怎样用C语言开发操作系统

作者:tianxiangyuan 来源:原创 更新日期:2005-01-07 浏览次数:24

尽管我的题目是“用C语言写操作系统”,但是,仅仅使用C语言是写不出操作系统的。我看到很多篇关于自己动手开发操作系统的文章,几乎全来自一篇叫“Write Your Own Operating System Tutorial”英文文章,而且,使用的全是汇编语言。如今能够精通汇编语言的人已属凤毛麟角,而且现代操作系统的主体部分是用C语言写的,难道所谓的“Own Operating System”只能用汇编语言吗?在下不才,使用C语言(在某些部分必须结合汇编语言)写了一个可以与上述文章中提到的操作系统相媲美的操作系统,抛砖引玉,希望能够将其发展成为真正的中国人自己的操作系统。

我是在Windows环境下开发的,而不是大多数人选择的Linux环境。开发工具也是Microsoft公司的开发工具:masm615和VC15。微软公司的masm流传甚广,大家应该不陌生。对vc15可能较陌生,vc15堪称开发DOS程序的最“高档”编译器(尽管有很多BUG)。如果实在找不到这些开发工具,使用TASM、Turbo C或者Borland C++都是可以的。所给出的例子以masm615和vc15为准,转移到TASM、TC或BC平台,应该不难。有一条原则需要注意,在这里,源码必须使用TINY模式编译,也就是说,必须生成实模式代码。

1. 建立开发环境
这一步非常的简单。

将masm613和vc15的压缩包分别解压到e:masm615和e:msvc15目录下。你也可以放到其他目录下,根据自己的情况而定,但是下面用到的编译命令需要作相应的修改。也不需要添加或修改任何的环境变量。

2. IBM PC的启动及当时的内存使用情况
这一部分内容已经是老生常谈了,但又不能不说。我们只说从硬盘引导的情况。

当BIOS经过POST(Power On Test Self)后,将硬盘MBR读到内存0x0000:0x7C00的位置,然后从这里开始执行。一般的情况,MBR将选择活动分区进行操作系统的启动。在MBR开始执行时,内存使用的情况如下图所示,地址数据用16进制表示:

这已经是老掉牙的内容了,但是,在20年前却十分流行。如果想更详细的了解这方面的内容,找本讲解DOS的书看看吧。

我们自己的操作系统将被加载到0x1000:0x0100。这不是必需或者必然的,是人为选择的,你也可以将其放在0x4321:1234等其他地方。但是,上图中注明有其他用途的内存区域,应该保留,否则,你会后悔的。

怎样用C语言开发操作系统[2]
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作者:tianxiangyuan 来源:原创 更新日期:2005-01-07 浏览次数:29

3. 开发操作系统
我们自己的操作系统运行在实模式环境下(如果您不知道什么是实模式,也请看看20年前出版的当时非常流行的书,或者直接请教当时的前辈高手)。即使你的电脑是P4的CPU,刚启动时,也只相当于主频较高的8086而已。但是,没有关系。
首先,使用汇编语言写一个框架,文件名是entry.asm:
;
; 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 ;调用C语言写的主函数

mov ax,4c00h ;调用DOS的功能(为了调试),与我们自己的操作系统无关
int 21h

这段代码非常简单,应该没有什么问题。
已经说了,操作系统将从0x1000:0x0100加载,说是无心,实则有意。我们知道,TINY模式的程序,在DOS下运行时,其起始地址就是0x0100,前面的256Byte是参数部分。如果直接将操作系统在系统启动时加载到0x1000:0x0100,调试时非常麻烦。我们将其起始地址设为0x0100,使其可以在DOS下运行(这也是在程序的最后包含int 21h指令的原因),确认正确无误后,再进行下一步的开发。
下面再看C语言的代码,文件名是main.c:
……
static void InitShell()
{
}
void cmain()
{
InitShell();
TermShell();
}

顾名思义,其中实现了一个简单的shell。因为该程序本身是操作系统的一部分,所以,平时经常使用的一些C库函数,在这里就不能使用了。总之,一切都要自己动手实现。幸好,在实模式下,几乎所有的设备的驱动都包含在BIOS中了,我们可以直接使用。否则,连从键盘读一个键值这样的事都需要自己写键盘的驱动程序,实在太难了。也是这个原因,我们自己的操作系统没有将CPU转到保护模式下,有心之人可以试试。
下面的事情几乎都可以使用C语言实现了。
第一,初始化显示模式。系统启动时,显卡已经被初始化成3模式了,就是80X25的彩色模式(除非你的显示器是单色显示器),我们不需要再做什么了。当然,你也可以将显卡设成VGA甚至SVGA模式,只要你的BIOS和显卡支持。
第二,实现一个具有简单交互功能的shell。代码不全,请自己补齐,或参看附件。
/*
*从键盘读一个字符,如果没有输入,则等待;返回值的低字节为asii码,高字节为键盘扫描码
*/
static int getch()
{
int chr=0;
__asm
{
mov ah,00h
int 16h
mov chr,ax
}
return chr;
}
/*
*使用TTY模式向屏幕输出一个字符
*/
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,…)
{
…… //给大家一点空间,自己实现吧
}
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)
{
…… //也请大家自己实现吧,例如,可以实现help,dir,cls,halt等命令
…… //其实,就是字符串比较的过程
}
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++;
}
}
}

更复杂、功能更强大的方法请参考BIOS的相关文档。也请大家发挥想象力,不断的扩展功能。说心里话,这个 “操作系统”比dos还原始!但毕竟是自己的操作系统。
4. 编译方法
下面是build.bat的内容。各种编译选项参看相关编译器的说明文档。
作系统加载到内存的0x1000:0x0100,并且cpu工作在实模式下。如果实在找不到合适的引导程序,只有自己动手写一个了。
@echo off
set PATH=e:masm615bin;e:msvc15bin;
set AS=e:masm615binml.exe
set AFLAGS=/AT /W3 /X /Gd /Zp1 /nologo
set CC=e:msvc15bincl.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

5. 引导程序

我们自己的操作系统虽然写完了,但是还没有办法引导,使其拥有系统的控制权。你可以使用第三方的引导程序,只要它能够将我们的操作系统加载到内存的0x1000:0x0100,并且cpu工作在实模式下。如果实在找不到合适的引导程序,只有自己动手写一个了。

;

; 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方式读硬盘

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 ;转入操作系统执行

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

上面这段代码,是MBR的内容,他使用LBA方式读硬盘(支持大硬盘),将我们自己的操作系统读入0x1000:0x0100,然后转入操作系统执行。

很显然,我们的操作系统必须放在硬盘的No.2(LBA定位方式)扇区开始的60个扇区之内(实际上我们的操作系统远没有这么大),这时我们的引导程序的硬性规定,如果使用第三方的引导程序,也许会更方便。

可以自己开发安装程序,也可以使用WinHex工具将其写入硬盘。请一定注意数据安全,不要将硬盘分区搞坏,建议做好备份工作,或者使用没有重要数据的测试硬盘。顺便说一下,我是使用WinHex写入测试硬盘的。

这段引导程序的编译方式与操作系统一样,build.dat文件如下:

@echo off

set PATH=e:masm615bin;

set AS=e:masm615binml.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

6. 后记
我们自己的操作系统太原始了,连DOS都不如!在这里,主要介绍的是一种开发方法,旨在说明使用C语言如何开发像操作系统这样底层的软件。

闲暇时,将其移至Linux平台下开发,并且使用cpu的保护模式,毕竟这样才能发挥80×86系列cpu的强大功能。

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