从零开始自制操作系统01

从零开始自制操作系统01

系统启动过程

按下启动键，主板发送信号给电源，而电源收到信号后会给电脑供应合适的电量。一旦主板收到了电源备妥信号，它会尝试启动CPU。CPU加电，复位引脚被置位，CPU内的寄存器状态也被重置。
举例，在CPU中有一个寄存器叫CR0寄存器，在CPU加电，复位引脚被置位时CR0被设置为60000010H，CR0被置为让CPU处于实模式状态。

通过查阅手册可以得知。(查看Intel手册第三卷第9章可以发现，CPU内其他相关寄存器被置位的详细情况)

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IP          0xfff0
CS selector 0xf000
CS base     0xffff0000
CR0			60000010H

根据CR0值可知，CPU处于实模式。进而推出此时CPU的寻址方式是分段方式。

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PhysicalAddress = 基地址(Base address) + 偏移(Offset)

结合寄存器CS和IP的值可以推导出。CPU即将执行的第一条指令，位于物理地址0xffff0000 + 0xfff0=’0xfffffff0’处。
而这条指令通常是一个跳转指令，目的是为了将CPU执行引向主板BIOS程序的入口点。
(有过装机经验的朋友知道，在开机按下F12进入BIOS配置界面时，而这个BIOS配置界面不就是BIOS程序的一部分吗。就是说你在BIOS配置界面配置时，此时CPU已经执行过地址’0xfffffff0’处跳转指令，正在运行BIOS程序。)以我目前的知识只知道，BIOS程序完成的功能有，设备检测，启动项管理，根据启动项选择启动设备，并启动(硬盘启动，软盘启动，u盘启动)。

BIOS引导

假设BIOS根据启动项，选择了软盘启动。BIOS程序会去检查软盘是否有引导闪区。如果软盘存在引导扇区就把扇区的数据复制到内存地址0x7c00处，跳转到0x7c00处执行。意味着CPU离开BIOS程序开始执行Bootloader。

引导闪区定义(软盘):软盘的第0磁头，第0磁道，第一个扇区十分以0x550xaa结尾。

参考

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一个64位操作系统的设计与实现
Intel手册第三卷第九章
清华大学操作系统试验课程
Linux 内核揭秘https://github.com/MintCN/linux-insides-zh

实验

自己制作一个简单“引导”程序放在，软盘(虚拟)的引导扇区，用Boches虚拟机执行。（附加:在根据清华大学os课程，用qemu复现）

实验环境描述

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Linux qemugdb 5.11.0-41-generic #45~20.04.1-Ubuntu SMP Wed Nov 10 10:20:10 UTC 2021 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

编译Boches

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sudo apt-get install build-essential
sudo apt-get install libgtk2.0-dev
sudo apt-get install xorg-dev
./.conf.linux 
./configure --enable-smp \
              --enable-cpu-level=6 \
              --enable-all-optimizations \
              --enable-x86-64 \
              --enable-pci \
              --enable-vmx \
              --enable-debugger \
              --enable-disasm \
              --enable-debugger-gui \
              --enable-logging \
              --enable-fpu \
              --enable-3dnow \
              --enable-sb16=dummy \
              --enable-cdrom \
              --enable-x86-debugger \
              --enable-iodebug \
              --disable-plugins \
              --disable-docbook \
              --with-x --with-x11 --with-term
make
sudo make install

启动环境配置脚本

什么是启动环境配置脚本？
一台真实的机器，有Intel64位8700kCPU，500G硬盘，8G内存条，xx键盘，xx鼠标，1920*1080显示器….等等设备。
Boches作为一台虚拟机需要模拟真实机器的行为，需要知道真实机器的具体配置。启动环境配置脚本就是用来告诉Boches虚拟机去模拟一个什么样的真实机器。（即用来描述真实机器的具体配置）

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# configuration file generated by Bochs
plugin_ctrl: unmapped=1, biosdev=1, speaker=1, extfpuirq=1, parallel=1, serial=1, iodebug=1
config_interface: textconfig
display_library: x
#memory: host=2048, guest=2048
romimage: file="/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest"
vgaromimage: file="/usr/local/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest"
boot: floppy
floppy_bootsig_check: disabled=0
floppya: type=1_44, 1_44="boot.img", status=inserted, write_protected=0
# no floppyb
ata0: enabled=1, ioaddr1=0x1f0, ioaddr2=0x3f0, irq=14
ata0-master: type=none
ata0-slave: type=none
ata1: enabled=1, ioaddr1=0x170, ioaddr2=0x370, irq=15
ata1-master: type=none
ata1-slave: type=none
ata2: enabled=0
ata3: enabled=0
pci: enabled=1, chipset=i440fx
vga: extension=vbe, update_freq=5
 
