操作系统启动实验

简单的操作系统

汇编代码

; hello-os
; TAB=4

		ORG		0x7c00			; 指明程序装载地址

; 标准FAT12格式软盘专用的代码 Stand FAT12 format floppy code

		JMP		entry
		DB		0x90
		DB		"HELLOIPL"		; 启动扇区名称（8字节）
		DW		512				; 每个扇区（sector）大小（必须512字节）
		DB		1				; 簇（cluster）大小（必须为1个扇区）
		DW		1				; FAT起始位置（一般为第一个扇区）
		DB		2				; FAT个数（必须为2）
		DW		224				; 根目录大小（一般为224项）
		DW		2880			; 该磁盘大小（必须为2880扇区1440*1024/512）
		DB		0xf0			; 磁盘类型（必须为0xf0）
		DW		9				; FAT的长度（必??9扇区）
		DW		18				; 一个磁道（track）有几个扇区（必须为18）
		DW		2				; 磁头数（必??2）
		DD		0				; 不使用分区，必须是0
		DD		2880			; 重写一次磁盘大小
		DB		0,0,0x29		; 意义不明（固定）
		DD		0xffffffff		; （可能是）卷标号码
		DB		"HELLO-OS   "	; 磁盘的名称（必须为11字?，不足填空格）
		DB		"FAT12   "		; 磁盘格式名称（必??8字?，不足填空格）
		RESB	18				; 先空出18字节

; 程序主体

entry:
		MOV		AX,0			; 初始化寄存器
		MOV		SS,AX
		MOV		SP,0x7c00
		MOV		DS,AX
		MOV		ES,AX

		MOV		SI,msg
putloop:
		MOV		AL,[SI]
		ADD		SI,1			; 给SI加1
		CMP		AL,0
		JE		fin
		MOV		AH,0x0e			; 显示一个文字
		MOV		BX,15			; 指定字符颜色
		INT		0x10			; 调用显卡BIOS
		JMP		putloop
fin:
		HLT						; 让CPU停止，等待指令
		JMP		fin				; 无限循环

msg:
		DB		0x0a, 0x0a		; 换行两次
		DB		"hello, world"
		DB		0x0a			; 换行
		DB      "hello MYOS,K1T000"
		DB		0x0a			; 换行
		DB		0

		RESB	0x7dfe-$		; 填写0x00直到0x001fe

		DB		0x55, 0xaa

利用工具构建
makefile

1. Makefile 的功能

Makefile 是一种用于自动化构建过程的脚本文件，通常与 make 工具一起使用。在开发中，它定义了如何编译和链接代码，如何生成目标文件，如何处理依赖关系等。通过 make 命令，开发人员可以根据 Makefile 中的指令自动执行任务，比如编译源代码、创建可执行文件、生成镜像文件等。

具体来说，Makefile 包含：

• 目标（target）：如 helloos.img、helloos.bin 等生成的文件。
• 规则（rule）：定义如何生成目标文件的步骤。
• 依赖关系（dependency）：指定哪些文件或目标是当前目标的依赖。
• 命令（command）：用于生成目标文件的具体操作。

采用汇编

1. 为什么用汇编语言写操作系统？

写操作系统时，选择使用汇编语言通常有以下几个原因：

(1) 操作系统对硬件的直接控制

操作系统，尤其是引导程序、内核的早期部分，需要直接控制硬件资源（如 CPU、内存、硬盘等）。汇编语言提供了极低级别的控制，使你能够精确地操作硬件，比如设置中断向量、控制内存映射等。

