第32章汇编语言 - 实践项目：小型操作系统内核（一）

32.2 开发环境搭建

开发一个操作系统内核需要适当的工具和环境。这部分将详细介绍如何选择合适的工具链，设置仿真器或虚拟机，以及创建构建和测试的自动化流程。

32.2.1 工具链的选择

要开始编写操作系统的代码，首先需要选择一套合适的工具链。对于汇编语言和C语言混合编程的小型操作系统内核来说，以下工具是必不可少的：

NASM (Netwide Assembler): 是一种用于x86架构的开源汇编器，支持多种输出格式，非常适合用来编写引导加载程序和其他低级代码。
GCC (GNU Compiler Collection): 提供了对C/C++等高级语言的支持，可以编译用户态的应用程序或内核模块。
LD (GNU Linker): 用于链接多个目标文件，生成最终的可执行文件或库。
Binutils: 包含了一系列二进制工具，如objcopy、objdump等，用于处理目标文件和二进制文件。
Make: 项目构建工具，用于管理源文件的编译过程。
QEMU: 快速模拟器，可用于模拟多种硬件平台，并且可以直接从磁盘映像启动，非常适合测试自定义的操作系统。
GRUB 或 Syslinux: 引导加载程序，可以用来加载多阶段的引导程序和内核映像。

32.2.2 设置仿真器或虚拟机

为了安全地测试你的操作系统代码，推荐使用仿真器或虚拟机。这里我们将介绍如何设置QEMU作为我们的主要仿真工具：

安装QEMU : 根据你的主机操作系统，使用包管理器安装QEMU。例如，在Debian/Ubuntu上可以使用sudo apt-get install qemu-system-x86来安装。
创建硬盘映像 : 使用qemu-img命令创建一个虚拟硬盘映像，该映像将用作你操作系统的"硬盘"。
shell 复制代码
```
qemu-img create -f raw myos.img 10M
```
配置QEMU启动参数: 编写一个脚本来简化启动QEMU的过程。你可以指定引导映像、内存大小、显示模式等参数。例如：
shell 复制代码
```
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=myos.img -m 128M -vga std -monitor stdio
```
使用虚拟机（可选）: 如果你需要更接近真实硬件的测试环境，可以选择设置一个虚拟机（如VirtualBox或VMware），并安装一个基础的操作系统作为开发平台。

32.2.3 构建和测试流程的自动化脚本

为了提高开发效率，应该建立一套自动化的构建和测试流程。这可以通过编写Shell脚本或使用构建工具如Make来实现：

编写Makefile : Makefile是一种描述编译规则的文件，它告诉make命令如何编译和链接程序。为你的项目创建一个Makefile，以便可以简单地通过make命令来编译整个项目。
makefile 复制代码
```
# 示例Makefile内容
all: boot.bin kernel.bin

boot.bin: boot.asm
	nasm -f bin $< -o $@

kernel.bin: kernel.o
	ld -T linker.ld -o $@ $^

kernel.o: kernel.c
	gcc -c -ffreestanding -o $@ $<

clean:
	rm -f *.bin *.o
```
编写测试脚本: 创建一个简单的Shell脚本来调用QEMU运行你的操作系统。这个脚本还可以包含额外的功能，比如复制最新的二进制文件到虚拟硬盘映像中。
shell 复制代码
```
#!/bin/sh
# 测试脚本示例
make
cp boot.bin myos.img
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=myos.img -m 128M -vga std -monitor stdio
```
集成持续集成(CI): 如果你有版本控制系统（如Git），可以考虑设置CI服务（如GitHub Actions, Travis CI等）。每当推送新的更改时，CI服务器会自动拉取最新代码、运行构建和测试脚本，并报告结果。

通过以上步骤，你将拥有一个稳定且高效的开发环境，使得你可以专注于核心操作系统的开发工作。

32.3 理解硬件和BIOS

在深入编写操作系统内核之前，理解计算机的启动过程以及BIOS（Basic Input/Output System）或UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）的工作原理是非常重要的。这部分内容将帮助你了解如何与硬件交互，并为开发引导加载程序和内核打下坚实的基础。

32.3.1 计算机启动过程

当计算机开机时，它会经历一系列步骤来初始化硬件并加载操作系统：

加电自检 (POST, Power-On Self Test):
- BIOS或UEFI首先执行POST以检查硬件是否正常工作。
- 它测试内存、CPU、键盘等基本组件，并显示错误代码（如果有的话）。
初始化硬件:
- 设置系统时钟、配置外围设备（如硬盘控制器）、初始化显卡等。
查找并加载引导加载程序:
- 根据预设顺序查找可启动介质（如硬盘、光盘、USB驱动器）。
- 一旦找到有效的引导扇区（对于BIOS），或者EFI系统分区中的引导文件（对于UEFI），就会加载到内存中。
传递控制给引导加载程序:
- 引导加载程序接管CPU控制，并负责加载操作系统内核到内存中。
- 对于传统的BIOS系统，引导加载程序通常位于硬盘的第一个扇区（MBR，主引导记录）；对于UEFI系统，则是从EFI系统分区加载特定的引导应用程序。
启动操作系统:
- 最终，引导加载程序将控制权交给操作系统内核，开始操作系统的初始化过程。

