【操作系統】Orange‘s學習筆記(一)

一、工作環境和準備工作

學習環境：
Windows(原機) + Ubuntu 12.04.5(Oracle VM VirtualBox虛擬機) + Bochs.2.6.8 + NASM + GCC

環境搭建：

• 我們要在 windows 系統下安裝 virtualbox 軟件；
• 之後要用 virtualbox 創建一個虛擬機，併爲這個虛擬機安裝 ubuntu 系統；
• 接着啓動剛裝好的 ubuntu 虛擬機，在其中安裝bochs（注意編譯時的配置選項，書中有說明，不然將無法進行調試）；
• 最終運行書中的第一個示例

軟件& Linux Distribution 版本要求：

• virtualbox：6.0.12
• ubuntu 鏡像：ubuntu-12.04.5-desktop-i386.iso
• bochs：bochs-2.6.8.tar.gz

簡要的參考步驟：

• 卸載系統中已有的 virtualbox ，安裝最新版本的
  https://www.virtualbox.org/wiki/Downloads；

• 用 virtualbox 創建並安裝 Ubuntu 系統，從 http://mirrors.163.com/ubuntu-releases 下載 ubuntu-12.04.5-desktop-i386.iso 鏡像進行安裝；

• 從 http://bochs.sourceforge.net/getcurrent.html 下載 bochs 源碼 bochs-2.6.8.tar.gz，在 ubuntu 中編譯安裝 bochs 軟件

• 使用 bximage 創建軟驅，調試書上第一個例子。具體書中已經寫了。同時參考 http://bbs.21ic.com/blog-1423056-134746.html

書的第一章是簡要開頭，第二章是準備工作。

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二、第一章 馬上動手寫一個最小的“操作系統”

1. 第一章筆記

書中給出的代碼如下：

	org	07c00h			; 告訴編譯器程序加載到7c00處
	mov	ax, cs			
	mov	ds, ax			; 使ds,es段寄存器指向與cs相同的段
	mov	es, ax
	call	DispStr		; 調用顯示字符串例程
	jmp	$				; 無限循環
DispStr:
	mov	ax, BootMessage
	mov	bp, ax			; ES:BP = 串地址
	mov	cx, 16			; CX = 串長度
	mov	ax, 01301h		; AH = 13,  AL = 01h
	mov	bx, 000ch		; 頁號爲0(BH = 0) 黑底紅字(BL = 0Ch,高亮)
	mov	dl, 0
	int	10h				; 10h 號中斷
	ret
BootMessage:	db	"Hello, OS world!"
times 510-($-$$) db	0	; 填充剩下的空間，使生成的二進制代碼恰好爲512字節
dw 	0xaa55				; 結束標誌

上述代碼實際上是一個引導扇區 boot sector ，它直接在裸機上運行，不依賴於其他軟件。當計算機電源被打開後：

• 計算機先進行加電自檢 POST ；
• 然後尋找啓動盤，如果是選擇從軟盤打開，BIOS會檢查軟盤的 0 面 0 磁道 1 扇區，如果發現該扇區是以 0xaa55 結束，則BIOS認爲它是一個 boot sector；
• 一旦BIOS發現了引導扇區，就會將這 512 字節的內容裝載到內存地址 0000:7c00 處，然後跳轉到 0000:7c00 處將控制權徹底交給這段引導代碼；
• 此後，計算機不再由BIOS控制，而是由操作系統的一部分來控制。

部分指令說明：

• org 僞指令，用來規定程序存放單元的偏移量，如果在源程序的第一條指令使用了這樣的指令如 org 2000h ，則彙編程序會把 ip 設爲 2000h ，程序的第一個字節存放到 2000h 處，然後依次順序存放後面的內容，直到遇到另一個 org 。
• times 510-($-$$) db 0 將 0 字節重複 510-($-$$) 次。

2. nasm學習

本書使用的是 nasm 的語法(The Netwide Assembler) ，NASM是目前唯一開源免費的彙編器，和MASM一樣遵從Intel語法，指令集、語法規則幾乎完全相同。

實模式編程：Linux和Windows運行在x86的機器上，都是運行在保護模式下的，因此我們需要將編譯好的實模式程序寫進虛擬硬盤的主引導扇區，然後由虛擬機啓動來觀察程序運行效果。

和 masm 的區別在於：

• nasm 中任何不被方括號 [] 括起來的標籤和變量名都是地址；訪問標籤中的內容必須用 [] ；因此不需要 offset 關鍵字；
• nasm 中，變量和標籤是一樣的，下面兩條語句是等價的：

  foo dw 1 
  foo : dw 1
  

• nasm 中的 $ 是當前語句的地址；$$ 是本節 section 的起始語句的地址。
• nasm 中使用 section 表示一段代碼，後面跟一個段的名稱(自定義)和段屬性。nasm 的標準段包括 section .data / section .text / section .bss ，它們默認包含 vstart = 0 的語義，即段內的指令和標號的彙編地址都是段內偏移地址。

