儘管我的題目是“用C語言寫操作系統”，但是，僅僅使用C語言是寫不出操作系統的。我看到很多篇關於自己動手開發操作系統的文章，幾乎全來自一篇叫“Write Your Own Operating System Tutorial”英文文章，而且，使用的全是彙編語言。如今能夠精通彙編語言的人已屬鳳毛麟角，而且現代操作系統的主體部分是用C語言寫的，難道所謂的“Own Operating System”只能用彙編語言嗎？在下不才，使用C語言（在某些部分必須結合彙編語言）寫了一個可以與上述文章中提到的操作系統相媲美的操作系統，拋磚引玉，希望能夠將其發展成爲真正的中國人自己的操作系統。
我是在Windows環境下開發的，而不是大多數人選擇的Linux環境。開發工具也是Microsoft公司的開發工具：masm615和VC15。微軟公司的masm流傳甚廣，大家應該不陌生。對vc15可能較陌生，vc15堪稱開發DOS程序的最“高檔”編譯器（儘管有很多BUG）。如果實在找不到這些開發工具，使用TASM、Turbo C或者Borland C++都是可以的。所給出的例子以masm615和vc15爲準，轉移到TASM、TC或BC平臺，應該不難。有一條原則需要注意，在這裏，源碼必須使用TINY模式編譯，也就是說，必須生成實模式代碼。
1. 建立開發環境
這一步非常的簡單。
將masm613和vc15的壓縮包分別解壓到e:/masm615和e:/msvc15目錄下。你也可以放到其他目錄下，根據自己的情況而定，但是下面用到的編譯命令需要作相應的修改。也不需要添加或修改任何的環境變量。
2. IBM PC的啓動及當時的內存使用情況
這一部分內容已經是老生常談了，但又不能不說。我們只說從硬盤引導的情況。
當BIOS經過POST（Power On Test Self）後，將硬盤MBR讀到內存0x0000:0x7C00的位置，然後從這裏開始執行。一般的情況，MBR將選擇活動分區進行操作系統的啓動。在MBR開始執行時，內存使用的情況如下圖所示，地址數據用16進製表示：
這已經是老掉牙的內容了，但是，在20年前卻十分流行。如果想更詳細的瞭解這方面的內容，找本講解DOS的書看看吧。
我們自己的操作系統將被加載到0x1000:0x0100。這不是必需或者必然的，是人爲選擇的，你也可以將其放在0x4321:1234等其他地方。但是，上圖中註明有其他用途的內存區域，應該保留，否則，你會後悔的。
3. 開發操作系統
我們自己的操作系統運行在實模式環境下（如果您不知道什麼是實模式，也請看看20年前出版的當時非常流行的書，或者直接請教當時的前輩高手）。即使你的電腦是P4的CPU，剛啓動時，也只相當於主頻較高的8086而已。但是，沒有關係。
首先，使用彙編語言寫一個框架，文件名是entry.asm：
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;
; entry.asm
; Copyright (C) 2004, Tian XiangYuan
;
.MODEL TINY,C
.386p
option expr32
option casemap:none
cmain PROTO NEAR C
.CODE
ORG 0100h ;偏移地址
_start:
jmp begin
nop
DB 'TianXiangYuan',0 ;the magic of my os
begin:
cli
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,0FFFFh
sti
call cmain ;調用C語言寫的主函數
mov ax,4c00h ;調用DOS的功能（爲了調試），與我們自己的操作系統無關
int 21h
|
這段代碼非常簡單，應該沒有什麼問題。
已經說了，操作系統將從0x1000:0x0100加載，說是無心，實則有意。我們知道，TINY模式的程序，在DOS下運行時，其起始地址就是0x0100，前面的256Byte是參數部分。如果直接將操作系統在系統啓動時加載到0x1000:0x0100，調試時非常麻煩。我們將其起始地址設爲0x0100，使其可以在DOS下運行（這也是在程序的最後包含int 21h指令的原因），確認正確無誤後，再進行下一步的開發。
下面再看C語言的代碼，文件名是main.c：
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……
static void InitShell()
{
}
void cmain()
{
InitShell();
TermShell();
}
|
顧名思義，其中實現了一個簡單的shell。因爲該程序本身是操作系統的一部分，所以，平時經常使用的一些C庫函數，在這裏就不能使用了。總之，一切都要自己動手實現。幸好，在實模式下，幾乎所有的設備的驅動都包含在BIOS中了，我們可以直接使用。否則，連從鍵盤讀一個鍵值這樣的事都需要自己寫鍵盤的驅動程序，實在太難了。也是這個原因，我們自己的操作系統沒有將CPU轉到保護模式下，有心之人可以試試。