32.3.2 BIOS和UEFI简介

BIOS (Basic Input/Output System):
- 是一种固件程序，嵌入在主板上的ROM芯片中。
- 提供了最基本的硬件抽象层，允许操作系统与底层硬件进行通信。
- 使用中断服务程序来处理输入输出请求，例如从键盘读取字符或向屏幕写入文本。
- 支持实模式下的16位代码执行，限制了可用内存空间和性能。
UEFI (Unified Extensible Firmware Interface):
- 是BIOS的现代替代品，提供了更强大的功能集。
- 可以运行32位甚至64位代码，支持更大的地址空间和更多样的硬件接口。
- 具有图形化用户界面和网络连接能力，使得安装操作系统更加灵活。
- UEFI使用一个叫做EFI系统分区的地方来存储引导加载程序和其他相关文件。
- 提供了一套标准化的服务API，方便操作系统开发者编写兼容的引导加载程序。

32.3.3 中断向量表和中断服务程序

中断向量表 (IVT, Interrupt Vector Table):
- 在实模式下，中断向量表是一个由256个条目组成的数组，每个条目包含一个中断服务程序的地址。
- IVT通常位于内存的最低端（0x0000:0x0000 到 0x0000:0x03FF），每个条目占用4个字节（2字节段地址+2字节偏移地址）。
- 中断号作为索引访问相应的中断服务程序。
中断服务程序 (ISR, Interrupt Service Routine):
- 当发生硬件中断或软件触发的中断时，CPU会暂停当前任务，保存状态信息，并跳转到对应的ISR去处理事件。
- ISR完成必要的处理后，通过IRET指令返回原来被中断的任务。
- 开发者可以在自己的操作系统中重新定义某些ISR，以实现定制化的硬件响应逻辑。
- 对于保护模式，中断描述符表(IDT)取代了IVT，提供更安全和灵活的中断管理机制。

理解和掌握这些概念是构建操作系统内核的关键。接下来，你可以利用这些知识来设计和实现你的引导加载程序，确保它能够正确地与BIOS或UEFI交互，并为后续的操作系统初始化做好准备。

32.4 创建引导加载程序

引导加载程序是操作系统启动过程中至关重要的组件。它负责初始化硬件环境，并将操作系统的内核加载到内存中，以便开始执行。我们将逐步介绍如何创建一个简单的引导加载程序。

32.4.1 引导扇区结构

引导扇区（Boot Sector）是磁盘上的第一个512字节的扇区。在传统的PC架构中，BIOS会在计算机启动时自动读取这个扇区并将其加载到内存地址0x7C00处开始执行。引导扇区必须以特定的结束签名0xAA55结尾，这是BIOS用来识别有效引导扇区的关键标志。

大小：512字节
结束签名 ：最后两个字节为0xAA55
执行位置 ：从内存地址0x7C00开始执行

32.4.2 编写第一个汇编代码

下面是一个非常基础的引导加载程序的例子，使用NASM汇编语言编写：

assembly 复制代码

; boot.asm - 简单的引导加载程序

bits 16                 ; 使用16位实模式
org 0x7C00              ; 假设BIOS会将我们加载到这个地址

start:
    cli                 ; 关闭中断，防止意外发生
    xor ax, ax          ; 清除AX寄存器
    mov ds, ax          ; 设置数据段寄存器为0
    mov es, ax          ; 设置额外段寄存器为0
    mov ss, ax          ; 设置堆栈段寄存器为0
    mov sp, 0x7C00      ; 设置堆栈指针为引导扇区的开始处
    sti                 ; 恢复中断

    ; 打印消息
    mov si, hello_msg   ; 将字符串的地址放入SI寄存器
    call print_string   ; 调用打印函数

hang:
    jmp hang            ; 死循环，阻止CPU继续执行

; 打印字符串函数
print_string:
    lodsb               ; 从SI中加载一个字节到AL
    or al, al           ; 测试AL是否为零
    jz done             ; 如果是，返回
    mov ah, 0x0E        ; BIOS teletype输出功能
    int 0x10            ; 调用BIOS视频服务
    jmp print_string    ; 继续下一个字符
done:
    ret                 ; 返回调用者

hello_msg db 'Hello, OS World!', 0

times 510-($-$$) db 0   ; 填充剩余的空间直到510个字节
dw 0xAA55               ; 引导签名

32.4.3 加载更多代码到内存

为了使操作系统能够做更多的事情，通常需要加载额外的代码到内存中。这可以通过以下步骤实现：

确定加载位置：选择一个不会与现有代码冲突的内存地址。
读取磁盘：利用BIOS中断INT 13h来读取磁盘上的其他扇区。例如，可以读取紧接着引导扇区之后的扇区。
跳转到新代码：一旦所有必要的扇区都被加载到内存中，引导加载程序应该设置好段寄存器并跳转到新的代码位置开始执行。

这里是一个简单的例子，用于读取第二个扇区（假设它是内核的第一部分）：