30天自制操作系统 01-03 从汇编到C语言

01-03-Day-Note

第一天到第三天的笔记

1. 运行环境准备

可以直接在作者提供的开发包中执行作者提供的文件，执行过程如下：

1. 将对应project中包含源代码的目录复制到tolset中
2. 执行对应的Makefile指令

需要在Windows的Shell环境下执行，在Git Bash执行会存在命令的不一致问题

作者在nasm的基础上开发了名为nask的汇编编译器，然后通过imgtol制作img镜像文件，最后通过qemu虚拟机运行此镜像文件，作者已经写好所有样例代码以及运行的脚本文件（批处理文件和Makefile）

上面所有的作者工具都在书本配套文件的tolset中

当然以上基础编译工具都可以使用已有工具代替（作者的类似很古老了）

其他工具替代

• 使用nasm替代nask

  nasm infile.asm -o outfile.img
  

• 使用最新的 qemu 替代（此处为qemu4)

  qemu基本命令行参数参考 https://www.datarelab.com/blog/Technical_literature/562.html

  qemu-system-i386 -fda youros.img
  

• 代替作者的imgtol

  可以使用Linux的dd命令替换 Windows 下可在此处下载：http://www.chrysocome.net/download

  dd是类似cp的一个工具，不过dd针对的是块而cp针对的是文件

  可参考：http://blackblog.tech/2018/07/19/CreateOSDay3/#comments

2. 汇编

i. 寄存器

16 位寄存器

名字	功能
AX	accumulator， 累加寄存器
CX	counter， 计数寄存器
DX	data， 数据寄存器
BX	base， 基址寄存器
SP	stack pointer， 栈指针寄存器
BP	base pointer， 基址指针寄存器
SI	source index， 源变址寄存器
DI	destination index， 目的变址寄存器

8 位寄存器

名字	功能
AL	累加寄存器低位（accumulator low）
CL	计数寄存器低位（counter low）
DL	数据寄存器低位（data low）
BL	基址寄存器低位（base low）
AH	累加寄存器高位（accumulator high）
CH	计数寄存器高位（counter high）
DH	数据寄存器高位（data high）
BH	基址寄存器高位（base high）

段寄存器

名字	功能
ES	附加段寄存器（extra segment）
CS	代码段寄存器（code segment）
SS	栈段寄存器（stack segment）
DS	数据段寄存器（data segment）
FS	没有名称（segment part 2）
GS	没有名称（segment part 3）

32 位拓展寄存器

EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI （加了个extend拓展的标签）

ii. 基础指令

• DB：按字节定义类似的还有DW（定义字），DD（定义双字）

• MOV：移动指令mov A, B意为A = B, mov后的寄存器或者字面量加上[]则代表引用此地址的值

  如：MOV AL, BYTE [BX]，会将指定段寄存器乘16倍将上BX的值形成目标地址

  BX、 BP、 SI、 DI这几个。 剩下的AX、 CX、 DX、 SP不能用来指定内存地址

• JMP：跳转指令 跳转到指定内存地址

• INT：软件中断指令 后接中断号，调用BIOS预设的函数（功能）

• JE：相等则跳转（工具FLAGS寄存器的标志寄存器的值跳转）

• CMP：比较两个寄存器（书面量）的值，修改对应的标志寄存器

• HLT：让CPU进入待机状态只要外部发生变化， 比如按下键盘， 或是移动鼠标， CPU就会醒过来， 继续执行程序

• RESB：填充指定数量字节的0x00

• ORG：将指令加载到指定位置，详情可见：https://blog.csdn.net/yuduoluogongwu/article/details/7359242

iii. NASM 和 NASK 的区别

nask 和 nasm 部分语法不同，差别如下：

NASK代码	NASM代码
JMP entry	JMP SHORT entry
RESB <填充字节数>	TIMES <填充字节数> DB <填充数据>
RESB 0x7dfe-$	TIMES 0x1fe-($-$$) DB 0
ALIGNB 16	ALIGN 16, DB 0

在文中出现了美元符代表的意思如下：

$ 是当前位置
$$ 是段开始位置
$ - $$ 是当前位置在段内的偏移

3. Makefile

Makefile就像是一个非常聪明的批处理文件

具体操作说明可参考：http://www.ruanyifeng.com/blog/2015/02/make.html

4. IPL

软盘 FAT12

作者使用的是格式为FAT12格式的软盘

用Windows或MS-DOS格式化出来的软盘就是这种格式。 作者的helloos也采用了这种格式， 其中容纳了作者开发的操作系统。 这个格式兼容性好， 在Windows上也能用， 而且剩余的磁盘空间还可以用来保存自己喜欢的文件。

1张软盘有80个柱面， 2个磁头， 18个扇区， 且一个扇区有512字节。 所以， 一张软盘的容量是：
80×2×18×512 = 1474560 Byte = 1440KB