下面的事情幾乎都可以使用C語言實現了。
第一，初始化顯示模式。系統啓動時，顯卡已經被初始化成3模式了，就是80X25的彩色模式（除非你的顯示器是單色顯示器），我們不需要再做什麼了。當然，你也可以將顯卡設成VGA甚至SVGA模式，只要你的BIOS和顯卡支持。
第二，實現一個具有簡單交互功能的shell。代碼不全，請自己補齊，或參看附件。
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/*
*從鍵盤讀一個字符，如果沒有輸入，則等待；返回值的低字節爲asii碼，高字節爲鍵盤掃描碼
*/
static int getch()
{
int chr=0;
__asm
{
mov ah,00h
int 16h
mov chr,ax
}
return chr;
}
/*
*使用TTY模式向屏幕輸出一個字符
*/
static void putch(unsigned char key)
{
__asm
{
mov bh,0
mov al,key
mov ah,0Eh
int 10h
}
}
#define KEY_BACKSPACE 0x08
#define KEY_ENTER 0x0D
#define KEY_NEWLINE 0x0A
#define KEY_ESCAPE 0x1B
static int printk(const char* str,...)
{
…… //給大家一點空間，自己實現吧
}
static void endline()
{
putch(KEY_NEWLINE); //Line Feed (LF)
putch(KEY_ENTER); //Enter (CR)
}
static char msg_prompt[]="CMD:";
static void deal_cmd(char* cmd_line,int cmd_len)
{
…… //也請大家自己實現吧，例如，可以實現help，dir，cls，halt等命令
…… //其實，就是字符串比較的過程
}
static void TermShell()
{
char cmd_line[80]={0,};
int cmd_len=0;
endline();
printk(msg_prompt,sizeof(msg_prompt));
for (;;)
{
cmd_line[cmd_len]=getch();
switch(cmd_line[cmd_len])
{
case KEY_ENTER:
if (cmd_len>1)
deal_cmd(cmd_line,cmd_len);
//break;
case KEY_ESCAPE:
cmd_len=0;
endline();
printk(msg_prompt,sizeof(msg_prompt));
break;
case KEY_BACKSPACE:
if (cmd_len>0)
{
putch(0x08);
putch(' ');
putch(0x08);
cmd_len--;
}
break;
default:
putch(cmd_line[cmd_len]);
cmd_len++;
}
}
}
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更復雜、功能更強大的方法請參考BIOS的相關文檔。也請大家發揮想象力，不斷的擴展功能。說心裏話，這個 “操作系統”比dos還原始！但畢竟是自己的操作系統。
4. 編譯方法
下面是build.bat的內容。各種編譯選項參看相關編譯器的說明文檔。
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@echo off
set PATH=e:/masm615/bin;e:/msvc15/bin;
set AS=e:/masm615/bin/ml.exe
set AFLAGS=/AT /W3 /X /Gd /Zp1 /nologo
set CC=e:/msvc15/bin/cl.exe
set CFLAGS=/Od /G3 /Gd /Gs /Zl /Zp1 /X /W3 /nologo
del *.obj *.com *.cod *.dbg *.pdb *.map *.lst
%AS% /c %AFLAGS% entry.asm
if errorlevel 1 goto error
%CC% /c %CFLAGS% /Fc main.c
if errorlevel 1 goto error
%AS% %AFLAGS% /Fe"boot.com" entry.obj main.obj
if errorlevel 1 goto error
goto exit
:error
echo Failure......
