該系列文章是在學習《操作系統真相還原》時通過自己的話加以理解總結的筆記，首先，致敬作者-鄭剛！在讀本書時不得不佩服作者底層功力的深厚，讓我由衷感嘆：不愧是北大的學子，其講解的也通俗易懂，十分詳細，我會努力把它學好，學精做好筆記，並加以改進，做出一款自己DIY的操作系統。
這里在實驗之前需要下載 Bochs-win32-2.6.11 作者使用的是Linux版本的，在Linux寫代碼不太舒服，所以最好在Windows上做實驗，下載好虛擬機以后還需要下載Nasm匯編器，以及GCC編譯器，為了能夠使用DD命令實現磁盤拷貝，這里你可以安裝windows 10 下面的子系統Ubuntu，需要使用命令時可以直接切換。
BIOS 軟件接力第一棒
BIOS 基本輸入輸出系統,BIOS代碼所做的工作是一成不變的,所以他是被固化到ROM中的一塊只讀區域中,在開機時此ROM會被映射到低端1MB內存的頂部,原因是系統在開啟時默認是實地址模式(該模式最大尋址范圍0-fffff),所以其尋址范圍也就被限制在了0xF0000-x0xFFFFF區域中,這64KB的內存就是BIOS的執行代碼.
在開機的一瞬間,CPU的CS:IP寄存器會被強制初始化為0xF000:0xFFF0,在實地址模式下該地址需要乘以16也就是左移四位加上偏移地址得到,於是0xF000:0xFFF0就等效於0xFFFF0此處的地址距離0xFFFFF只有16個字節的空間,里面存放着一條jmp far f000:e05b = fe05b的匯編指令,該指令將跳轉到真正的BIOS開始的位置.
接着BIOS將會通過自身的代碼對硬件進行自檢測,在初始化硬件后,則開始向內存0x000-0x3ff中初始化數據結構以及拷貝中斷向量表,緊接着BIOS將會通過調用int 19h中斷,此中斷用以檢測計算機中的硬盤,如果檢測到0盤0道1扇區末尾的兩個字節是0x55,0xaa則認為此扇區確實存在,於是就會將此區域中的內容,加載到內存7c00的位置,並通過一條jmp far 0:0x7c00h的指令跳轉到該位置執行,這樣BIOS就將CPU控制權交給了MBR了,而BIOS將會再次睡去.
MBR 收到跳轉來源，繼續執行。
此處的7c000就是MBR代碼的開始位置,之所以是7C00是因為,DOS中要求最小內存是32KB,而MBR大小必須是512字節(1KB),所以選擇32kB中的最后1KB的位置最為合適,32KB(0x8000)-1KB(0x400)=>0x7c00,這就是7C00的由來,同時還需要保證第510-511字節必須為0x55,0xaa才可以.
保存以下匯編代碼,並使用 nasm -o mbr.bin mbr.asm編譯簡易版MBR文件.
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告訴編譯器加載到7c00內存處
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov fs,ax
mov sp,0x7c00
mov ax,Message
mov bp,ax ; 保存字符串地址
mov cx,15 ; 保存字符串長度
mov ax,01301h ; 子功能號13是顯示字符及屬性
mov bx,000ch ; 頁號位0,使用黑色為背景色,紅色為字體顏色
mov dl,0
int 10h ; 10h中斷,用來顯示字符
ret
Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0 ; 填充510字節為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志
進入Bochs目錄下執行bximage.exe生成一個映像文件,默認是a.img,你可以改名為其他的，這里我定義為linux.img
並將編譯好的mbr.bin寫入到鏡像中
dd if=mbr.bin of=linux.img bs=512 count=1 conv=notrunc
在Bochs目錄下新建並編輯bosh.src保存,然后執行bochs.exe -f bosh.src模擬執行MBR代碼.
