概述
- 手写Linux x86操作系统是一项涉及计算机底层原理、汇编语言、C语言和操作系统内核设计的复杂工程，需分阶段逐步实现。
- 视频教程：
https://pan.quark.cn/s/ba54cd9d2ebc
一、前置知识与环境准备
在开始编写代码前，需掌握底层知识并搭建开发环境，确保能够编译、调试和运行操作系统代码。
1.1 必备前置知识
手写操作系统需要深入理解计算机底层逻辑，核心知识包括：
- x86架构基础：实模式（16位）、保护模式（32位）/长模式（64位）的内存寻址方式、段寄存器（CS/DS/ES等）、页表机制、中断控制器（8259 PIC）、CPU特权级（Ring 0~3）。
- 汇编语言：x86 16位汇编（用于引导程序）和32位汇编（用于内核底层操作，如中断处理、上下文切换），需熟悉NASM语法（常用的操作系统开发汇编语法）。
- C语言底层特性：指针操作（直接访问内存地址）、结构体（描述进程、页表等数据结构）、函数指针（中断处理表、系统调用表）、无标准库编程（内核无法依赖glibc，需自己实现内存分配、字符串操作等基础函数）。
- 操作系统核心概念：进程/线程管理（PCB、调度算法）、内存管理（分页/分段、物理内存分配）、中断与异常处理、系统调用、文件系统（inode、目录结构）、设备驱动（字符设备/块设备）。
1.2 开发环境搭建
需搭建支持x86交叉编译、镜像生成和虚拟机调试的环境，推荐使用Linux主机（Ubuntu 20.04+） ，核心工具如下：
| 工具名称 | 作用 | 安装命令（Ubuntu） |
|---|---|---|
| NASM | 汇编器，编译16位/32位x86汇编代码 | sudo apt install nasm |
| GCC x86交叉编译器 | 编译32位内核C代码（避免主机编译器依赖64位特性） | sudo apt install gcc-multilib |
| LD | 链接器，将汇编目标文件和C目标文件链接为内核镜像 | 随GCC安装，无需额外操作 |
| QEMU | 虚拟机，运行操作系统镜像并支持调试 | sudo apt install qemu-system-x86 |
| GDB | 调试工具，配合QEMU调试内核代码 | sudo apt install gdb |
| dd | 生成磁盘镜像文件 | 系统自带 |
| parted | 分区工具（可选，用于复杂磁盘布局） | sudo apt install parted |
二、阶段1：实现引导程序（Bootloader）
计算机启动时，CPU首先执行BIOS（基本输入输出系统），BIOS会检测硬件并将硬盘第一个扇区（MBR，主引导记录，512字节）加载到内存0x7C00处，然后跳转到该地址执行。引导程序的核心任务是：将内核加载到内存，并从实模式切换到保护模式，最终跳转到内核入口。
2.1 编写MBR引导程序（16位汇编）
MBR是引导的第一阶段，需实现硬件检测、读取内核到内存、切换保护模式的基础工作。以下是简化的MBR代码（mbr.asm）：
nasm
org 0x7C00 ; 告诉汇编器，代码加载到0x7C00处
bits 16 ; 16位实模式
start:
; 初始化段寄存器（实模式下，段地址+偏移地址=物理地址）
mov ax, 0x00
mov ds, ax ; 数据段寄存器=0x00
mov es, ax ; 附加段寄存器=0x00
mov ss, ax ; 栈段寄存器=0x00
mov sp, 0x7C00 ; 栈指针指向0x7C00（栈向下生长，避免覆盖代码）
; 清屏（BIOS中断0x10，功能号0x06：滚动清屏）
mov ah, 0x06
mov al, 0x00 ; 滚动行数=0（清屏）
mov ch, 0x00 ; 左上角行号
mov cl, 0x00 ; 左上角列号
mov dh, 0x18 ; 右下角行号（24行）
mov dl, 0x4F ; 右下角列号（80列）
mov bh, 0x07 ; 字符属性（黑底白字）
int 0x10
; 显示引导信息（BIOS中断0x10，功能号0x13：显示字符串）
mov ah, 0x13
mov al, 0x01 ; 字符串模式：显示后光标移动
mov bh, 0x00 ; 页号
mov bl, 0x02 ; 字符属性（绿底黑字）
mov cx, msg_len ; 字符串长度
mov dh, 0x00 ; 行号
mov dl, 0x00 ; 列号
push ax
mov ax, ds
mov es, ax ; ES=DS（字符串在DS段）