启动区

（boot sector） 软盘第一个的扇区称为启动区。 那么什么是扇区呢？ 计算机读写软盘的时候， 并不是一个字节一个字节地读写的， 而是以512字节为一个单位进行读写。 因此,软盘的512字节就称为一个扇区。 一张软盘的空间共有1440KB， 也就是1474560字节， 除以512得2880， 这也就是说一张软盘共有2880个扇区。 那为什么第一个扇区称为启动区呢？ 那是因为计算机首先从最初一个扇区开始读软盘， 然后去检查这个扇区最后2个字节的内容。如果这最后2个字节不是0x55 AA， 计算机会认为这张盘上没有所需的启动程序， 就会报一个不能启动的错误。 （也许有人会问为什么一定是0x55AA呢？ 那是当初的设计者随便定的， 笔者也没法解释） 。 如果计算机确认了第一个扇区的最后两个字节正好是0x55 AA， 那它就认为这个扇区的开头是启动程序， 并开始执行这个程序。

IPL 启动程序装载器

initial program loader的缩写。 启动程序加载器。 启动区只有区区512字节， 实际的操作系统不像hello-os这么小， 根本装不进去。 所以几乎所有的操作系统， 都是把加载操作系统本身的程序放在启动区里的。 有鉴于此， 有时也将启动区称为IPL。 但hello-os没有加载程序的功能， 所以HELLOIPL这个名字不太顺理成章。 如果有人正义感特别强， 觉得“这是撒谎造假， 万万不能容忍！ ”， 那也可以改成其他的名字。 但是必须起一个8字节的名字， 如果名字长度不到8字节的话， 需要在最后补上空格

制作 IPL

计算机加载操作系统的流程如下：

1. 从特定位置读取操作系统数据（USB或者软盘，软盘已经淘汰了），但这里使用的是软盘
2. 软盘的第一个512字节的扇区作为启动区，执行此启动区指令
3. 该启动区将软盘内容加载到内存指定位置运行

文中的IPL加载了软盘的10个柱面

文中的IPL如下：

; haribote-ipl
; TAB=4

CYLS	EQU		10				; 声明CYLS=10

		ORG		0x7c00			; 指明程序装载地址

; 标准FAT12格式软盘专用的代码 Stand FAT12 format floppy code

		JMP		entry
		DB		0x90
		DB		"HARIBOTE"		; 启动扇区名称（8字节）
		DW		512				; 每个扇区（sector）大小（必须512字节）
		DB		1				; 簇（cluster）大小（必须为1个扇区）
		DW		1				; FAT起始位置（一般为第一个扇区）
		DB		2				; FAT个数（必须为2）
		DW		224				; 根目录大小（一般为224项）
		DW		2880			; 该磁盘大小（必须为2880扇区1440*1024/512）
		DB		0xf0			; 磁盘类型（必须为0xf0）
		DW		9				; FAT的长度（必??9扇区）
		DW		18				; 一个磁道（track）有几个扇区（必须为18）
		DW		2				; 磁头数（必??2）
		DD		0				; 不使用分区，必须是0
		DD		2880			; 重写一次磁盘大小
		DB		0,0,0x29		; 意义不明（固定）
		DD		0xffffffff		; （可能是）卷标号码
		DB		"HARIBOTEOS "	; 磁盘的名称（必须为11字?，不足填空格）
		DB		"FAT12   "		; 磁盘格式名称（必??8字?，不足填空格）
		RESB	18				; 先空出18字节

; 程序主体

entry:
		MOV		AX,0			; 初始化寄存器
		MOV		SS,AX
		MOV		SP,0x7c00
		MOV		DS,AX

; 读取磁盘

		MOV		AX,0x0820
		MOV		ES,AX
		MOV		CH,0			; 柱面0
		MOV		DH,0			; 磁头0
		MOV		CL,2			; 扇区2

readloop:
		MOV		SI,0			; 记录失败次数寄存器

retry:
		MOV		AH,0x02			; AH=0x02 : 读入磁盘
		MOV		AL,1			; 1个扇区
		MOV		BX,0
		MOV		DL,0x00			; A驱动器
		INT		0x13			; 调用磁盘BIOS
		JNC		next			; 没出错则跳转到fin
		ADD		SI,1			; 往SI加1
		CMP		SI,5			; 比较SI与5
		JAE		error			; SI >= 5 跳转到error
		MOV		AH,0x00
		MOV		DL,0x00			; A驱动器
		INT		0x13			; 重置驱动器
		JMP		retry
next:
		MOV		AX,ES			; 把内存地址后移0x200（512/16十六进制转换）
		ADD		AX,0x0020
		MOV		ES,AX			; ADD ES,0x020因为没有ADD ES，只能通过AX进行
		ADD		CL,1			; 往CL里面加1
		CMP		CL,18			; 比较CL与18
		JBE		readloop		; CL <= 18 跳转到readloop
		MOV		CL,1
		ADD		DH,1
		CMP		DH,2
		JB		readloop		; DH < 2 跳转到readloop
		MOV		DH,0
		ADD		CH,1
		CMP		CH,CYLS
		JB		readloop		; CH < CYLS 跳转到readloop

