一步步写操作系统之第一步:加载内核到内存中
在完成了《自己动手写操作系统》第三章的几个实验（除了分页机制实验外）后。下面就要迈开编写自己的操作系统这万里长征的第一步了。在迈出第一步前，有几件事要简要说明一下。
首先，为将要实现的操作系统命名为：maios。请不要问我这个名称的含义是什么……
其次，制作此操作系统的目的是什么，或者所此操作系统的用户是谁。简单的说，maios是为自己开发，给自己使用而设计的一个个人专用操作系统。至于要实现的具体功能什么的，在此就不进行详细说明了。
最后，关于进度安排与完成期限，嗯，进度安排与完成期限是什么意思来着……
虽说是编写自己的操作系统，但是开头这几步里，基本还是按照《自己动手写操作系统》后面几章的步调慢慢来。
在这一步里的任务就是想办法将软盘（外存）里的操作系统内核加载到内存里面，并且能够将执行权交给内核。
我们知道，操作系统的启动步骤一般为：处于引导扇区的boot（引导程序）将loader（装载程序）加载到内存里，由loader完成一些必要的初始准备工作，然后才将操作系统的内核加载到内存的适当位置，最后将执行权交给内核……
但因为是给自己写的操作系统，一开始也没有什么需要初始化的，在此，我就偷懒一下，省略掉loader（装载程序）。直接在boot（引导程序）完成加载内核以及进入保护模式的工作，然后跳转到内核入口点。在以后如果boot无法满足需要后，再添加loader什么的；）
以下是相关代码：
code:run.c
程序代码：//文件：run.c
//功能：运行此程序，会自动编译“boot.c”文件与"kernel.c"文件，生成"maios.img"镜像文件，
// 然后启动虚拟机运行镜像文件里的操作系统。在编写与修改代码期间，不必关闭此程序。
// 在改完代码并保存好后，在此程序(控制台)点击回车键后，会再次编译运行修改后的代码。
// 如此，可以方便快捷的在windows下修改与测试所写的操作系统 ;)
//运行：请使用yc09编译器编译此程序。
//作者：miao
//时间：2010-5-13
#define FDISK_SIZE 1474560 //镜像大小：1.4MB
//虚拟机设置
char *maiosSrc =
"megs: 32 \n"
"romimage: file=BIOS-bochs-latest, address=0xf0000 \n"
"vgaromimage: VGABIOS-elpin-2.40 \n"
"floppya: 1_44=maios.img, status=inserted \n"
"boot: a \n"
"log: maios.out \n"
"mouse: enabled=0 \n"
"keyboard_mapping: enabled=1, map=x11-pc-us.map \n";
//编译指定代码文件并放入镜像指定位置
//filename:要编译的文件名 imgBuffer:保存到的镜像缓冲区
//startIndex:指定起始位置 limitSize:编译后程序限定大小
int CompileFile(char *fileName, byte *imgBuffer, int startIndex, int limitSize)
{
char *tempBuffer; //保存编译后程序的临时缓冲区
//编译fileName里的代码，结果放到tempBuffer中
int length = YC_CompileCpp(&tempBuffer, fileName, 0, 0);
if(length <= 0 || length > limitSize)
{
printf("文件: %s 中存在一些错误或文件过大（超过%d字节）：%d字节\n", fileName,limitSize,length);
return 1;
}
printf("文件: %s 编译成功，大小为：%d字节。\n", fileName, length);
//将编译好的程序放到镜像引导扇区缓冲区指定起始位置
memcpy(imgBuffer + startIndex, tempBuffer, length);
free(tempBuffer);
return 0;
}
int main(int argc, char **argv)
{
char * filePath = argv[0]; //当前文件夹路径
char fileName[MAX_PATH]; //用于缓存各个文件名
//将可执行文件的完整路径去掉文件名，保留文件夹路径
for( int i = strlen(filePath);filePath[i] != '\\';i--)
filePath[i] = '\0';
byte *imgBuffer = new byte[FDISK_SIZE];//镜像缓冲区
_start:
//编译引导程序并放在引导扇区
if(CompileFile("boot.c", imgBuffer, 0, 509))
goto _restart;
//0000H-01FFH 为FAT引导扇区[第0扇区] 以55 AA标志结束 长度为200H(512)字节
imgBuffer[510] = 0x55;
imgBuffer[511] = 0xaa;//标记软盘引导结尾
//编译内核
if(CompileFile("kernel.c", imgBuffer, 512, 65536*8))
goto _restart;
//创建操作系统镜像maios.img