megs:32
romimage:file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest
vgaromimage:file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latest
floppya:1_44=linux.img,status=inserted
boot:floppy
log:bochsout.txt
mouse:enabled=0
keyboard: keymap=$BXSHARE/keymaps/x11-pc-de.map
上方屏幕會比較混亂，這里我們先來進行清屏操作，清屏中斷調用也是int10
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告訴編譯器加載到7c00內存處
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov fs,ax
mov sp,0x7c00
mov ax,0x600 ; 清屏范圍,也就是寬度
mov bx,0x0
mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0)
mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
int 0x10
mov ax,Message
mov bp,ax ; 保存字符串地址
mov cx,15 ; 保存字符串長度
mov ax,01301h ; 子功能號13是顯示字符及屬性
mov bx,000ch ; 頁號位0,使用黑色為背景色,紅色為字體顏色
mov dl,0
int 10h ; 調用10h號中斷,用來顯示字符
ret
Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0 ; 填充510字節為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志
執行結果，如下，但是，打印字符串，在底部，因為光標在底部。
設置光標到頂部，這里百度一下光標中斷，發現了。
接着改進代碼
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告訴編譯器加載到7c00內存處
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov fs,ax
mov sp,0x7c00
mov ax,0x600 ; 清屏范圍,也就是寬度
mov bx,0x0
mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0)
mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
int 0x10
mov dh,0x0 ; 設置光標列號
mov dl,0x0 ; 設置光標行號
mov bh,0x0 ; 頁碼
int 0x10
mov ax,Message
mov bp,ax ; 保存字符串地址
mov cx,15 ; 保存字符串長度
mov ax,01301h ; 子功能號13是顯示字符及屬性
mov bx,000ch ; 頁號位0,使用黑色為背景色,紅色為字體顏色
mov dl,0
int 10h ; 調用10h號中斷,用來顯示字符
ret
Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字節的空間為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志
完美結果。
mbr.asm
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告訴編譯器加載到7c00內存處
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov fs,ax
mov sp,0x7c00
mov ax,0x600 ; 清屏范圍,也就是寬度
mov bx,0x0
mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0)
mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
int 0x10
mov dh,0x0 ; 設置光標列號
mov dl,0x0 ; 設置光標行號
mov bh,0x0 ; 頁碼
int 0x10
mov ax,Message
mov bp,ax ; 保存字符串地址
mov cx,15 ; 保存字符串長度
mov ax,01301h ; 子功能號13是顯示字符及屬性
mov bx,000ch ; 頁號位0,使用黑色為背景色,紅色為字體顏色
mov dl,0
int 10h ; 調用10h號中斷,用來顯示字符
hlt
ret
Message: db "hello lyshark !"
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字節的空間為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志
mbr.src
megs:32
romimage:file=./BIOS-bochs-latest
vgaromimage:file=./VGABIOS-lgpl-latest
boot:disk
mouse:enabled=0
ata0-master: type=disk, path="linux.img", mode=flat, status=inserted
keyboard: keymap=./x11-pc-de.map
填充數據
dd if=mbr.bin of=linux.img bs=512 count=1 conv=notrunc
dd if=/dev/zero of=linux.img seek=1 bs=512 count=2879
運行
bochsdbg -q -f mbr.src
vb sp:0x7c00
c
讓我們對顯卡說點什么？
上面我們通過調用BIOS提供的int 0x10中斷來實現打印字符操作，但我們在后期必須要借助顯卡來輸出圖像，而顯卡是外部設備，必須通過總線來操作。
由於CPU使用的信號是TTL電平，而外部設備都是機械設備，故他們不會使用該電平驅動，這就導致CPU與硬件設備沒有辦法實現溝通，硬件工程師們提供的方法是，在這兩者之間架起一座橋，也就是在CPU和外設之間加上一層IO接口，該接口的作用就是實現CPU和外設之間相互做協調轉換。
其次外部設備的種類也是多種多樣的，其輸出的信號可能是數字信號，也可能是模擬信號，而我們的CPU只能處理數字信號，數字信號需要經過數模轉換器<D/A>成模擬量才能送到外設來驅動硬件工作，模擬量也同樣需要經過模數轉換器<A/D>轉換成數字量才能被CPU直接處理，所以接口電路中需要包括A/D轉換器和D/A轉換器。
轉換后的數字信號，會經過總線進行傳遞，總線的別名是BUS，之所以叫做BUS是因為其是公共線路，所有硬件設備都會走此線路，但同一時刻，CPU只能和一個IO接口(寄存器/端口)通信，當有多個IO接口同時想和CPU通信時，那么IO仲裁模塊會對其進行競爭與選優，仲裁模塊固化到，輸入輸出控制中心(ICH)也就是南橋芯片上的。
多數情況下，南橋和北橋是成對出現的，南橋主要負責連接PCI,PCI-Express,AGP等低速設備，而北橋則用於鏈接高速設備，如內存等。
IO接口都是串行口，其在設計之初就是負責與CPU進行通信的，我們想要與CPU通信，其實是向這些接口中寫入數據，同時為了區別CPU中的寄存器，所以把IO接口叫做端口，某些外設可以通過內存映射來訪問，即把某些端口映射到指定內存中，訪問某個內存區域就相當於訪問了指定的端口。
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告訴編譯器加載到7c00內存處
mov ax,cs
mov sp,0x7c00
mov ax,0xb800
mov gs,ax
mov ax,0x600 ; 清屏范圍,也就是寬度
mov bx,0x0
mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0)
mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
int 0x10
mov dh,0x0 ; 設置光標列號
mov dl,0x0 ; 設置光標行號
mov bh,0x0 ; 頁碼
int 0x10
mov byte [gs:0x00],'M'
mov byte [gs:0x01],0xa4 ; 顯示A=綠色閃爍 4=紅色
mov byte [gs:0x02],'B'
mov byte [gs:0x03],0xa5
mov byte [gs:0x04],'R'
mov byte [gs:0x05],0xa6
ret
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字節的空間為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志
BOchs調試命令常用的有以下幾種.