:exit
pause
@echo on
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5. 引導程序
我們自己的操作系統雖然寫完了，但是還沒有辦法引導，使其擁有系統的控制權。你可以使用第三方的引導程序，只要它能夠將我們的操作系統加載到內存的0x1000:0x0100，並且cpu工作在實模式下。如果實在找不到合適的引導程序，只有自己動手寫一個了。
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;
; bootsect.asm
; Copyright(C) 2004, Tian XiangYuan
;
.MODEL TINY,C
.386p
option expr32
option casemap:none
SYSSEG EQU 1000h
SYSOFF EQU 0100h
.CODE
ORG 7C00h
_start:
jmp begin
nop
DB 'BOOTSECT',0 ;magic
pack_size DB 16
DB 0 ;reserved
DW 60 ;sectors
DW SYSOFF ;buf_addr_off
DW SYSSEG ;buf_addr_seg
DD 2 ;sector_from
DD 0 ;sector_from_high
begin:
cli
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ss,ax
mov sp,0FFFFh
sti
mov cx,msg_load_len ;length
lea bp,msg_load ;es:bp
call display_msg
; read disk for my OS
lea si,pack_size
mov dl,80h
mov ax,4200h
int 13h ;使用LBA方式讀硬盤
jc error
; test magic of my os
lea si,magic_test ;ds:si
mov ax,SYSSEG
mov es,ax
mov di,SYSOFF
add di,3 ;es:di
mov cx,magic_test_len
cld
test_again:
cmpsb
jnz error
loop test_again
push SYSSEG
push SYSOFF
retf ;轉入操作系統執行
error:
mov ax,cs
mov es,ax
lea bp,msg_error ;es:bp
mov cx,msg_error_len
call display_msg
failure:
hlt
jmp failure
;cx : length of message
;es:bp : address of message
;void display_msg();
display_msg PROC NEAR C
;scrollup a line
push cx
push bp
mov ax,0601h
mov bh,07h
mov cx,0000h ;y/x
mov dx,184Fh ;y2/x2, 24/79
int 10h
pop bp
pop cx
;display message
mov ax,1301h
mov bx,000Ah
;mov cx,msg_error_len
mov dl,0 ;x
mov dh,24 ;y
;lea bp,msg_error ;es:bp
int 10h
ret
display_msg endp
.DATA
msg_load DB 'Loading......',0
msg_load_len DW $ - msg_load
msg_error DB 'NO BOOTER,please reboot!',0
msg_error_len DW $ - msg_error
magic_test DB 'TianXiangYuan',0
magic_test_len DW $ - magic_test
end _start
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上面這段代碼，是MBR的內容，他使用LBA方式讀硬盤（支持大硬盤），將我們自己的操作系統讀入0x1000:0x0100，然後轉入操作系統執行。
很顯然，我們的操作系統必須放在硬盤的No.2（LBA定位方式）扇區開始的60個扇區之內（實際上我們的操作系統遠沒有這麼大），這時我們的引導程序的硬性規定，如果使用第三方的引導程序，也許會更方便。
可以自己開發安裝程序，也可以使用WinHex工具將其寫入硬盤。請一定注意數據安全，不要將硬盤分區搞壞，建議做好備份工作，或者使用沒有重要數據的測試硬盤。順便說一下，我是使用WinHex寫入測試硬盤的。
這段引導程序的編譯方式與操作系統一樣，build.dat文件如下：
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@echo off
set PATH=e:/masm615/bin;
set AS=e:/masm615/bin/ml.exe
set AFLAGS=/AT /W3 /WX /Gd /Zp1 /X /nologo
del *.obj *.com *.cod *.dbg *.pdb *.map
%AS% /c %AFLAGS% bootsect.asm
if errorlevel 1 goto error
%AS% %AFLAGS% /Fe"bootsect.com" bootsect.obj
if errorlevel 1 goto error
goto exit
:error
echo Failure......
:exit
pause
@echo on
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6. 後記
我們自己的操作系統太原始了，連DOS都不如！在這裏，主要介紹的是一種開發方法，旨在說明使用C語言如何開發像操作系統這樣底層的軟件。
閒暇時，將其移至Linux平臺下開發，並且使用cpu的保護模式，畢竟這樣才能發揮80x86系列cpu的強大功能。
歡迎提出寶貴意見：[email protected]