if(YC_writefile("maios.img", imgBuffer, FDISK_SIZE) != FDISK_SIZE)
{
printf("写: %s 文件过程中出现错误。\r\n", fileName);
goto _restart;
}
printf("\n%s 创建成功。\n", fileName);
//生成操作系统虚拟机配置文件maios.src
YC_writefile("maios.src", maiosSrc, strlen(maiosSrc));
//运行虚拟机
YC_WinExec(strcat(strcpy(fileName, filePath), "bochs.exe"), "-q -f maios.src");
_restart:
printf("\n点击回车重新编译运行！\n\n\n");
while(getchar() != '\n');
goto _start;
return 0;
}
code:global.h
程序代码：//文件：global.h
//功能：操作系统的公共头文件
//作者：miao
//时间：2010-5-13
//定义GDT(全局描述符)属性
#define DA_32 0x4000 //32位段
#define DA_DRW 0x92 //存在的可读写数据段属性值
#define DA_DRWA 0x93 //存在的已访问可读写数据段类型值
#define DA_CR 0x9A //存在的可执行可读代码段属性值
#define DA_C 0x98 //存在的可执行可读代码段属性值
//定义LDT(局部描述符)属性
#define DA_LDT 0x82 //局部描述符表类型值
//定义门属性
#define DA_386CGate 0x8c //386调用门类型
//描述符特权等级（0~3:从高到低）
#define DA_DPL0 0x00 //描述符特权等级为3
//选择子
#define SA_TIL 0x4 //将TI位置1，表示是LDT选择子
typedef unsigned int t_32; //4字节
typedef unsigned short t_16; //2字节
typedef unsigned char t_8; //1字节
typedef int t_bool;//4字节
typedef unsigned int t_port;//4字节
//存储段描述符/系统段描述符
struct DESCRIPTOR //共 8 个字节
{
t_16 limit_low; //Limit 2字节
t_16 base_low; //Base 2字节
t_8 base_mid; //Base 1字节
t_8 attr1; //P(1) DPL(2) DT(1) TYPE(4) 1字节
t_8 limit_high_attr2; //G(1) D(1) 0(1) AVL(1) LimitHigh(4) 1字节
t_8 base_high; //Base 1字节
};
#define Descriptor(bas,len,attr) { \
(len) & 0xffff, \
(bas) & 0xffff, \
((bas)>>16)&0xff, \
(attr) & 0xff, \
(((attr)>>8) &0xf0) + (((len)>>16) & 0x0f), \
((bas) >> 24) & 0xff } \
#define Gate(slector,offset,dCount,attr) { \
(offset) & 0xffff, \
slector, \
(dCount)&0x1f , \
attr, \
((offset)>>16) &0xff, \
((offset) >> 24) & 0xff } \
code:boot.c
程序代码：//文件：boot.c
//功能：操作系统的引导程序,将内核程序(引导扇区后的几个扇区内容)加载到内存0x7f00处(省略loader程序)
// 加载完内核后,进入保护模式并跳转到内核程序的入口点(内存0x7f00处)
//运行：run.exe自动会编译boot.c与生成img并调用Bochs运行此程序。
//作者：miao
//时间：2010-5-13
#define YCBIT 16 //告诉编译器，以16位格式编译程序
#define YCORG 0x7c00 //告诉编译器，在7c00处加载程序
#include "global.h"
//GDT界限，只负责跳转到保护模式，到时会加载新的GDT
DESCRIPTOR label_gdt[] =
{
// 段基址 段界限 属性
Descriptor(0, 0, 0),
Descriptor(0x7f00, 0xfffff, DA_CR | DA_32),//32位代码段,可执行可读
};
//GDT 选择子，根据GDT界限设置偏移量值
#define SelectorCode32 8*1 //指向32位段处
#pragma pack(1)
struct GDT_PTR
{
unsigned short size;
void *addr;
};
#pragma pack()
GDT_PTR GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)label_gdt}; //段界限,基地址
asm void main()
{
mov ax, cs
mov ds, ax
mov ax, 0x0
