手写简易操作系统(二)--启动计算机

前情提要

在上一部分的内容中，我们已经做好了模拟仿真的整个准备工作，这一节我们就先把计算机启动起来。

一、Bochs配置

1.1、配置启动盘

创建硬盘的工具是bximage，这个工具在我们的Bochs目录下，使用命令行创建硬盘

第一个选择 1，即创建新的硬盘或者软盘

第二个选择 hd，即创建硬盘

第三个选择 flat，即创建flat格式的硬盘，还有一些诸如sparse, growing, vpc or vmware4格式的硬盘。

第四个选择 512，即一个扇区有512字节

第五个选择 60，即硬盘的大小为60MB

第六个选择 hd60M.img，这个是硬盘的名字

1.2、配置启动文件

在bin目录下新建一个启动文件 bochsrc.disk

# 设置内存为32MB
megs: 32# 设置对应机器的BIOS
romimage: file=/home/lyj/bochs/share/bochs/BIOS-bochs-latest 
# 设置对应机器的VGA BIOS
vgaromimage: file=/home/lyj/bochs/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest # 选择启动盘符，默认为从软盘启动，但是这里设置为硬盘，软盘太古老了
boot: disk # 设置日志文件的输出
log: bochs_out.log# 关闭鼠标功能，打开键盘功能，并且设置键盘的映射
mouse: enabled=0 
keyboard: keymap=/home/lyj/bochs/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map # 硬盘设置
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14 
ata0-master: type=disk, path="/home/lyj/bochs/bin/hd60M.img", mode=flat

其中的大部分设置都做了详细的注释，这里我们对硬盘部分做出一些更详细的解释

enabled=1：表示 ATA0 控制器被启用。这意味着 Bochs 将会模拟一个 ATA0 控制器，并允许虚拟机使用这个控制器来访问硬盘或光驱设备。
ioaddr1=0x1f0：表示 ATA0 控制器的 I/O 端口地址。在计算机体系结构中，I/O 端口用于与外部设备进行数据交换。这里指定了 ATA0 控制器的主要 I/O 端口地址为 0x1f0。
ioaddr2=0x3f0：表示 ATA0 控制器的备用（secondary）I/O 端口地址。有些设备可能需要额外的 I/O 端口进行通信，这里指定了 ATA0 控制器的备用 I/O 端口地址为 0x3f0。
irq=14：表示 ATA0 控制器的中断请求线（IRQ）。中断请求线用于处理硬件设备发出的中断信号，这里指定了 ATA0 控制器的中断请求线为 14。

ata0可以挂载两个硬盘，其中一个是主盘一个是从盘。这部分内容我们会在讲解硬盘时详细说。

1.3、启动Bochs

./bochs -f bochsrc.disk

在bochs的命令行中先输入 6，即开始仿真

在输入 c，即开始执行

然后我们就看到了下面的画面

系统提示没有可引导的启动设备，也就是我们设置的硬盘是一个空的硬盘，里面并没有程序可以执行，所以直接报错退出了。接下来我们让整个程序先能跑起来。

二、MBR主引导记录

好了，我们要开始写代码了，在写代码之前先普及一点小知识，x86架构的处理器，由于历史原因，一开始是先进入实模式，再进入保护模式的。实模式下，只有20根地址线，因此只能访问到2的20次方Byte的数据，也就是1MB。这1MB又被分为了几个部分，我们可以看一下

这一部分如果我们学过《汇编语言》或者《微机原理》之类的课程是比较好理解的

2.1、BIOS启动

开机的一瞬间，BIOS被启动，BIOS中的代码就存在于 0xF0000～0xFFFFF 这个地址了，但实际上这个地址不是内存，是的，你没听错，不是内存，是一块ROM。

为了统一管理计算机中的端口，内存，ROM等等设备，计算机将这些东西统一了，就像访问内存那样去访问这些资源。

所以在开机的一瞬间，CPU的cs:ip寄存器被强制初始化为0xF000:0xFFF0，这样就可以直接执行BIOS中的程序。BIOS开始检测内存，显卡等外设信息，当外设准备好后，开始在 0x000~0x3FF 处建立中断向量表，这些中断就是BIOS提供的基础功能，可以帮助我们操作系统做一些基础操作。

做完这些，BIOS的使命就要结束了，最后的一点任务，校验启动盘中位于0盘0道1扇区(也就是LBA地址为0的扇区)的内容，如果此扇区末尾的两个字节分别是魔数 0x55 和 0xaa，BIOS便认为此扇区中确实存在可执行的程序，并把这个扇区的内容加载到物理地址 0x7c00 的内存中，一个扇区的大小我们在上一节中设置硬盘扇区大小中设置过了，是512B。

