消失的这一星期，我写了一个加减乘除法操作系统

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前言

这星期研究了一下操作系统启动，并且写了个可以计算加减乘除的操作系统（这貌似挺起来有点搞笑），当然先展示效果图，但是当我录制完mp4后，格式只有3MB，但当我转换为gif时，比较大，没办法在文章中预览了，所以只能看一张图片了，但是已上传到服务器，地址如下： houxinlin.com/res/1.mp4

下面这张图是将系统写入U盘并设置U盘启动后的效果图，当然也能在模拟器上展示，但是没有比跑在实体机上有成就感，型号为Thinkpad E430

功能只有计算加减乘除和清屏，比如输入1+3时，将在下一行打印结果，并输入CLS时，将屏幕清空，比较单一，整个过程也比较简单，一开始开始我也觉得难，但当我不断学习后，才发现，实现这样一个小功能，确实没什么特别复杂的，只是设计到的东西有点多，知识有点广。

如何运行

这个系统可以从这里下载。

http://houxinlin.com:8080/os-image.bin
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下载后刻录到U盘中即可，我没有在Window上通过相关软件刻录，而是在Linux上通过dd命令写入到U盘中的，不能保证Window中刻录软件会成功，但可以用扇区编辑工具直接把这个文件复制到U盘扇区，比如借助HxD工具。

刻录到U盘后一定要设置Bios为legacy启动模式，我们的系统不支持uefi，但现在大部分人电脑都是uefi，记得一定要设置，其他得原因就自求多福吧。

源码可以从这里下载，要编译源码，需要先安装交叉编译器i686-elf。

https://github.com/houxinlin/cool-os.git
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启动原理

到这里，该说说原理了，但是让你失望的是，我没有时间把他说的很详细，因为还有别的工作，等日后有时间，我会详细的说每个流程，原因是每一个知识点都需要很多文字，当我们要写一个操作系统，少不了汇编，需要先熟悉NASM或者GAS汇编，但这里也不可能介绍汇编基础，这里讲一个笑话，一位教了一辈子汇编与微机原理的老师，讲课时候很自大，经常说一些潜在意思，比如"你们以前老师不知道教清楚没，教的有我清楚没"，可是当被问起NASM和MASN的区别时，吐出一句我不知道NASM。

回到正题吧，如果想从一开始了解计算机启动过程，那我也不知道从那开始了解，在我现有的知识中，他会从CPU上的一个RESET引脚开始说起，当加电后，他会进行一个初始化，会强制将cs:ip寄存器初始化为0xF000:0xFFF0 ，另外由于开机的时候处于实模式，在实模式下需要将段寄存器左移4位在加上偏移地址，于是最终物理地址将是0xFFFF0，而这个地址便是BIOS的入口地址，BIOS执行他自己的逻辑后会跳转到0x7c00执行，而这个地址开始的代码，是我们自己写的，注意，cs:ip寄存器会强制初始化为0xF000:0xFFF0这句话，这是很多书所说，但是他们忘记加这是对于现代CPU了，而在8086这款CPU上，会强制初始化为0xFFFF:0x0000的，但是这个结果不论怎么算，最终物理地址都是0xFFFF0。

如果你想开机后在屏幕上输出一句话，那是非常简单的，但想输出中文、或者其他文字，那就麻烦了，所以我们只拿英文做示范，当学会汇编后，不到5行汇编即可完成，但你不能凭空写，这需要先参考BIOS中断号各个作用和其参数，比如下面代码，当调用10h中断时候，BIOS会根据ah和al中的参数，做响应，这里的中断也同Linux中80h中断类似，但如果你对这方面有经验的话。

mov  al , 'a' 
mov  ah , 0eh
int 10h
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这个过程就是个参考手册的过程，这个文档我见过最详细的一篇就是维基百科，但是这玩意你懂的，进不去，所以我找到另一篇比较详细的文章。

http://www.ablmcc.edu.hk/~scy/CIT/8086_bios_and_dos_interrupts.htm#
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在说BIOS，可能就知道他是个基本输入输出系统，但是，他在编写操作系统的时候，起到至关重要的作用，是他跳转到我们操作系统第一行代码的，并且提供了中断，当我们想在屏幕上打印一个字符时，只需要调用他内置的中断即可，还有读取硬盘时，也可以借助他的中断，前提是设置好参数，这些参数都在不同的寄存器里。

