跟我一起寫作業系統(一)——10分鐘寫個作業系統
專案地址：https://github.com/lucasysfeng/lucasOS
想動手，但不知從何入手，是學習一門新知識普遍會遇到的尷尬點。筆者喜歡邊實踐邊學習理論，筆者的寫作思路是：入門的文章要避免講一些高深的理論，而應該先丟擲demo，從研究demo入手，逐步加深demo的難度，從而學習這個過程中涉及到的理論知識。下面就讓我們花10分鐘寫個“作業系統”。
第一節 開發環境
我們在linux下製作軟盤、編譯核心等，因此需要linux開發環境。如果你用windows, 那麼在windows下安裝VMware, 在VMware中安裝ubuntu虛擬機器，此ubuntu作為開發環境。
注：筆者的開發環境是windows--VMware--ubuntu14.04.
第二節 計算機啟動過程
寫作業系統看似是一個複雜的過程，但只要我們將過程分解，完成每一步，那麼完成一個作業系統就是水到渠成的事了。好了，我們就看一下計算機的啟動過程，看作業系統何時被啟動的。
第一步：讀取BIOS
按下電源按鈕後，計算機首先讀取一塊ROM晶片，這塊晶片裡的程式是"基本輸入輸出系統"（Basic Input/Output System），即BIOS.
第二步：硬體自檢
BIOS會檢查計算機硬體是否滿足執行條件，如果硬體出現問題，主機板會發出不同含義的蜂鳴，啟動中止。
第三步：啟動順序
硬體檢查完成後，BIOS會將控制權交給下一階段的啟動程式，注意，“下一階段的啟動程式”可能存放在硬碟中，也可能存放在CD/DVD中，或者軟盤中等等，可以設定BIOS選擇從哪個裝置啟動。
第四步：主引導記錄
BIOS找到了“下一階段的啟動程式”所在裝置，會讀取該裝置的第一個扇區，即讀取最前面的512位元組，稱為主引導記錄。主引導記錄會告訴計算機下一步到哪裡去找作業系統。
第五步：bootloader
計算機讀取"主引導記錄"前面446位元組的機器碼之後，執行事先安裝的“啟動管理器”bootloader，由使用者選擇啟動哪個作業系統。如果你安裝了多個作業系統，那麼就要從這步做出選擇了。
第六步：載入核心
好了，選擇作業系統（核心）後，會載入核心，下面就交給核心去處理了。
第三節 主引導記錄
我們使用虛擬機器來啟動作業系統，上面的第一步和第二步我們不做，由虛擬機器去完成；第三步“啟動順序”我們選擇從軟盤啟動（我們用映象代替，並不是真的軟盤），需要對虛擬機器做下設定，選擇從軟盤啟動。下面重點來看第四步，我們寫一下“主引導記錄”，讓BIOS讀取我們寫的主引導記錄。
1. 主引導記錄程式碼
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; 檔名 boot.asm
org 7c00h ; BIOS讀入MBR後，從0x7c00h處開始執行
; 下面部分和10h有關中斷，10h中斷用來顯示字元
mov ax, cs
mov es, ax
mov ax, msg
mov bp, ax ; ES:BP表示顯示字串的地址
mov cx, msgLen ; CX存字元長度
mov ax, 1301h ; AH=13h表示向TTY顯示字元，AL=01h表示顯示方式（字串是否包含顯示屬性，01h表示不包含）
mov bx, 000fh ; BH=00h表示頁號，BL=0fh表示顏色
mov dl, 0 ; 列
int
10h
msg: db
"hello world, welcome to OS!"