先安裝 nasm ，然後使用 nasm 編譯上述的代碼，我們就得到了一個 512 字節的 boot.bin 代碼：

sudo apt-get install nasm
nasm boot.asm -o boot.bin

其他nasm指令參見nasm中文手冊。

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3. 實際操作

我的機器沒有軟驅，所以要創建一個虛擬軟盤。由於 VirtualBox 不能像創建虛擬空白硬盤一樣創建虛擬軟盤，而只能選擇一個已有的虛擬軟驅 .img ，所以要先創建一個基於編譯得到的 boot.bin 的虛擬軟盤。 命令如下：

dd if=boot.bin of=floppy.img bs=512 count=1

這條命令創建出一個大小爲 512B ，名爲 floppy.img ，寫入了 boot.bin 的虛擬軟盤鏡像。其中 boot.bin 是讀取位置，floppy.img 是寫入位置。

爲了實現像書中一樣的效果，可以在 VirtualBox 裏創建一個 MyOS 虛擬機。點擊新建後，過程中要改動的默認設置有：操作系統和版本都選擇 Other ，內存大小選 4 mb ，不創建虛擬硬盤。

建成後不要啓動，還需要進行設置：

• 選中建好的 MyOS ，點擊設置 ，在系統中啓動順序只在軟驅上打 √ ；
• 存儲中，選擇添加軟盤控制器，然後添加虛擬軟驅，選擇文件夾下的 floppy.img ，點擊OK；
  
• 這時虛擬機 MyOS 就完成了，啓動後畫面如下：
  

這樣，第一章就完成了。

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三、第二章 搭建你的工作環境

如果一直使用虛擬軟盤，太麻煩了，所以我們需要使用 bochs 搭建工作環境。

書中分別介紹了 windows 和 linux 的安裝過程，我這裏雖然是 windows 的機器，但是全部過程都在 linux 虛擬機中完成。

儘管如此，爲了使用實驗提供的環境和程序源代碼，我開啓了VGA增強功能，創建了一個共享文件夾，用於主機和虛擬機的信息交換。

1. bochs安裝和使用步驟

這一部分折騰了我許久，書中的一些配置現在已經不適合了，出現了許多錯誤。

① 預裝相關程序和庫：

sudo apt-get install build-essential xorg-dev libgtk2.0-dev

② 安裝前的配置命令：(在 root 用戶下)

./configure --with-x11 --with-wx --enable-debugger --enable-disasm --enable-all-optimizations --enable-readline --enable-long-phy-address --enable-debugger-gui

③ 編譯安裝

make
make install

④ 將 bochs2.6.8 目錄下的 bios 文件夾中的全部內容複製到 /usr/share/bochs 目錄中，沒有 bochs 文件夾的話需要自己創建。

⑤ 設置配置文件。這一步相當重要，如果沒有設置好的話，就會出現各種各樣的錯誤：

###############################################################
# Configuration file for Bochs
###############################################################

# how much memory the emulated machine will have
megs: 32

# filename of ROM images
romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/local/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest

# what disk images will be used 
floppya: 1_44=a.img, status=inserted

# choose the boot disk.
boot: floppy

# where do we send log messages?
log: bochsout.txt

# disable the mouse
mouse: enabled=0

# enable key mapping, using US layout as default.
keyboard:  keymap=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map

上面是我的配置文件 bochsrc 。如果照着書中的配置的話，會出現一些錯誤：

• 運行bochsrc時，出現錯誤 ROM: couldn't open ROM image file '/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest' ，要將第 9 行的 romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest 改爲 romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest ；
• 運行bochsrc時，出現錯誤 bochsrc:10: vgaromimage directive malformed ，要將 bochsrc 文件中第 10 行的 vgaromimage: /usr/share/vgabios/vgabios.bin 改爲 vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin 或者改爲我給出的配置文件中的形式，具體視 bochs/bios 中的內容和自己的文件夾組織方式而定；
• 運行時出現關於 keymap 的錯誤如：
  
  需要將文件最後一行的 keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map 改爲 keyboard: keymap=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map 。

⑥ 利用 bximage 生成軟盤映像，在第一步提示中輸入 fd 即可。具體可以參照書中描述。

⑦ 將引導扇區 boot.bin 寫入虛擬軟盤：

dd if=boot.bin of=a.img bs=512 count=1 conv=notrunc

⑧ 運行 bochs ：

• 啓動 bochs ：

  bochs
  

• 默認選擇 [6] ，因此回車即可，然後彈出一個黑框，無內容：
  
• 此時在終端中鍵入 c 並回車就會執行：
  

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2. bochs調試操作系統

運行的是一個有調試功能的 bochs ，啓動後會出現若干選項，一般默認爲 6. Begin simulation ，直接按回車鍵就可以了。不過之後 bochs 沒有直接進入運轉，而是給出了一個提示符，等待輸入。

此時，如果要調試的話，可以設置斷點、查看CPU寄存器、查看某個內存地址的內容等。具體過程見書。

一些常用的命令如下：