<bochs:1> vbreak 0x0000:0x7c000 7c000設置斷點
<bochs:1> pb 0x7c000 設置物理斷點
<bochs:1> vb sp:0x7c00 設置虛擬斷點(保護模式)
<bochs:1> info break 顯示所有斷點狀態
<bochs:1> delete num 刪除一個斷點
<bochs:1> c 運行遇到斷點停下
<bochs:1> n 執行下一指令
<bochs:1> r 顯示寄存器
<bochs:1> u/10 向下反匯編10條
<bochs:1> print-stack 打印堆棧
x /nuf addr 查看一個線性地址的內存
xp /nuf addr 查看一個物理地址的內存
n 顯示多少個字節的內存
u 單位長度; one o單位f
b 字節
h 半字(2 字節)
w 字 (4 字節)
g 雙字 (8 字節)
F 打印格式：
x 打印十六進制
d 打印十進制
u 打印無符號十進制
o 打印八進制
t 打印二進制
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告訴編譯器加載到7c00內存處
mov ax,cs
mov sp,0x7c00
mov ax,0xb800
mov gs,ax
mov ax,0x600 ; 清屏范圍,也就是寬度
mov bx,0x0
mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0)
mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
int 0x10
mov dh,0x0 ; 設置光標列號
mov dl,0x0 ; 設置光標行號
mov bh,0x0 ; 頁碼
int 0x10
mov byte [gs:0x00],'L'
mov byte [gs:0x01],0xa4 ; 顯示A=綠色閃爍 4=紅色
mov byte [gs:0x02],'y'
mov byte [gs:0x03],0xa5
mov byte [gs:0x04],'S'
mov byte [gs:0x05],0xa6
mov byte [gs:0x6],'h'
mov byte [gs:0x7],0xa7
mov byte[gs:0x8],'a'
mov byte [gs:0x9],0xa6
mov byte[gs:0xa],'r'
mov byte [gs:0xb],0xa5
mov byte[gs:0xc],'k'
mov byte [gs:0xd],0xa4
hlt
ret
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字節的空間為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志
循環顯存
_start:
; 清屏和設置光標位置
mov ax,0x600 ; 清屏范圍,也就是寬度
mov bx,0x0
mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0)
mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
int 0x10
mov dh,0x0 ; 設置光標列號
mov dl,0x0 ; 設置光標行號
mov bh,0x0 ; 頁碼
int 0x10
;初始化數據段，使其指向段基址0X7C0處，即Boot代碼被加載的地方
mov ax, 0x07c0 ; 設置加載基址
mov ds, ax
;將文本顯示內存段基址 放在ES中，供后面顯示字符使用
mov ax, 0xb800 ; 設置顯存地址
mov es, ax
mov cx, msglen ; 獲取字符串長度
mov si, message ; 設置字符串基址
xor di, di
loop_str:
mov al, [si] ; 每次取出一個字符
mov [es:di], al ; 將字符逐一賦值到顯存中
inc si
inc di
mov byte [es:di], 0x07 ; 設置字體顏色
inc di
loop loop_str
hlt ; 程序在此處終止
message db "Loading MBR..."
msglen db $ - message
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字節的空間為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志
Bochs 調試命令
CPU加電后，會跳轉到 0xffff0 處，我們可以反匯編這段內存地址，向下反匯編10條。
分別顯示，CPU模式，中斷，call調用源。
設置vb虛擬地址斷點，pb設置物理地址斷點。blist顯示所有斷點。
bpd禁用斷點，bpe啟用斷點。del刪除斷點。
info idt = 顯示中斷向量表 ， gdt 全局描述符表，ldt 局部描述符表，tss 任務狀態段，ivt 中斷向量表
SECTION MBR vstart=0x7c00 ; 告訴編譯器加載到7c00內存處
; 清屏和設置光標位置
mov ax,0x600 ; 清屏范圍,也就是寬度
mov bx,0x0
mov cx,0x0 ; 清屏 左上角(0,0)
mov dx,0x184f ; 清屏 右下角(80=0x4f,25=0x18)
int 0x10
mov dh,0x0 ; 設置光標列號 左上角(0,0)
mov dl,0x0 ; 設置光標行號 右下角(0,0)
mov bh,0x0 ; 頁碼
int 0x10
; 初始化,使SP寄存器指向段基址0X7C0處,GS指向顯存基地址
mov ax,cs
mov sp,0x7c00
mov ax,0xb800
mov gs,ax ; 設置顯存地址
; 設置字符串長度與字符串基地址
mov cx, msglen ; 獲取字符串長度
mov si, message ; 設置字符串基址
xor di, di ; 每次清空di寄存器
loop_str:
mov al, [si] ; 每次取出一個字符
mov [gs:di], al ; 將字符逐一賦值到顯存中
inc si
inc di
mov byte [gs:di], 000ch ; 設置字體顏色
inc di
loop loop_str
hlt ; 程序在此處終止
;message db "Hello LyShark...",0ah,0dh
message db "Hello LyShark..."
msglen equ $ - message
times 510-($-$$) db 0 ; 填充剩余的510字節的空間為0
db 0x55,0xaa ; mbr的結束標志