最后BIOS通过跳转指令 jmp 0：0x7c00 跳转到 0x7c00 的地址开始执行用户的程序，这里用户的程序也就是我们的操作系统了。

问：为什么是魔数 0x55 和 0xaa ？

答：BIOS中设置好的，也是大家公认的，如果你自己写BIOS的话，也可以设置为别的，但是这就不通用了。

问：为什么是 0x7c00 的地址？

答：这也是一个写死了的地址，王八的屁股，规定。

2.2、编写MBR，并编译

这里我们还是用到了BIOS中自带的中断。代码如下所示

; os/src/boot/mbr.s
; 设置开始的地址，并且初始化寄存器
SECTION MBR vstart=0x7c00         mov ax,cs      mov ds,axmov es,axmov ss,axmov fs,axmov sp,0x7c00; 利用0x06号功能实现清理屏幕
; AL = 0x06 功能号
; AL 上卷的行数(如果为0,表示全部)
; BH 上卷行属性
; (CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)位置,这里是 (0,0)
; (DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)位置,这里是 (80,25)mov    ah, 0x06mov    al, 0x00mov    bh, 0x7mov    bl, 0x00mov    cx, 0           mov    dx, 0x184fint    0x10            ; int 0x10; 获取光标位置 
; AL = 0x03 功能号
; bh 寄存器存储的是待获取光标的页号mov    ah, 3mov    bh, 0int    0x10; 打印字符串
; BP 字符串地址,BP需要通过AX访问，不能直接给BP内存数据
; AL = 0x13 功能号
; AL = 0x01 显示字符串,光标跟随移动
; CX = 0x03 字符串长度
; BH = 0x00 要显示的页号
; BL = 0x02 字符属性,属性黑底绿字mov ax, messagemov bp, axmov ax, 0x1301mov cx, 0x03mov bx, 0x02int 0x10	; 循环等待jmp $            
; 要显示的字符串message db "MBR"
; 将510个字节中剩余的空间填充为0
; $ 是当前地址
; $$ 是本节开头地址，也就是0x7c00times 510-($-$$) db 0db 0x55,0xaa

其实还是很简单的，就像是调用函数，然后我们往那些指定的寄存器中添加数据就可以了。

编译一下

nasm -o bin/mbr.bin src/boot/mbr.s

查看一下确实是512字节

然后我们将这个文件直接通过dd指令存放到我们之前生成的虚拟硬盘中的0盘0道1扇区

dd if=./bin/mbr.bin of=~/bochs/bin/hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc

然后运行Bochs

~/bochs/bin/bochs -f ~/bochs/bin/bochsrc.disk

可以看到，我们成功的运行起来了

2.3、改进MBR，直接操作显卡

我们将输出字符串直接通过操作显存来完成。通过上表我们可以得知，显存是从0xB8000~0xBFFFF，范围是32KB，一屏可以显示2000个字符，显示器上的每个字符占2字节大小，故每屏字符实际占用4000字节。这样，我们的32KB的显存可以容纳8屏的数据。

屏幕上每个字符的低字节是字符的ASCII码，高字节是字符属性元信息。

其中各个位的搭配为

我们将程序修改为

; os/src/boot/mbr.s
; 设置开始的地址，并且初始化寄存器
SECTION MBR vstart=0x7c00         mov ax,cs      mov ds,axmov es,axmov ss,axmov fs,axmov sp,0x7c00mov ax,0xb800mov gs,ax; 利用0x06号功能实现清理屏幕
; AL = 0x06 功能号
; AL 上卷的行数(如果为0,表示全部)
; BH 上卷行属性
; (CL,CH) = 窗口左上角的(X,Y)位置,这里是 (0,0)
; (DL,DH) = 窗口右下角的(X,Y)位置,这里是 (80,25)mov    ah, 0x06mov    al, 0x00mov    bh, 0x7mov    bl, 0x00mov    cx, 0           mov    dx, 0x184fint    0x10             ; int 0x10mov byte [gs:0x00],'M'  ; 字符为M的ascii值mov byte [gs:0x01],0x0F	; 00001111b 即背景色为黑，字体为白，不闪烁 mov byte [gs:0x02],'B'  ;mov byte [gs:0x03],0x0F	; mov byte [gs:0x04],'R'  ;mov byte [gs:0x05],0x0F	;; 循环等待jmp $            
; 要显示的字符串message db "MBR"
; 将510个字节中剩余的空间填充为0
; $ 是当前地址
; $$ 是本节开头地址，也就是0x7c00times 510-($-$$) db 0db 0x55,0xaa

之前的编译，写入硬盘，启动程序，这里也可以简单点写个脚本

# os/run.sh
# 编译mbr
nasm -o bin/mbr.bin src/boot/mbr.s # 复制mbr二进制程序到硬盘
dd if=./bin/mbr.bin of=/home/lyj/bochs/bin/hd60M.img bs=512 count=1 conv=notrunc# 启动仿真
/home/lyj/bochs/bin/bochs -f /home/lyj/bochs/bin/bochsrc.disk