编程过把瘾：自己动手写操作系统

如何调用BIOS中断

在一般的程序设计语言中，函数的调用是一件非常容易的事情。比如在C语言中，如果有一个名为display的程序，它带有两个参数，其中参数noofchar表示显示的字符数，参数attr表示显示字符的属性。那么要调用它，只需给出程序的名称即可。对于中断的调用，我们使用的是汇编语言中的int指令。

比如，在C语言中要显示一些东西时，使用的指令如下所示：

display(nofchar，attr)；
而使用BIOS时，要实现相同功能使用的指令如下：

int 0x10

如何传递参数

在调用BIOS中断之前，我们需要先往寄存器中送一些特定的值。假设要使用BIOS的中断13h，该中断的功能是把数据从软盘传送至内存之中。在调用该中断之前，要先指定拷贝数据的段地址，指定驱动器号、磁道号、扇区号，以及要传送的扇区数等等。然后，就要往相应的寄存器送入相应的值。在进行下面的步骤前，读者有必要对这一点有比较明确地认识。

此外，一个比较重要的事实是同一个中断往往可以实现各种不同的功能。中断所实现的确切功能取决于所选择的功能号，功能号一般都存在ah寄存器之中。比如中断13h可以用于读磁盘、写磁盘等功能，如果把3送入ah寄存器中，那么中断选择的功能就是写磁盘；如果把2送入ah寄存器中，选择的功能则是读磁盘等。

我们要做的事情

这次我们的源代码由两个汇编语言程序和一个C程序组成。第一个汇编文件是引导扇区的代码。在引导扇区中，我们写的代码是要把软盘中第二扇区拷贝至内存段的0x500处(地址是0x5000，即偏移地址为0)。这时我们需要使用BIOS的中断13h。这时启动扇区的代码就会把控制权转移至0x500处。在第二个汇编文件中，代码会使用BIOS中断10h在屏幕上显示一个信息。C程序实现的功能则是把可执行的文件1拷贝至启动扇区，把可执行的文件2拷贝至软盘的第二扇区。

启动扇区代码

使用中断13h，启动扇区把软盘第二扇区里的内容加载至内存的0x5000处(段地址为0x500)。下面的代码是用于实现这一目的的代码，将其保存至文件sbect.s中。

LOC1=0x500
entry start
start:
mov ax,#LOC1
mov es,ax
mov bx,#0
mov dl,#0
mov dh,#0
mov ch,#0
mov cl,#2
mov al,#1
mov ah,#2
int 0x13
jmpi 0,#LOC1


上面代码第一行类似于一个宏。接下去的两行则是把值0x500加载至es寄存器中，这是软盘上第二扇区代码将拷贝到的地方(第一扇区是启动扇区)。这时，把段内的偏移设为0。

接下来把驱动器号送入dl寄存器中，其中磁头号送入dl寄存器中，磁道号送入ch寄存器中，扇区号送入cl寄存器中，扇区数送入al寄存器之中。我们想要实现的功能是把扇区2、磁道号为0、驱动器号为0的内容送至段地址0x500处。所有这些参数都和1.44MB的软盘相对应。

把2送入ah寄存器中，是选择了由中断13h提供的相应功能，即实现从软驱转移数据的功能。

最后调用中断13h，并且转至偏移为0的段地址0x500处。

第二个扇区的代码

第二个扇区中的代码如下所示(把这些代码保存至文件sbect2.s之中)：

entry start
start:
mov ah,#0x03
xor bh,bh
int 0x10

mov cx,#26
mov bx,#0x0007
mov bp,#mymsg
mov ax,#0x1301
int 0x10

loop1: jmp loop1
mymsg:
.byte 13,10
.ascii “Operating System is Loading......”


上面代码将被加载至段地址为0x500处，并且被执行。在这段代码中，使用了中断10h来获取目前的光标位置，然后显示信息。

从第3行到第5行用于得到目前光标的位置，在此中断10h选用的是功能3。然后，清除了bh寄存器的内容，并把字符串送至ch寄存器中。在bx中，我们送入了页码及显示的属性。此处，我们想要在黑背景上显示白色的字符。然后，把要显示字符的地址送到bp之中，信息由两个字节组成，其值分别为13的10，它们分别对应回车和LF(换行)的ASCⅡ值。接下来是一个由29个字符组成的串；在下面实现的功能是输出字符串然后移动光标；最后是调用中断，然后进入循 环。