msgLen: equ $ - msg ; 字串長度
times 510 - ($ - $$) db 0 ; 填充剩餘部分
dw 0aa55h ; 魔數，必須有這兩個位元組BIOS才確認是MBR
|
2. 編譯
# nasm boot.asm -o boot.bin
如果沒有nasm，安裝它 sudo apt-get install nasm, 執行完上述命令，會生成boot.bin檔案，這就是我們的主引導記錄二進位制。
第四節 程式碼解釋
我們再來看下主引導記錄的彙編程式碼，熟悉彙編的讀者可忽略本節。
1. 為什麼MBR要從0x7c00h處開始執行？
ORG是偽指令，org 7c00h是告訴編譯器，下面程式碼裝入到記憶體的起始地址0x7c00h處。為什麼呢，這是因為BIOS讀取主引導記錄後，會從0x7c00h處開始執行，那麼BIOS為什麼會從0x7c00h這個地址開始執行，而不是其他地址呢，這一切都要從大明湖畔的8086cpu說起。
時光飛逝，容顏易老，8086卻還是那個樣子，如圖所示：
圖 8086實物圖
圖 8086引腳圖
正如圖中所示，8086cpu的地址匯流排寬度為20（AD0-AD19），可以傳送220的地址資訊，即可以定位220（1M）的記憶體地址空間，那麼這1M的記憶體地址空間是如何分配的呢，見下圖所示（圖是386的，我們目前只關心真實模式即1M記憶體地址空間分配）：
圖 真實模式記憶體地址空間分佈
看到0x7c00h了嗎？0x0000h--0x7c00h這一段存的是BIOS中斷向量和一些BIOS資料等，至於到底為什麼以0x7c00h為界，本文不做討論，有興趣看這裡http://www.glamenv-septzen.net/en/view/6。
2. int 10h是幹嘛的?
當出現int 10h中斷時，表示要操作顯示器了，此時AH暫存器表示如何顯示，程式碼中的AH為13h，表示要在TTY（偽終端）顯示字元，此時其他幾個暫存器都有一定的含義，如下所示：
ES:BP -- 顯示字串的地址 CX -- 顯示字串的長度
BH -- 頁碼 BL -- 屬性(若AL=00H或 01H)
DH -- 行 DL -- 列
AL -- 顯示輸出方式
下面一段程式碼也就不難理解了：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 mov ax, csmov es, axmov ax, msgmov bp, ax ; ES:BP表示顯示字串的地址mov cx, msgLen ; CX存字元長度mov ax, 1301h ; AH=13h表示向TTY顯示字元，AL=01h表示顯示方式（字串是否包含顯示屬性，01h表示不包含）mov bx, 000fh ; BH=00h表示頁號，BL=0fh表示顏色mov dl, 0 ; 列int10h
3. $和$$是什麼意思？
$ 是當前位置
$$ 是段開始位置下面兩句就不難理解了：
1 2 msgLen: equ $ - msg ; 字串長度times 510 - ($ - $$) db 0 ; 填充剩餘部分
4. 為什麼要有0xaa55h魔數？
BIOS檢查完硬體後，會尋找下一個裝置來啟動計算機，BIOS找到一個裝置後，會讀取該裝置的第一個扇區，也就是讀取最前面的512個位元組。如果這512個位元組的最後兩個位元組是0x55和0xAA，表明這個裝置可以用於啟動；如果不是，表明裝置不能用於啟動，控制權於是被轉交給"啟動順序"中的下一個裝置。
第五節 製作軟盤映象，加入主引導記錄
如何用dd命令製作軟盤，自行google之。
1. 首先，我們製作一個空的軟盤映象empty.img：
# dd if=/dev/zero of=empty.img bs=512 count=2880
2. 之後，我們製作一個包含主引導記錄boot.bin的映象檔案lucasOS.img:
# dd if=boot.bin of=lucasOS.img bs=512 count=1
3. 然後，將empty.img中1個扇區後的資料拷貝到lucasOS.img的後:
# dd if=empty.img of=lucasOS.img skip=1 seek=1 bs=512 count=2879
這樣就做成了一個大小為1.44Mb的包含主引導記錄的軟盤映象檔案lucasOS.img。
4. 將虛擬機器ubuntu中的檔案lucasOS.img拷貝到windows下（滑鼠直接拖拽，如果不行google之）。
第六節 用軟盤映象lucasOS.img啟動一個空的虛擬機器
1. VMware建立空的虛擬機器，去掉開機從CD/DVD啟動選項。
2. 網路選擇host-only模式。
3. 選擇從軟盤驅動，路徑選擇上一節已經拷貝到windows下的映象lucasOS.img.
4. 開啟虛擬機器電源，看到如下畫面，恭喜你，成功了。
好了，至此，我們完成了主引導記錄，後續會討論載入核心，並進一步討論程序管理、記憶體管理、檔案系統和中斷等等。
程式碼獲取
本系列GitHub地址 https://github.com/lucasysfeng/lucasOS.git
獲取程式碼:
# git clone https://github.com/lucasysfeng/lucasOS.git
本講的程式碼是code/chapter1，筆者已經將上面的命令整合到Makefile中了，讀者只需進入目錄，按ReadMe.txt執行即可。有問題請留言。