【操作系统】Orange‘s学习笔记(一)

一、工作环境和准备工作

学习环境：
Windows(原机) + Ubuntu 12.04.5(Oracle VM VirtualBox虚拟机) + Bochs.2.6.8 + NASM + GCC

环境搭建：

• 我们要在 windows 系统下安装 virtualbox 软件；
• 之后要用 virtualbox 创建一个虚拟机，并为这个虚拟机安装 ubuntu 系统；
• 接着启动刚装好的 ubuntu 虚拟机，在其中安装bochs（注意编译时的配置选项，书中有说明，不然将无法进行调试）；
• 最终运行书中的第一个示例

软件& Linux Distribution 版本要求：

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

简要的参考步骤：

• 卸载系统中已有的 virtualbox ，安装最新版本的
  https://www.virtualbox.org/wiki/Downloads；

• 用 virtualbox 创建并安装 Ubuntu 系统，从 http://mirrors.163.com/ubuntu-releases 下载 ubuntu-12.04.5-desktop-i386.iso 镜像进行安装；

• 从 http://bochs.sourceforge.net/getcurrent.html 下载 bochs 源码 bochs-2.6.8.tar.gz，在 ubuntu 中编译安装 bochs 软件

• 使用 bximage 创建软驱，调试书上第一个例子。具体书中已经写了。同时参考 http://bbs.21ic.com/blog-1423056-134746.html

书的第一章是简要开头，第二章是准备工作。

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二、第一章 马上动手写一个最小的“操作系统”

1. 第一章笔记

书中给出的代码如下：

	org	07c00h			; 告诉编译器程序加载到7c00处
	mov	ax, cs			
	mov	ds, ax			; 使ds,es段寄存器指向与cs相同的段
	mov	es, ax
	call	DispStr		; 调用显示字符串例程
	jmp	$				; 无限循环
DispStr:
	mov	ax, BootMessage
	mov	bp, ax			; ES:BP = 串地址
	mov	cx, 16			; CX = 串长度
	mov	ax, 01301h		; AH = 13,  AL = 01h
	mov	bx, 000ch		; 页号为0(BH = 0) 黑底红字(BL = 0Ch,高亮)
	mov	dl, 0
	int	10h				; 10h 号中断
	ret
BootMessage:	db	"Hello, OS world!"
times 510-($-$$) db	0	; 填充剩下的空间，使生成的二进制代码恰好为512字节
dw 	0xaa55				; 结束标志

上述代码实际上是一个引导扇区 boot sector ，它直接在裸机上运行，不依赖于其他软件。当计算机电源被打开后：

• 计算机先进行加电自检 POST ；
• 然后寻找启动盘，如果是选择从软盘打开，BIOS会检查软盘的 0 面 0 磁道 1 扇区，如果发现该扇区是以 0xaa55 结束，则BIOS认为它是一个 boot sector；
• 一旦BIOS发现了引导扇区，就会将这 512 字节的内容装载到内存地址 0000:7c00 处，然后跳转到 0000:7c00 处将控制权彻底交给这段引导代码；
• 此后，计算机不再由BIOS控制，而是由操作系统的一部分来控制。

部分指令说明：

• org 伪指令，用来规定程序存放单元的偏移量，如果在源程序的第一条指令使用了这样的指令如 org 2000h ，则汇编程序会把 ip 设为 2000h ，程序的第一个字节存放到 2000h 处，然后依次顺序存放后面的内容，直到遇到另一个 org 。
• times 510-($-$$) db 0 将 0 字节重复 510-($-$$) 次。

2. nasm学习

本书使用的是 nasm 的语法(The Netwide Assembler) ，NASM是目前唯一开源免费的汇编器，和MASM一样遵从Intel语法，指令集、语法规则几乎完全相同。

实模式编程：Linux和Windows运行在x86的机器上，都是运行在保护模式下的，因此我们需要将编译好的实模式程序写进虚拟硬盘的主引导扇区，然后由虚拟机启动来观察程序运行效果。

