编写操作系统——启动过程（第一部分）

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我的学习构建简易操作系统之旅

你读过多少本操作系统书籍却始终无法编写出一个操作系统？操作系统书籍枯燥乏味，但仅仅依靠理论很难理解操作系统实际的工作原理。以下是我尝试编写一个简单的操作系统并记录一些所学概念的尝试 。

开始之前

在 Mac 上，安装 Homebrew，然后运行 ​​`brew install qemu nasm`。
在某些系统中，qemu 被拆分成多个二进制文件。您可能需要调用 `qemu-system-x86_64` 二进制文件。

QEmu

为了测试这些底层程序，避免频繁重启机器或丢失磁盘上的重要数据，我们将使用 CPU 模拟器 QEmu。
我使用的是 Mac（配备 M1 芯片）。QEmu 与 M1 芯片存在一些兼容性问题，因此您可以在 Docker 容器内运行这些实验。docker run -it ubuntu bash在
Docker 容器内运行 QEmu 时，请使用 `-nographic` 和 `-curses` 参数，以便在文本模式下显示 VGA 输出。

美国国家航空航天局

NASM 是一个用于 Intel x86 架构的汇编器和反汇编器。它可以用来编写 16 位、32 位 (IA-32) 和 64 位 (x86-64) 程序。 当
我们启动计算机时，它最初并不知道操作系统的存在。它必须以某种方式从当前连接到计算机的某个永久存储设备（例如软盘、硬盘、USB 加密狗等）加载操作系统——无论该操作系统是哪个版本。

启动过程

操作系统启动的过程包括沿着一系列小程序传递控制权，每个程序都比前一个程序“功能更强大”，操作系统本身就是最后一个“程序”

。

BIOS

电脑开机时，会启动一个符合基本输入输出系统 (BIOS) [16] 标准的小型程序。该程序通常存储在电脑主板上的只读存储器芯片中。BIOS 是一组软件例程的集合，这些例程最初从芯片加载到内存中，并在电脑开机时初始化。BIOS 提供对电脑基本设备（例如屏幕、键盘和硬盘）的自动检测和基本控制。

注意：现代操作系统不再使用BIOS的功能，而是使用驱动程序直接与硬件交互，绕过BIOS。如今，BIOS主要运行一些早期诊断程序（开机自检），然后将控制权移交给引导加载程序
。

启动扇区

BIOS
无法直接从磁盘加载代表操作系统的文件，因为 BIOS 没有文件系统的概念。BIOS 必须从磁盘设备的特定物理位置（例如，第 2 柱面、第 3 磁头、第 5 扇区）读取特定的数据扇区（通常为 512 字节）。
因此，BIOS 最容易找到操作系统的位置是磁盘的第一个扇区（即第 0 柱面、第 0 磁头、第 0 扇区），称为引导扇区。为了确保“磁盘可引导”，BIOS 会检查引导扇区的第 511 和 512 字节是否为 0xAA55。如果是，BIOS 会将第一个扇区加载到地址 7C00h，并将程序计数器设置为该地址，然后让 CPU 从该地址执行代码。这是最简单的引导扇区：

e9 fd ff 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
[ 29 more lines with sixteen zero-bytes each ]
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa

请注意
，在上述引导扇区中，有三个重要特征：

1) 前三个字节（十六进制为 0xe9、0xfd 和 0xff）实际上是 CPU 制造商定义的机器码指令，用于执行无限跳转。2
) 最后两个字节（0x55 和 0xaa）构成魔数，它告诉 BIOS 这确实是一个引导块，而不仅仅是驱动器引导扇区上的普通数据。（小端序）
3) 文件末尾填充零（“*”表示为了简洁而省略的零），主要目的是将 BIOS 魔数放置在 512 字节磁盘扇区的末尾。

第一个扇区称为主引导记录，或简称 MBR。第一个扇区中的程序称为 MBR 引导加载程序。

因此，BIOS会遍历每个存储设备（例如软盘驱动器、硬盘、光驱等），将引导扇区读入内存，并指示CPU开始执行它找到的第一个以魔数结尾的引导扇区。这就是我们夺取计算机控制权的地方
。

引导加载程序

BIOS 程序会将电脑的控制权移交给一个名为引导加载程序的程序。引导加载程序会加载操作系统，或者说是一个可以直接与硬件通信并运行的应用程序。要运行操作系统，首先要编写的就是引导加载程序。以下是一个简单的引导加载程序示例。

;
; A simple boot sector program that loops forever. ;
9

; Define a label, "loop", that will allow ; us to jump back to it, forever.
; Use a simple CPU instruction that jumps
; to a new memory address to continue execution. ; In our case, jump to the address of the current ; instruction.



loop:
    jmp loop


; When compiled, our program must fit into 512 bytes,
; with the last two bytes being the magic number,
; so here, tell our assembly compiler to pad out our
; program with enough zero bytes (db 0) to bring us to the ; 510th byte.


times 510-($-$$) db 0


; Last two bytes (one word) form the magic number, ; so BIOS knows we are a boot sector.

dw 0xaa55

我们
使用 nasm 编译代码并将其写入 bin 文件：

nasm -f bin boot_sect_simple.asm -o boot_sect_simple.bin

我们来试一试，开始吧：

qemu boot_sect_simple.bin

在某些系统上，您可能需要运行

你会看到一个窗口弹出，上面显示“正在从硬盘启动……”，除此之外什么也没有。好了，一个简单的引导加载程序就准备好了！

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