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操作系统真象还原整体观

article 2025/2/15 12:53:18

操作系统真象还原整体观

说明

该整体观，适合于完成操作系统真象还原代码编写实践的同学。用于从繁复，庞杂的代码细节梳理出主线，完成认知简化与升华。

基于操作系统实践的整体观完美状态应是：讨论某个代码细节，能意识到这是为了完成什么目的，服务于什么样的操作系统原理与机制。当我们讨论某个操作系统原理与机制，能随时回到代码细节，想到大概用什么数据结构，什么算法去实现这些。

特别感谢

梁哲浩、王柔柔、徐琦、崔健、索九博、李瑞东

第一章

使用vmware + ubuntu+ bochs完成环境搭建。

问题	问题意义	答案（仅做参考）
vmware扮演了什么角色？	理解vmware的功能	vmware提供了一个虚拟化平台，运行在此平台中的操作系统不会影响到原系统。比如我们在这个平台中运行一个linux发行版，那么这个linux系统就与原windows系统隔离开。这样，我们既能够享受到windows的生活便利（比如游戏，日常软件），也能享受到linux的开发便利（Linux非常适合开发，但是日常使用欠缺）。能扮演这个角色的还有virtulbox，wsl。
ubuntu扮演了什么角色？	理解ubuntu的功能	ubuntu提供了便捷，高效的开发环境。开发我们的操作系统需要使用众多编译工具，如gcc（编译c语言代码），nasm（编译汇编代码）等，这些在ubuntu上安装与使用就是一行命令的事情。能扮演这个角色的还有众多其他Linux发行版，比如centos，deepin等。
bochs扮演了什么角色？	理解bochs的功能	模拟完整的 x86 硬件环境，并提供调试功能（如单步执行、查看寄存器/内存）。我们开发的是一个x86_32系统，自然需要模拟x86的硬件环境，而bochs就是扮演此角色。能扮演这个角色的还有qemu，但是qemu并不提供硬件级调试环境，无法更加细致的看到运行细节（单步执行机器指令，查看寄存器等操作），开发操作系统是必须掌握每一句代码会对机器产生什么影响。
三者如何共同发挥作用？	理解三者之间的配合	vmware+ubuntu提供了一个虚拟，且高效的开发环境。bochs模拟了x86环境，我们开发的操作系统就是在这个模拟的硬件环境上运行。

第二章

按照BISO的规定编写mbr，以实现BIOS能够找到mbr，识别mbr，加载mbr，最后跳转至mbr中执行。

BIOS是电源启动后运行的第一个软件，它在只读存储器ROM上，cpu在开机时cs:ip寄存器会被强行初始化为一个固定值，该固定值就是ROM中的BIOS入口，所以cpu在开机时就会直接执行BIOS。BIOS会进行硬件的检测与初始化，建立中断向量表便于后续可以通过int中断号来实现相关的功能调用，最后BIOS检测启动盘的0号盘面0号磁道1号扇面的内容，若此扇区的末尾2个字节是魔数0x55和0xaa，那么BIOS就会认为此扇区有MBR，接着BIOS就将此扇区的内容加载到物理地址0x7c00处，CPU跳转到0x7c00处执行MBR。

问题	问题意义	答案（仅做参考）
BIOS的英文全称与中文名称	理解BIOS的功能	basic input output operating system，基本输入输出系统。从名称中就可以看出，它是一个非常基本的系统，需要一开始就运行。
BIOS为什么能做到开机就运行	理解BIOS为什么能一开始就被执行	BIOS放在ROM中，而ROM中的内容不会断电消失。CPU开机时，其指令指针寄存器会强制初始化为一个固定值，该固定值就是ROM中的BIOS第一行代码。
ROM与RAM的关系	理解二者区别与联系	区别：ROM中的内容为只读，但是断电不会消失。RAM中的内容可擦写，断电会消失。联系：ROM与RAM经过主板的统一编址，可以使用统一的地址进行访问。比如地址0-100访问的是RMA，地址100-200是ROM。
MBR英文全称与中文全称	理解MBR的功能	Master Boot Record，主引导记录。主的意思是计算机开机以后访问硬盘时所必须要读取的第一个扇区（因为这里存储了元数据，读硬盘先读元数据就像你看论文先看目录），引导的意思是用于引导计算机开机，记录的意思是内容。合起来的意思就是，放在第一个扇区中用于引导计算机开机的内容。
为什么MBR能被BIOS找到	理解BIOS与MBR之间的约定	因为MBR就放在硬盘第一个扇区中，这个位置是固定的，BIOS会来这里找MBR。
BIOS如何识别第一个扇区中的内容是MBR	理解BIOS与MBR之间的约定	MBR共512字节大小，最后两个字节是固定的魔术，这样BIOS就知道，哦，这个扇区中的内容是MBR
BIOS如何将接力棒交给MBR，或者换个问法，CPU是如何执行完毕BIOS后又执行MBR的	理解BIOS与MBR之间的约定	MBR的内容总共就512字节大小，BIOS将这部分内容加载到固定的内存位置后，直接跳转这个固定位置开始执行就行了
编写MBR代码时，为什么会填充大量的0	理解BIOS与MBR之间的约定	因为MBR是固定大小512字节，最后两字节为魔术。所以我们需要填充大量的0，将魔术挤到最后的两字节位置去

第三章

编写更强大的加载器loader，实现mbr找到、加载、跳转执行loader。

问题	问题意义	答案（仅做参考）
loader一看名字就是个加载器，MBR的也是用来加载的（加载loader），为什么MBR与loader功能重合	理解loader与mbr的关系	mbr与bios存在相关约定，导致其只有512字节，程序大小受限导致mbr功能受限。为了完成更多内容，所以我们需要一个功能更强大的加载器loader。所以mbr的使命就是来加载这个loader。就好像以前我们会用ie浏览器下载其他功能更强大的浏览器。
loader与mbr的关系，是不是像mbr与bios那样固定死了	理解loader的灵活性	不是，mbr去哪里找到loader，loader的大小，加载loader的物理内存地址，都是可以自己决定的，谁叫mbr的内容是我们自己写的呢？