和 masm 的区别在于：

• nasm 中任何不被方括号 [] 括起来的标签和变量名都是地址；访问标签中的内容必须用 [] ；因此不需要 offset 关键字；
• nasm 中，变量和标签是一样的，下面两条语句是等价的：

  foo dw 1 
  foo : dw 1
  

• nasm 中的 $ 是当前语句的地址；$$ 是本节 section 的起始语句的地址。
• nasm 中使用 section 表示一段代码，后面跟一个段的名称(自定义)和段属性。nasm 的标准段包括 section .data / section .text / section .bss ，它们默认包含 vstart = 0 的语义，即段内的指令和标号的汇编地址都是段内偏移地址。

先安装 nasm ，然后使用 nasm 编译上述的代码，我们就得到了一个 512 字节的 boot.bin 代码：

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

其他nasm指令参见nasm中文手册。

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3. 实际操作

我的机器没有软驱，所以要创建一个虚拟软盘。由于 VirtualBox 不能像创建虚拟空白硬盘一样创建虚拟软盘，而只能选择一个已有的虚拟软驱 .img ，所以要先创建一个基于编译得到的 boot.bin 的虚拟软盘。 命令如下：

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

这条命令创建出一个大小为 512B ，名为 floppy.img ，写入了 boot.bin 的虚拟软盘镜像。其中 boot.bin 是读取位置，floppy.img 是写入位置。

为了实现像书中一样的效果，可以在 VirtualBox 里创建一个 MyOS 虚拟机。点击新建后，过程中要改动的默认设置有：操作系统和版本都选择 Other ，内存大小选 4 mb ，不创建虚拟硬盘。

建成后不要启动，还需要进行设置：

• 选中建好的 MyOS ，点击设置 ，在系统中启动顺序只在软驱上打 √ ；
• 存储中，选择添加软盘控制器，然后添加虚拟软驱，选择文件夹下的 floppy.img ，点击OK；
  
• 这时虚拟机 MyOS 就完成了，启动后画面如下：
  

这样，第一章就完成了。

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三、第二章 搭建你的工作环境

如果一直使用虚拟软盘，太麻烦了，所以我们需要使用 bochs 搭建工作环境。

书中分别介绍了 windows 和 linux 的安装过程，我这里虽然是 windows 的机器，但是全部过程都在 linux 虚拟机中完成。

尽管如此，为了使用实验提供的环境和程序源代码，我开启了VGA增强功能，创建了一个共享文件夹，用于主机和虚拟机的信息交换。

1. bochs安装和使用步骤

这一部分折腾了我许久，书中的一些配置现在已经不适合了，出现了许多错误。

① 预装相关程序和库：

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

② 安装前的配置命令：(在 root 用户下)

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

③ 编译安装

make
make install

④ 将 bochs2.6.8 目录下的 bios 文件夹中的全部内容复制到 /usr/share/bochs 目录中，没有 bochs 文件夹的话需要自己创建。

⑤ 设置配置文件。这一步相当重要，如果没有设置好的话，就会出现各种各样的错误：

###############################################################
# 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 。如果照着书中的配置的话，会出现一些错误：

• 运行bochsrc时，出现错误 ROM: couldn't open ROM image file '/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest' ，要将第 9 行的 romimage: file=/usr/share/bochs/BIOS-bochs-latest 改为 romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest ；
• 运行bochsrc时，出现错误 bochsrc:10: vgaromimage directive malformed ，要将 bochsrc 文件中第 10 行的 vgaromimage: /usr/share/vgabios/vgabios.bin 改为 vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin 或者改为我给出的配置文件中的形式，具体视 bochs/bios 中的内容和自己的文件夹组织方式而定；
• 运行时出现关于 keymap 的错误如：
  
  需要将文件最后一行的 keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map 改为 keyboard: keymap=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map 。

⑥ 利用 bximage 生成软盘映像，在第一步提示中输入 fd 即可。具体可以参照书中描述。

⑦ 将引导扇区 boot.bin 写入虚拟软盘：

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

⑧ 运行 bochs ：

• 启动 bochs ：

  bochs
  

• 默认选择 [6] ，因此回车即可，然后弹出一个黑框，无内容：
  
• 此时在终端中键入 c 并回车就会执行：
  

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2. bochs调试操作系统

运行的是一个有调试功能的 bochs ，启动后会出现若干选项，一般默认为 6. Begin simulation ，直接按回车键就可以了。不过之后 bochs 没有直接进入运转，而是给出了一个提示符，等待输入。

此时，如果要调试的话，可以设置断点、查看CPU寄存器、查看某个内存地址的内容等。具体过程见书。

一些常用的命令如下：