C程序代码
C程序的源代码如下所示，将其存储为write.c文件。

#include /* unistd.h needs this */
#include /* contains read/write */
#include
int main()
{
char boot_buf[512];
int floppy_desc, file_desc;
file_desc = open(“./bsect”, O_RDONLY);
read(file_desc, boot_buf, 510);
close(file_desc);
boot_buf[510] = 0x55;
boot_buf[511] = 0xaa;
floppy_desc = open(“/dev/fd0”, O_RDWR);
lseek(floppy_desc, 0, SEEK_SET);
write(floppy_desc, boot_buf, 512);
file_desc = open(“./sect2”, O_RDONLY);
read(file_desc, boot_buf, 512);
close(file_desc);
lseek(floppy_desc, 512, SEEK_SET);
write(floppy_desc, boot_buf, 512);
close(floppy_desc);
}


在上一期中，我曾经介绍过如何操作能启动的软盘。现在这一个过程稍微有点不同，首先把由bsect.s编译出来的可执行文件bsect拷贝至软盘的启动扇区。然后再把由sect2.s产生的可执行文件sect2拷贝至软盘的第二个扇区。

把上述文件置于同一目录之下，然后分别对其进行编译，方法如下所示：

as86 bsect.s -o bsect.o
ld86 -d bsect.o -o bsect

对sect2.s文件重复以上的操作，得出可执行文件sect2。编译write.c，插入软盘后执行write文件，命令如下所示：

cc write.c -o write
./write

下一步我们要做的事情

从软盘启动以后，可以看到显示出来的字符串。这是使用了BIOS中断来完成的。下一期要做的事情是在这个操作系统中实现实模式向保护模式的转换。




自己动手写操作系统(三)
作者：伊梅


在上两期中（自己动手写操作系统1，2），我向大家讲述了如何使用Linux提供的开发工具在软盘的启动扇区写一些代码，以及如何调用BIOS的问题。现在，这个操作系统已经越来越接近当年Linus Torvalds的那个具有“历史意义”的Linux内核了。因此，要马上把这个系统切换到保护模式之下。 www.xker.com(小新技术网)

什么是保护模式

自从1969年推出第一个微处理器以来，Intel处理器就在不断地更新换代，从8086、8088、80286，到80386、80486、奔腾、奔腾Ⅱ、奔腾4等，其体系结构也在不断变化。80386以后，提供了一些新的功能，弥补了8086的一些缺陷。这其中包括内存保护、多任务及使用640KB以上的内存等，并仍然保持和8086家族的兼容性。也就是说80386仍然具备了8086和80286的所有功能，但是在功能上有了很大的增强。早期的处理器是工作在实模式之下的，80286以后引入了保护模式，而在80386以后保护模式又进行了很大的改进。在80386中，保护模式为程序员提供了更好的保护，提供了更多的内存。事实上，保护模式的目的不是为了保护程序，而是要保护程序以外的所有程序（包括操作系统）。

简言之，保护模式是处理器的一种最自然的模式。在这种模式下，处理器的所有指令及体系结构的所有特色都是可用的，并且能够达到最高的性能。

保护模式和实模式

从表面上看，保护模式和实模式并没有太大的区别，二者都使用了内存段、中断和设备驱动来处理硬件，但二者有很多不同之处。我们知道，在实模式中内存被划分成段，每个段的大小为64KB，而这样的段地址可以用16位来表示。内存段的处理是通过和段寄存器相关联的内部机制来处理的，这些段寄存器（CS、DS、SS和ES）的内容形成了物理地址的一部分。具体来说，最终的物理地址是由16位的段地址和16位的段内偏移地址组成的。用公式表示为：

物理地址=左移4位的段地址+偏移地址。

在保护模式下，段是通过一系列被称之为“描述符表”的表所定义的。段寄存器存储的是指向这些表的指针。用于定义内存段的表有两种：全局描述符表(GDT)和局部描述符表(LDT)。GDT是一个段描述符数组，其中包含所有应用程序都可以使用的基本描述符。在实模式中，段长是固定的(为64KB)，而在保护模式中，段长是可变的，其最大可达4GB。LDT也是段描述符的一个数组。与GDT不同，LDT是一个段，其中存放的是局部的、不需要全局共享的段描述符。每一个操作系统都必须定义一个GDT，而每一个正在运行的任务都会有一个相应的LDT。每一个描述符的长度是8个字节，格式如图3所示。当段寄存器被加载的时候，段基地址就会从相应的表入口获得。描述符的内容会被存储在一个程序员不可见的影像寄存器(shadow register)之中，以便下一次同一个段可以使用该信息而不用每次都到表中提取。物理地址由16位或者32位的偏移加上影像寄存器中的基址组成。实模式和保护模式的不同可以从图1和图2中很清楚地看出来。