os

《Orange's 一个操作系统的实现（第二版）》学习笔记

在 ubuntu 上构建实验环境

本人用的操作系统是 ubuntu，所以所有的实验都是在 ubuntu 系统进行的，下面介绍一下如何在 ubuntu 系统上构建实验环境。

操作系统的版本是 16.04.4，需要用到的软件有：

nasm。nasm 是一个汇编器, 用来编译我们的汇编程序，选择 nasm 是因为 nasm 的语法友好。
bochs。bochs 是虚拟计算机，用来调试我们的程序。
freedos。方便调试 COM 程序。

安装 nasm

sudo apt install nasm

安装好后会提供 nasm 命令和 ndisasm 命令，用来编译和反编译。

安装 bochs

sudo apt install bochs bochs-x

安装 freedos

在 bochs 官网下载，解压后在解压目录执行 bochs 即可。下载地址：http://bochs.sourceforge.net/guestos/freedos-img.tar.gz

第一个 os （仅仅是引导程序）

首先新建一个名字为 os（可以换成任何你喜欢的名字）的目录。目录结构如下：

├── bochsrc  # bochs 的配置文件
├── boot.asm  # 引导程序汇编代码
├── boot.bin  # 引导程序二进制代码
└── os.img  # bochs 使用的映像文件

创建一个软盘映像（os.img）。

pan@ubu:~/os$ bximage
========================================================================
                                bximage
                  Disk Image Creation Tool for Bochs
          $Id: bximage.c 11315 2012-08-05 18:13:38Z vruppert $
========================================================================

Do you want to create a floppy disk image or a hard disk image?
Please type hd or fd. [hd] fd

Choose the size of floppy disk image to create, in megabytes.
Please type 0.16, 0.18, 0.32, 0.36, 0.72, 1.2, 1.44, 1.68, 1.72, or 2.88.
 [1.44] 
I will create a floppy image with
  cyl=80
  heads=2
  sectors per track=18
  total sectors=2880
  total bytes=1474560

What should I name the image?
[a.img] os.img

Writing: [] Done.

I wrote 1474560 bytes to os.img.

The following line should appear in your bochsrc:
  floppya: image="os.img", status=inserted

配置 bochs（bochsrc）。

新建一个名为 bochsrc 的文件，其内容如下：

###############################################################
# Configuration file for Bochs
###############################################################

# 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=os.img, status=inserted

# choose the boot disk.
boot: floppy

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

编写引导程序

boot.asm

org 7c00h  ; 告诉编译器程序加载到 7c00 处
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
call DispStr  ; 调用显示字符串函数
jmp $  ; 无限循环

DispStr:
    mov ax, bootMessage
    mov bp, ax  ; ES:BP = 串地址
    mov cx, msgLen  ; 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 = 0ch, 高亮）
    mov dl, 0
    int 10h  ; 10h 号中断
    ret

bootMessage: db "Hello, OS world!"
msgLen: equ $ - bootMessage

times 510 - ($ - $$) db 0  ; 填充剩下的空间，使生成的二进制代码恰好为 512 字节
dw 0xaa55  ; 结束标志

一些说明：

在 NASM 中，任何不被方括号括起来的标签或变量名都被认为是地址，访问标签中的内容必须使用 []。所以

mov ax, bootMessage

将会把 "Hello, OS world!" 这个字符串的首地址传给寄存器 ax。又比如，如果有：

foo dw 1

则 mov ax, foo 将把 foo 的地址传给 ax，而 mov bx, [foo] 将把 bx 的值赋值为 1。并且，在 NASM 中，变量和标签是一样的，也就是说：

foo dw 1

等价于

foo: dw 1

$ 表示当前行被汇编后的地址。$$ 表示一个节的开始处被汇编后的地址。在这里，我们的程序只有一个节，所以 $$ 实际上就表示程序被编译后的开始地址，也就是 0x7c00。

编译

nasm boot.asm -o boot.bin

将二进制代码写入软盘映像

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

在 os 目录执行

bochs

这时会停在那里，方便使用者进行调试。在这里我们就不调试了，直接输入 continue 或 c 继续运行即可，如下所示：

<bochs:1> c

如果没什么问题的话应该能看到红色的 Hello, OS world! 字样。

使用 freedos

为什么要用 freedos

《Orange's 一个操作系统的实现》对此的解释大意如下：

引导扇区空间有限，只有 512 字节，如果我们的程序超过了 512 字节，就不行了。要解决这个问题有两个方法：一是写一个引导扇区，但是对目前的我们来说难度太大，虽然可以把别人写好的直接拿来用，但是这方面教程比较匮乏；二是我们把程序编译成 COM 文件，让 dos 来运行它，优点是很多保护模式的教程是基于 dos 讲的，大家有不明白的可以参考其他教程。

将文件拷贝到 freedos

freedos 下载解压后的目录结构类似于下面的样子：

├── bochsrc
├── a.img
├── b.img
└── c.img

我们可以将源程序拷贝到 c.img。之所以拷到 c.img 是因为 c.img 的空间比较大。可以用 fdisk -l c.img 查看一下，输出如下所示：

Disk c.img: 10.2 MiB, 10653696 bytes, 20808 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xe3657373

设备       启动 Start 末尾 扇区 Size Id 类型
c.img1     *       17 20484 20468  10M  1 FAT12

第一行显示的有大小信息，可以看到为 10.2 MB。

拷贝前需要先挂载分区，挂载方法如下所示：

sudo mkdir /mnt/dos
# loop 用来把文件当成硬盘分区
# offset = Start * Sector size
# Start 和 Sector size 信息可以用 fdisk 命令查看，参考上面的 fdisk -l c.img。
sudo mount c.img /mnt/dos -o loop,offset=8704

挂载后执行 sudo cp -R your_program /mnt/dos 将你的程序拷贝过去即可。然后执行 sudo umount /mnt/dos 卸载分区。

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