cpu: count=1:1:1, ips=4000000, quantum=16, model=corei7_sandy_bridge_2600k, reset_on_triple_fault=1, cpuid_limit_winnt=0, ignore_bad_msrs=1, mwait_is_nop=0, msrs="msrs.def"
 

print_timestamps: enabled=0
debugger_log: -
magic_break: enabled=0
port_e9_hack: enabled=0
private_colormap: enabled=0
clock: sync=none, time0=local, rtc_sync=0
# no cmosimage
# no loader
log: -
logprefix: %t%e%d
debug: action=ignore
info: action=report
error: action=report
panic: action=ask
keyboard: type=mf, serial_delay=250, paste_delay=100000, user_shortcut=none
mouse: type=ps2, enabled=0, toggle=ctrl+mbutton
speaker: enabled=1, mode=system
parport1: enabled=1, file=none
parport2: enabled=0
com1: enabled=1, mode=null
com2: enabled=0
com3: enabled=0
com4: enabled=0
 
megs: 2048

cpu directive malformed

在用脚本启动boches虚拟机的过程中遭遇如下错误。

查阅Bochs教程 后了解到是CPU Model设置错误。通过命令”bochs -help cpu”可以活得当前虚拟机所支持的CPU型号。由于我要编写的基于x86架构的64位操作系统，因此我选择corei7_sandy_bridge_2600k作为CPU model。于此同时根据Bochs教程一旦CPU Model被设定，那么CPUID选项则不在有效，因此可以不写CPUID的配置项。

制作引导程序

引导程序源码，采用NASM编译。编译命令如下。

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nasm boot.asm -o boot.bin

org 0x7c00，告诉编译器代码块起始地址0x7c00，因此访问全局变量时，应该以0x7c00位基地址计算偏移量。$编译器会解释为当前地址，$$编译器会解释为代码块首地址。times n db 0，告诉编译器从当前位置开始向后填充n词0字节。综上所述”times 510 - ($ - $$) db 0”，的意思就是将引导扇区前510个字节，没有被代码占用的字节设置位0。

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	org	0x7c00	
 
BaseOfStack	equ	0x7c00
 
Label_Start:
;=======	init all register to 0x7c00
	mov	ax,	cs
	mov	ds,	ax
	mov	es,	ax
	mov	ss,	ax
	mov	sp,	BaseOfStack
 
;=======	clear screen
 
	mov	ax,	0600h
	mov	bx,	0700h
	mov	cx,	0
	mov	dx,	0184fh
	int	10h
 
;=======	set focus
 
	mov	ax,	0200h
	mov	bx,	0000h
	mov	dx,	0000h
	int	10h
 
;=======	display on screen : Start Booting......
 
	mov	ax,	1301h
	mov	bx,	000fh
	mov	dx,	0000h
	mov	cx,	10
	push	ax
	mov	ax,	ds
	mov	es,	ax
	pop	ax
	mov	bp,	StartBootMessage
	int	10h
 
;=======	reset floppy
 
	xor	ah,	ah
	xor	dl,	dl
	int	13h
 
	jmp	$
 
StartBootMessage:	db	"Start Boot"
 
;=======	fill zero until whole sector
 
	times	510 - ($ - $$)	db	0
	dw	0xaa55

制作软盘镜像

前面已经编译了大小为512字节的引导程序。现在需要将512字节的引导程序写入，虚拟软盘的第一个扇区。这样虚拟机就会将软盘识别为启动盘。

第一步

用bochs虚拟机提供的小工具bximage’’制作软盘镜像，输入1，选择创建软盘或硬盘镜像。

输入fd，创建软盘。

创建大小1.44M软盘镜像，并且设置镜像名。

第二部

到此软盘镜像已经创建完毕，应该向软盘镜像写入引导程序了。

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dd if=boot.bin of=boot.img bs=512 count=1 conv=notrunc
  • if 表示从文件获取输入(而不是从stdin)，这里即为编译后的二进制机器码文件boot.bin
  • of 表示输出到文件(而不是输出到stdout)，这里指的是a.img
  • bs 一个操作块的大小，默认512。（dd读写操作以块为单位）
  • 一共操作几次。（这里只用操作一次）
  • conv=notrunc，表示不截断文件。
如何理解截断

如果输入文件1块，输出文件有12块。执行”dd if=boot.bin of=boot.img bs=512 count=1”命令后，输出文件大小只有个1个块。剩余的11块被截断掉了。

并且如果块大小为512字节，而输入文件只有510字节。执行”dd if=boot.bin of=boot.img bs=512 count=1”命令后。输出块依然有510字节，不够的两个字节，并未被补齐。

启动动虚拟机

启动命令

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bochs -f ./bochsrc

用qemu执行引导程序

Reference

https://blog.csdn.net/qq_37637619/article/details/89866689
Bochs教程 解决bochs启动脚本CPU model报错

操作系统

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