mov es, ax
//清屏
mov ah, 06h //屏幕初始化或上卷
mov aL, 00h //AH = 6, AL = 0h
mov bx, 1110h //蓝色底色
mov cx, 0 //左上角: (0, 0)
mov dl, 4fh //第0列
mov dh, 1fh //第0行
int 10h //显示中断
//将软盘引导扇区后的几个扇区信息（内核程序）移动到内存中
mov al, 0x04 //移动4个扇区
mov ah, 0x02 //表示读软盘扇区到内存
mov bx, 0x7f00 //移动到的位置:es:bx
mov cl, 0x2 //开始扇区（位0-5），磁道（柱面）号的高2位（位6-7）
mov ch, 0x0 //磁道（柱面）号的低8位
mov dl, 0x0 //驱动号（若为硬盘，位7置1）
mov dh, 0x0 //磁头号
int 0x13
mov ax, cs
mov es, ax
lgdt GdtPtr //加载 GDTR
cli //关中断
//打开地址线A20
in al, 92h
or al, 00000010b
out 92h, al
//准备切换到保护模式，置cr0的PE位为1
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax
//真正进入保护模式（内核入口点）
jmp dword SelectorCode32:0x0
}
code:kernel.c
程序代码：//文件：kernel.c
//功能：内核程序，目前功能仅为显示一个字符串。用以证明成功加载内核到内存并运行内核代码。
//运行：run.exe自动会编译boot.c与生成img并调用Bochs运行此程序。
//作者：miao
//时间：2010-5-13
#define YCBIT 32 //告诉编译器，以32位格式编译程序
#define YCORG 0x0 //此值会对在编译时对变量函数等产生地址基址偏移量，简单起便，设置为0
#include "global.h"
#define ProtecAddr 0x7f00 //进入保护模式后的程序基址
#define retf db 0xcb //因为yc09编译器不识别指令retf，使用宏直接定义指令retf
asm void DispStr();//显示一个字符串，需要先设置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置
//GDT 选择子
#define SelectorCode32 8*1 //指向32位段处代码段,可执行可读
#define SelectorVideo 8*2 //指向显存首地址
#define SelectorData32 8*3 //指向32位段处，这样，在程序中的变量就可以读写了
#define SelectorLDT 8*4 //指向LDT,通过这个跳转到局部任务
//门选择子
#define SelectorCallGateTest 8*5 //指向门任务
//GDT界限，注意，这个与boot.c中的GDT不同，从boot.c跳转过来后会立即载入这个新的GDT
DESCRIPTOR label_gdt[] =
{
// 段基址 段界限 属性
Descriptor(0, 0, 0),
Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_CR | DA_32), //32位代码段,可执行可读
Descriptor(0xb8000, 0xffff, DA_DRW), //显存地址段,可读可写
Descriptor(ProtecAddr, 0xfffff, DA_DRW | DA_32), //令32位代码段的变量可以读写
};
#pragma pack(1)
struct GDT_PTR
{
t_16 size;
void *addr;
}GdtPtr = {sizeof(label_gdt), (char*)&label_gdt + ProtecAddr}; //段界限,基地址
#pragma pack()
char Msg1[] = "I am in kernel now!";
//内核入口点
asm void main()
{
lgdt cs:GdtPtr //加载新的GDTR
mov eax, SelectorVideo
mov gs, ax //视频段选择子(目的)
mov eax, SelectorData32 //令32位代码段的变量（printPlace）可以读写
mov ds, ax
//下面显示一个字符串(显示已经到达保护模式信息)
mov esi, &Msg1 //源数据偏移
mov edi, ((80 * 0 + 0) * 2) //目的数据偏移。屏幕第0行, 第0列。
call DispStr
died:
jmp died
}
//显示一个字符串，需要先设置好esi指向字符串地址，edi指向字符串的起始位置
asm void DispStr()
{
mov ah, 14h //蓝底红字(ah = 14h)
//循环逐个将字符串输出
_DispStr:
mov al, ds:[esi]//因为可读，才能用cs指向当前段的Msg1字符串
inc esi
cmp al, '\0' //判断是否字符串结束
jz _stop
mov gs:[edi], ax
add edi, 2
jmp _DispStr
_stop: //显示完毕
ret
}
。