而我们常说的选择一个引导设备，就是指选择一个操作系统所在位置，当我们把系统写入到U盘后，那么这个U盘称为引导设备，BIOS会将这个设备的第一个扇区复制到内存地址0x7C00的物理内存中，注意一个扇区是512字节，也就是会把U盘中前512个字节复制到0x7C00处，之后BIOS会跳转的这里执行代码，所以我们操作系统的第一行代码就从这里开始执行，这块代码通常都是由汇编完成，但是有个前提是这512字节最后两个字节是0x55、0xaa，用来表明这个扇区是一个引导扇区，如果最后两个字节不是0x55、0xaa，那么BIOS也不会执行。这个被称为魔数，这个扇区还有个名字，叫MBR，另外这个过程是可调试的，如果你使用bochs，可以通过b 0x7c00打下断点，从这里开始就可以调试你的代码了

为啥叫引导扇区呢？因为操作系统内核不再这里，但是内核也不能直接启动，需要借助512字节的代码做一下助推。

另外这里又牵扯到很多知识，比如为什么是0x7C00？，最后两位为什么是0x55、0xaa？乌龟的屁股吧。

但是注意此时CPU运行在实模式，CPU一开始就是这个模式，还有一个模式是保护模式，这两个模式自行百度吧，如果想了解，需要长篇大论，还有一个问题是512字节怎么够一个系统？，所以我们在这512字节里做的事是，手动加载内核到内存，并跳转到这里执行，并且切换到保护模式，如果在详细说，就是设置GDT、IDT等信息。

切换到保护模式是由一个叫CR0寄存器控制的，这个寄存器最低位被叫做机器状态，他的第0位叫保护允许位，机器在上电后他的值是0，可以手动切换，值是1时进入保护模式。

但是进入到保护模式后，BIOS中断就没办法用了，你可能想知道用不了BIOS中断，还怎么输出文字？

没错，是用不了，但是取而代之的是直接向显卡特定地址直接写入数据，其原理是将某个外设的内存映射到一定范围的地址空间中， CPU通过地址总线访问该内存区域时会落到这个外设的内存中，这种映射让CPU访问外设的内存就如同访问主板上的物理内存一样，比如显卡上有块内存叫显存，它被映射到主机物理内存上的0xB8000-0xBFFFF， CPU访问这片内存就是访问显存，住这片内存上写字节就是向屏幕上打印内容。

这里在插一句，如果只是在这512字节里面做测试，玩一玩BIOS中断，一般两条命令就可以搞定，第一条用来编译，第二条用来启动模拟器，或者直接写入到U盘，但是真的想写一个有一丝丝用的系统，建议还是先学make，他能帮助做一些编译相关的工作，省去一些命令行上的操作，如果你从网上下载一些操作系统的demo，几乎少不了make命令。

GDT

我们在说说GDT，中文名字叫全局描述表，当进入保护模式的时候，必须设置这个表，通过指令lgdt加载，并会由寄存器GDTR保存入口，用来提供程序执行时需要的内存的各种信息，GDTR是48位的寄存器，最低两个字节0-15表示GDTR的限长，最高4个字节16-47表示基址，表示GDT表在内存中的开始位置。全局描述符表相当于是描述符的数组，数组中的每个元素都是8字节的描述符。

这个表也比较复杂，一句两句说不清，在以后会单独的文章介绍他。

IDT

IDT中文为中断描述符表，和GDT类似，记录了0~255的中断号和调用函数之间的关系，当CPU接收一个中断时，需要用中断向量在此表中检索对应的描述符，在该描述符中找到中断处理程序的起始地址，然后跳转到这里执行中断处理程序。