在操作系统启动的早期阶段（引导加载程序），需要与硬件打交道，这时 C 语言的抽象就不再合适，汇编提供的直接访问硬件的能力是必要的。

(2) 性能和效率

汇编语言是一种低级语言，通常比高级语言（如 C 语言）更高效。对于内核的某些关键部分，使用汇编可以实现非常高效的操作，如上下文切换、任务调度等。

(3) 学习和理解底层原理

通过汇编语言写操作系统的早期部分，你可以深入了解计算机的底层架构，包括 CPU 寄存器、栈操作、中断机制等。这对理解操作系统的工作原理非常有帮助。

2. 为什么不直接用 C 语言写操作系统？

虽然 C 语言在编写操作系统时非常流行，但它并不是完全适合于操作系统所有部分的语言。操作系统的早期阶段（如引导加载程序）确实需要使用汇编语言。以下是一些原因，解释为什么 C 语言通常不会在操作系统的整个开发过程中取代汇编语言：

(1) 操作系统的启动过程

在操作系统启动的初期阶段，CPU 和硬件设备的控制非常直接。你必须配置中断、设置段寄存器、初始化内存等，这些操作 C 语言通常做不到。C 语言对硬件的抽象非常强，它需要操作系统提供的运行时环境来支持，而在操作系统的引导加载过程中（也就是 bootloader 阶段），这些环境尚未建立。

(2) C 语言依赖于运行时库

C 语言虽然非常接近硬件，但它依赖于操作系统的运行时库（例如标准库、系统调用等），这些库在操作系统本身没有完成之前无法使用。操作系统内核的开发必须考虑到这些库在编译时没有定义的情况，因此，直接使用 C 语言的执行环境并不适合操作系统的最初开发。

(3) 操作系统设计中的低级任务

有些操作系统的设计任务需要处理直接与硬件相关的低级任务。例如，操作系统的中断处理、设备驱动、任务调度等，需要非常精确的控制和高效的代码。这些任务用汇编语言编写时更为简单和高效，而在 C 语言中，编译器的优化有时会使代码变得不够高效，特别是与硬件交互时。

(4) 更好的移植性和可维护性

尽管操作系统开发时可能会用汇编语言，但现代操作系统的核心部分通常还是会用 C 语言开发。因为 C 语言具备较好的移植性、可维护性和易读性，尤其是相对于汇编语言。汇编语言的代码是与硬件架构紧密耦合的，因此难以移植，而 C 语言能够在不同的硬件平台上进行相对容易的移植。

关于 Make 的使用

Make 是一个自动化工具，主要用于自动化编译和构建过程。它可以让你通过一个 Makefile 文件定义如何从源代码生成目标文件（如 .o 文件、可执行文件等）。让我们来看一下如何使用 Make 来编译一个汇编语言编写的操作系统。

基本的 Makefile 结构

一个简单的 Makefile 包含以下几个基本部分：

• 目标（target）：你希望生成的文件，比如 .o 文件、最终的可执行文件。
• 依赖（dependency）：生成目标所需要的源文件。
• 规则（rule）：从依赖生成目标的命令。

假设你有一个简单的操作系统源码，包含以下文件：

• boot.asm：引导程序（使用汇编语言编写）
• kernel.asm：操作系统内核（使用汇编语言编写）
• link.ld：链接脚本，用于将生成的目标文件链接成最终的可执行镜像

make 工具不仅仅用于编译操作系统项目，它实际上是一个非常通用的自动化构建工具，广泛应用于各种编程项目中，无论是 C 语言、C++、汇编语言，还是其他语言的项目。它的核心功能是通过 Makefile 自动化地管理源代码的编译、链接等过程，使得项目的构建变得更加高效和可重复。

make 的应用场景

make 工具可以用于编译许多类型的项目，常见的包括：

• C/C++ 项目：这是 make 最常见的应用场景，尤其是在大型项目中，可以帮助管理多个源文件的编译与链接。
• Python 项目：虽然 Python 本身不需要编译，但 make 可以用于自动化测试、打包、清理等任务。
• Java 项目：尽管 Maven 或 Gradle 是更常用的构建工具，但 make 也可以用于编译 Java 源文件。
• 汇编语言项目：正如你在操作系统开发中看到的，make 也可以用来自动化汇编语言文件的编译过程。
• 其他脚本语言：对于 Bash 脚本、Ruby 脚本等，make 可以用来执行特定任务，如运行测试、部署应用等。