; 读取完毕，跳转到haribote.sys执行！
		MOV		[0x0ff0],CH		; IPLがどこまで読んだのかをメモ
		JMP		0xc200

error:
		MOV		SI,msg

putloop:
		MOV		AL,[SI]
		ADD		SI,1			; 给SI加1
		CMP		AL,0
		JE		fin
		MOV		AH,0x0e			; 显示一个文字
		MOV		BX,15			; 指定字符颜色
		INT		0x10			; 调用显卡BIOS
		JMP		putloop

fin:
		HLT						; 让CPU停止，等待指令
		JMP		fin				; 无限循环

msg:
		DB		0x0a, 0x0a		; 换行两次
		DB		"load error"
		DB		0x0a			; 换行
		DB		0

		RESB	0x7dfe-$		; 填写0x00直到0x001fe

		DB		0x55, 0xaa

最后以0x55aa结尾说明是启动区

该启动区代码包含了试错，循环读取扇区和柱面

主要注意：

1. 第41行：MOV AX,0x0820

   这段是把第一个柱面的第二个扇区（第一个为启动扇区），加载到内存0x8200的位置，0x13通过段寄存器ES和BX设置，这里ES为0x0820需要扩大16倍即为0x8200

   这里BIOS将系统启动代码（第一个扇区）加载到0x8000处，然后我们的IPL加载之后的扇区，所以将AX赋值为0x0820然后在赋值给ES

2. 第82行：JMP 0xc200

   这里是启动区代码执行成功后，跳转到0xc200处执行代码

   我们的真正的OS代码保留在软盘的0x4200的位置，软盘的第一个扇区的位置是0x8000所以有0x8000+0x4200 = 0xc200，所以跳转到此位置

   0x4200是因为向软盘写文件时一帮保存到此位置

3. 第107行：RESB 0x7dfe-$ ; 填写0x00直到0x001fe

   只是将启动区后续部分填充为0

   0x7dfe = 0x7c00 + 511得到，表示512字节的启动区

5. 导入C语言

文章中将C语言代码bootpack.c编译为32位汇编，要使用C语言，在操作系统中必然是C语言和汇编是混合复用的，所以需要专门的代码进行链接，文章中给出的是asmhead.nas,这里进行了对显卡显示模式的设置，以及对C语言的导入操作，可以到此文件中看一看，作者给出了很清楚的注释。（中文代码：https://github.com/yourtion/30dayMakeOS/blob/master/03_day/）

对C语言的处理作者分为以下几步：

• 使用cc1.exe从bootpack.c生成bootpack.gas
• 使用gas2nask.exe从bootpack.gas生成bootpack.nas
• 使用nask.exe从bootpack.nas生成bootpack.obj
• 使用obj2bim.exe从bootpack.obj生成bootpack.bim
• 使用bim2hrb.exe从bootpack.bim生成bootpack.hrb
• 这样就做成了机器语言， 再使用copy指令将asmhead.bin与bootpack.hrb单纯结合到起来， 就成了haribote.sys

cc1是C编译器， 将C语言代码编译为32位的GAS的汇编代码

gas2nask是将gas汇编编译为nasm识别的汇编格式了,通过nask（nasm）编译位OBJ目标文件

obj2bim将目标文件编译为二进制镜像文件，方便不同的目标文件进行合并

bim2hrb将最后的合并目标文件编译为hrb文件（这个是适合作者的这个编译环境的最终二进制文件）

C语言调用汇编

; naskfunc
; TAB=4

[FORMAT "WCOFF"]				; 制作目标文件的模式	
[BITS 32]						; 制作32位模式用的机器语言


; 制作目标文件的信息

[FILE "naskfunc.nas"]			; 源文件名信息

		GLOBAL	_io_hlt			; 程序中包含的函数名


; 以下是实际的函数

[SECTION .text]		; 目标文件中写了这些后再写程序

_io_hlt:	; void io_hlt(void);
		HLT
		RET

将此文件的obj文件和C语言的obj文件一起编译为bim即可(使用作者自带的工具)

有几个需要注意的地方：

1. 需要和C语言链接的函数都需要标识为GLOBAL，反义为LOCAL
2. 导出的函数需要前加_，这样才能和C语言链接，C语言编译后的函数会加_

可以看看作者的Makefile可以更好的明白整个编译的过程