他也比较复杂，在以后会单独的文章介绍他。

键盘中断

当进行键盘输入编写时，需要使用键盘中断功能，如果是在BIOS中读取字符，这比较简单，短短几句就可以实现，如下。

BITS 16
loop:
	mov ah,0x00
	int 16h
	jnz	print_ok
	jmp loop
print_ok:
	mov  ah , 0eh
	int 10h
	jmp 	loop
times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55
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但我们在保护模式不能这样简单粗暴，而是要利用到IDT表，但在此前，你还要了解键盘扫描码，这和ascii码不同，但也类似，键盘内部有个叫作键盘编码器的芯片，它的作用是当键盘上发生按键操作时候，就向键盘控制器发送哪个键被按下，以及哪个按键弹起，但这个键盘控制器不再键盘中，而是在主板上，他负责接收来自键盘编码器的按键信息，将解码后保存，然后向中断代理发中断，这个中断处理程序将会读入以前保存过的按键信息。

而双方要规定一个协议，这个协议是对键盘上每个键的标识，所以，键盘扫描码就诞生了，但是一次按键有两个状态，按下和抬起，所以，一个键也就有两个编码，在按下和抬起时，都会发送扫描码，在中断处理程序中，取到的也是这个扫描码，需要我们自行转换为ascii码，这个时候你可以把a转换为b进行打印，完全由你控制，但这样显然不符合正常人需求。

而我们如何在中断程序中取出一个扫描码呢？

就必须使用in指令了，但是每次只能处理一个字节，所以，如果有组合键按下时，需要先定义一个全局变量，记录如Ctrl已经被按下，接着当A被按下时候，判断Ctrl是按下状态，然后执行相关操作，比如全选。

但是这个键盘扫描码有三套，目前我们用的都是AT格式的，这个自行了解吧。

当转换为ascii后，把这个值记录下来，并直到遇到回车时，把这个字符指针传递给其他一个单独的函数，这个单独的函数用来解析输入的字符，在这里，我们通过execute_command函数，来解析加减乘除。

还需要了解8259A中断控制芯片，我找了很多文章介绍他，但还是对他模模糊糊，直到在看《操作系统真相还原》相关章节的时候，才明白，他介绍的非常详细。

加法计算

到这里就是c语言基础了，在内核中，需要你完成字符打印函数、清除屏幕等基本显示功能，由于无法调用C库，诸如atoi、itoa需要我们自己完成，但另外愉快的是，他们都比较简单，下面这段代码没有操作系统知识也能看懂。

void print_int(int value)
{
    char result[255];
    itoa(value, result);
    print_string(result);
    print_nl();
}
void exec(int index, char *input, char ec_symbol)
{
    char temp[22];
    itoa(index, temp);
    int size = string_length(input);
    char ns_1[index];
    char ns_2[size - index];
    sub_string(input, 0, index, ns_1);
    sub_string(input, index + 1, -1, ns_2);
    print_string(input);
    print_string("=");
    if (ec_symbol == '+')
    {
        int value = atoi(ns_1) + atoi(ns_2);
        print_int(value);
    }
    if (ec_symbol == '-')
    {
        int value = atoi(ns_1) - atoi(ns_2);
        print_int(value);
    }
    if (ec_symbol == '*')
    {
        int value = atoi(ns_1) * atoi(ns_2);
        print_int(value);
    }
    if (ec_symbol == '/')
    {
        int value = atoi(ns_1) / atoi(ns_2);
        print_int(value);
    }
}
//回车会执行到这里
void execute_command(char *input)
{
    if(compare_string(input,"CLS")==0){
        clear_screen();
        return;
    }
    int index = -1;
    index = string_index_of(input, '-');
    if (index != -1)
        exec(index, input, '-');
    index = string_index_of(input, '+');
    if (index != -1)
        exec(index, input, '+');
    index = string_index_of(input, '*');
    if (index != -1)
        exec(index, input, '*');
    index = string_index_of(input, '/');
    if (index != -1)
        exec(index, input, '/');
}

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基本情况就是这了，在以后文章会单独说每个知识点。