编译

make file 或者直接 nask.exe helloos.nas helloos.img

2、虚拟机启动操作系统

Step1：启动VMware，创建一个新的虚拟机MyOS（注意加上软盘驱动器）；

Step2：设置从软盘镜像文章中启动系统，文件为刚做好的helloos.img

Step3：启动该虚拟机

系统调用

Linux系统中，用户程序可以通过隐式调用或显示调用使用系统调用。

隐式调用——用户通过封装了系统调用的API使用系统调用

显式调用——使用syscall()函数实现调用，int syscall(int number,…)，number是系统调用号

基础

syscall 并不仅仅用于获取进程 ID（PID），它是用于直接与操作系统内核交互的一种方式，允许你调用任何支持的系统调用。syscall 函数是一个低级接口，通过它你可以直接发起操作系统的系统调用。

syscall 的基本用法

syscall 函数是一个系统调用接口，允许你通过系统调用号来调用操作系统内核提供的底层功能。它的基本签名通常如下：

c

long syscall(long number, ...);

• number 是系统调用的编号，也就是操作系统为每个系统调用分配的一个唯一的数字（如 SYS_getpid、SYS_read 等）。
• 后面的 ... 是系统调用的参数，具体取决于你要调用的系统调用。

syscall 支持的系统调用

syscall 函数是通用的，可以用来调用几乎所有的系统调用，不仅仅是 getpid。以下是一些常见的可以通过 syscall 调用的操作系统系统调用：

1. 进程管理相关的系统调用：

   • SYS_getpid：获取当前进程的 PID（进程 ID）。
   • SYS_fork：创建一个新的进程（子进程）。
   • SYS_exit：使当前进程退出。
   • SYS_getppid：获取父进程的 PID。
   • SYS_waitpid：等待子进程的状态改变。

2. 文件操作相关的系统调用：

   • SYS_open：打开文件。
   • SYS_read：从文件描述符中读取数据。
   • SYS_write：向文件描述符写入数据。
   • SYS_close：关闭文件描述符。
   • SYS_lseek：设置文件指针的位置。

3. 内存管理相关的系统调用：

   • SYS_brk：改变数据段的结束地址。
   • SYS_mmap：内存映射文件或设备到进程的虚拟内存。
   • SYS_munmap：解除内存映射。

4. 信号和中断相关的系统调用：

   • SYS_kill：发送信号给进程。
   • SYS_signal：设置信号处理程序。

5. 网络操作相关的系统调用：

   • SYS_socket：创建一个新的网络套接字。
   • SYS_connect：连接到远程主机。
   • SYS_sendto：向指定的地址发送数据。
   • SYS_recvfrom：从指定的地址接收数据。

6. 时间和日期相关的系统调用：

   • SYS_time：获取系统的当前时间。
   • SYS_gettimeofday：获取当前时间戳。

隐式调用实际上是指别人已经为你封装好了底层的功能，你不需要手动调用底层的系统调用（如 syscall），而是通过更高级的接口来实现相同的功能。这种封装不仅让你在编程时更加方便，也提高了代码的可读性和可维护性。

libc

libc（C 语言标准库，lib 是 “library” 的缩写）是一个包含 C 语言标准函数的库。它为开发者提供了许多标准功能，诸如输入输出（I/O）、内存管理、字符串操作、数学函数等。在类Unix 操作系统中，libc 通常是一个包含系统调用封装的共享库。

实验

#include <syscall.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>

int main (viod) {
	long ID1, ID2;
	ID1=syscall(SYS_getpid);     /*显式系统调用*/
	printf(“syscall(SYS_getpid)=%ld\n”, ID1);
	ID2=getpid();                /*使用libc封装的隐式系统调用*/
	printf(“getpid()=%ld\n”, ID2);
 	return(0);
}