pop ax
mov bp, boot_msg ; BP=字符串偏移地址
int 0x10
; 读取内核到内存0x10000处（BIOS中断0x13，功能号0x02：读扇区）
mov ah, 0x02 ; 功能号：读扇区
mov al, 0x08 ; 读取扇区数（假设内核占8个扇区，可根据实际调整）
mov ch, 0x00 ; 磁道号（0号磁道）
mov cl, 0x02 ; 扇区号（从2号扇区开始，1号扇区是MBR）
mov dh, 0x00 ; 磁头号（0号磁头）
mov dl, 0x80 ; 驱动器号（0x80=第一块硬盘）
mov bx, 0x1000 ; ES:BX = 目标地址（0x0000:0x1000 = 0x10000）
mov es, bx
mov bx, 0x0000
int 0x13 ; 调用BIOS中断读扇区
jc read_error ; 若CF=1，读取失败，跳转报错
; 准备切换到保护模式：开启A20地址线（实模式下A20被屏蔽，只能访问1MB内存）
in al, 0x92 ; 读取端口0x92（系统控制端口）
or al, 0x02 ; 置位第1位（开启A20）
out 0x92, al ; 写回端口
; 加载全局描述符表（GDT），保护模式必备（定义段的基地址、限长、权限）
lgdt [gdt_descriptor]
; 切换到保护模式：将CR0寄存器的PE位（第0位）置1
mov eax, cr0
or eax, 0x01 ; PE=1（保护模式使能）
mov cr0, eax
; 远跳转到代码段（清空流水线，确保保护模式生效）
jmp CODE_SEG:init_protected
; 读取扇区失败处理
read_error:
mov ah, 0x13
mov al, 0x01
mov bh, 0x00
mov bl, 0x04 ; 红底黑字（错误提示）
mov cx, err_len
mov dh, 0x01
mov dl, 0x00
push ax
mov ax, ds
mov es, ax
pop ax
mov bp, err_msg
int 0x10
jmp $ ; 死循环
; 全局描述符表（GDT）：保护模式下，内存访问需通过段描述符
; GDT格式：8字节/描述符，包含基地址（32位）、限长（20位）、权限位
gdt_start:
; 空描述符（GDT第一个描述符必须为空）
gdt_null:
dd 0x00000000
dd 0x00000000
; 代码段描述符：基地址=0x00000000，限长=0xFFFFF（4GB，页粒度），权限=Ring 0（内核级）
gdt_code:
dw 0xFFFF ; 限长（低16位）
dw 0x0000 ; 基地址（低16位）
db 0x00 ; 基地址（中8位）
db 0x9A ; 权限位：Present=1, DPL=0, Code=1, Non-conforming=1, Readable=1
db 0xCF ; 限长（高4位）+ 粒度位：Granularity=1（4KB页）, 32位模式=1
db 0x00 ; 基地址（高8位）
; 数据段描述符：基地址=0x00000000，限长=0xFFFFF，权限=Ring 0
gdt_data:
dw 0xFFFF ; 限长（低16位）
dw 0x0000 ; 基地址（低16位）
db 0x00 ; 基地址（中8位）
db 0x92 ; 权限位：Present=1, DPL=0, Data=1, Expand-up=1, Writable=1
db 0xCF ; 限长（高4位）+ 粒度位
db 0x00 ; 基地址（高8位）
gdt_end:
; GDT描述符：告诉CPU GDT的基地址和长度（长度=GDT结束地址-GDT开始地址-1）
gdt_descriptor:
dw gdt_end - gdt_start - 1 ; GDT长度（16位）
dd gdt_start ; GDT基地址（32位）
; 定义段选择子（GDT中描述符的索引，左移3位+权限位）
CODE_SEG equ gdt_code - gdt_start ; 代码段选择子（索引=1，DPL=0）
DATA_SEG equ gdt_data - gdt_start ; 数据段选择子（索引=2，DPL=0）
; 字符串定义
boot_msg db "Booting My Linux OS..."
msg_len equ $ - boot_msg
err_msg db "Error: Failed to load kernel!"
