找不到合适的引导程序，只有自己动手写一个了。
;
; bootsect.asm
; Copyright(C) 2004, Tian XiangYuan
;
.MODEL TINY,C
.386p
option expr32
option casemap:none
SYSSEG EQU 1000h
SYSOFF EQU 0100h
.CODE
ORG 7C00h
_start:
jmp begin
nop
DB 'BOOTSECT',0 ;magic
pack_size DB 16
DB 0 ;reserved
DW 60 ;sectors
DW SYSOFF ;buf_addr_off
DW SYSSEG ;buf_addr_seg
DD 2 ;sector_from
DD 0 ;sector_from_high
begin:
cli
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,0FFFFh
sti
mov cx,msg_load_len ;length
lea bp,msg_load ;es:bp
call display_msg
; read disk for my OS
lea si,pack_size
mov dl,80h
mov ax,4200h
int 13h ;使用LBA方式读硬盘
jc error
; test magic of my os
lea si,magic_test ;ds:si
mov ax,SYSSEG
mov es,ax
mov di,SYSOFF
add di,3 ;es:di
mov cx,magic_test_len
cld
test_again:
cmpsb
jnz error
loop test_again
push SYSSEG
push SYSOFF
retf ;转入操作系统执行
error:
mov ax,cs
mov es,ax
lea bp,msg_error ;es:bp
mov cx,msg_error_len
call display_msg
failure:
hlt
jmp failure
;cx : length of message
;es:bp : address of message
;void display_msg();
display_msg PROC NEAR C
;scrollup a line
push cx
push bp
mov ax,0601h
mov bh,07h
mov cx,0000h ;y/x
mov dx,184Fh ;y2/x2, 24/79
int 10h
pop bp
pop cx
;display message
mov ax,1301h
mov bx,000Ah
;mov cx,msg_error_len
mov dl,0 ;x
mov dh,24 ;y
;lea bp,msg_error ;es:bp
int 10h
ret
display_msg endp
.DATA
msg_load DB 'Loading......',0
msg_load_len DW $ - msg_load
msg_error DB 'NO BOOTER,please reboot!',0
msg_error_len DW $ - msg_error
magic_test DB 'TianXiangYuan',0
magic_test_len DW $ - magic_test
end _start
上面这段代码，是MBR的内容，他使用LBA方式读硬盘（支持大硬盘），将我们自己的操作系统读入0x1000:0x0100，然后转入操作系统执行。
很显然，我们的操作系统必须放在硬盘的No.2（LBA定位方式）扇区开始的60个扇区之内（实际上我们的操作系统远没有这么大），这时我们的引导程序的硬性规定，如果使用第三方的引导程序，也许会更方便。
可以自己开发安装程序，也可以使用WinHex工具将其写入硬盘。请一定注意数据安全，不要将硬盘分区搞坏，建议做好备份工作，或者使用没有重要数据的测试硬盘。顺便说一下，我是使用WinHex写入测试硬盘的。
这段引导程序的编译方式与操作系统一样，build.dat文件如下：
@echo off
set PATH=e:\masm615\bin;
set AS=e:\masm615\bin\ml.exe
set AFLAGS=/AT /W3 /WX /Gd /Zp1 /X /nologo
del *.obj *.com *.cod *.dbg *.pdb *.map
%AS% /c %AFLAGS% bootsect.asm
if errorlevel 1 goto error
%AS% %AFLAGS% /Fe" bootsect.obj
if errorlevel 1 goto error
goto exit
:error
echo Failure......
:exit
pause
@echo on
6. 后记
我们自己的操作系统太原始了，连DOS都不如！在这里，主要介绍的是一种开发方法，旨在说明使用C语言如何开发像操作系统这样底层的软件。
闲暇时，将其移至Linux平台下开发，并且使用cpu的保护模式，毕竟这样才能发挥80x86系列cpu的强大功能。
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