err_len equ $ - err_msg
; 填充MBR到512字节，末尾添加启动标志0xAA55（BIOS识别MBR的标志）
times 510 - ($ - $$) db 0x00
dw 0xAA552.2 编译与验证MBR
-
编译MBR ：使用NASM将汇编代码编译为二进制文件：
bashnasm -f bin mbr.asm -o mbr.bin -
生成磁盘镜像 ：创建一个10MB的空镜像，将MBR写入镜像的第一个扇区：
bashdd if=/dev/zero of=myos.img bs=1M count=10 # 创建10MB空镜像 dd if=mbr.bin of=myos.img bs=512 count=1 conv=notrunc # 写入MBR（不截断镜像） -
运行MBR ：使用QEMU启动镜像，验证引导信息是否正常显示：
bashqemu-system-i386 -drive format=raw,file=myos.img若正常，QEMU窗口会显示"Booting My Linux OS..."；若读取失败（如内核未写入），会显示错误信息。
2.3 实现第二阶段引导（可选，加载内核）
MBR仅512字节，无法容纳复杂逻辑（如读取大内核、解析ELF格式），因此通常需要第二阶段引导程序（Loader） ：
- 在MBR中添加代码，将Loader从硬盘扇区（如2~9扇区）加载到内存
0x9000处。 - Loader使用32位汇编（保护模式），实现ELF格式解析（Linux内核通常是ELF文件），将内核的代码段、数据段加载到指定内存地址（如代码段到
0xC0000000，内核虚拟地址起始）。 - 最终跳转到内核入口地址（ELF文件头中定义的
e_entry）。
三、阶段2：实现内核核心模块（32位C+汇编）
内核是操作系统的核心，需实现内存管理、中断处理、进程调度等基础功能。以下从内核入口开始，逐步实现关键模块。
3.1 内核入口：从引导程序跳转到内核
引导程序（Loader）完成保护模式切换和ELF解析后，会跳转到内核入口函数（通常是kernel_main）。内核入口需先初始化硬件（如中断控制器）、设置页表，再进入主循环。
3.1.1 内核入口汇编（kernel_entry.asm）
用于初始化栈和段寄存器，调用C语言写的kernel_main：
nasm
bits 32 ; 32位保护模式
global kernel_entry ; 导出入口函数，供Loader调用
extern kernel_main ; 声明C语言实现的kernel_main
; 内核栈：在内存0x80000~0x90000处分配16KB栈空间
KERNEL_STACK equ 0x90000
kernel_entry:
; 初始化数据段寄存器（使用GDT中的数据段选择子）
mov ax, DATA_SEG
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax ; 栈段使用数据段
; 初始化栈指针
mov esp, KERNEL_STACK
; 调用C语言内核主函数
call kernel_main
; 内核返回后死循环（防止CPU跑飞）
jmp $3.1.2 内核主函数（kernel.c）
内核初始化的入口，先实现简单的屏幕输出（VGA文本模式），再逐步添加其他模块：
c
#include "vga.h" // 自定义VGA输出头文件
// 内核主函数
void kernel_main() {
// 初始化VGA文本模式（清屏，设置光标位置）
vga_init();
// 在屏幕上显示内核启动信息
vga_print("Welcome to My Linux OS Kernel!\n");
vga_print("Kernel is running in 32-bit Protected Mode.\n");
// 内核主循环（后续添加进程调度、中断处理等）
while (1) {
// 暂时空循环，后续替换为调度逻辑
}
}3.2 实现VGA文本模式输出（内核调试必备）
内核无法依赖BIOS中断（保护模式下BIOS不可用），需直接操作VGA硬件寄存器实现屏幕输出。VGA文本模式的显存地址为0xB8000（物理地址），每个字符占2字节：1字节ASCII码 + 1字节属性（前景色+背景色）。
3.2.1 VGA工具函数（vga.h + vga.c）
c
// vga.h
#ifndef VGA_H
#define VGA_H
#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
// VGA文本模式属性：高4位背景色，低4位前景色（0=黑，1=蓝，2=绿，3=青，4=红，5=紫，6=棕，7=灰）
#define VGA_COLOR_BLACK 0x0
#define VGA_COLOR_BLUE 0x1
#define VGA_COLOR_GREEN 0x2
#define VGA_COLOR_CYAN 0x3
#define VGA_COLOR_RED 0x4
#define VGA_COLOR_MAGENTA 0x5
#define VGA_COLOR_BROWN 0x6
#define VGA_COLOR_LIGHT_GREY 0x7
// 组合前景色和背景色（默认黑底白字）
#define VGA_ENTRY_COLOR(fg, bg) ((bg << 4) | fg)
#define VGA_DEFAULT_COLOR VGA_ENTRY_COLOR(VGA_COLOR_LIGHT_GREY, VGA_COLOR_BLACK)
// 组合字符和属性
#define VGA_ENTRY(uc, color) ((uint16_t)(uc) | (uint16_t)(color) <<