《30天自制操作系统》读书笔记(3) 引入C语言
这一次的学习相当曲折, 主要是因为粗心, Makefile里面的错误导致了文件生成出现各种奇奇怪怪的问题, 弄得心力交瘁, 因此制作过程还是尽量按着作者的路子来吧.
作者提供的源码的注释在中文系统下是乱码, 而且代码的分隔用了两个Tab, 在这里要处理一下:
:%s/;.*//g 删除所有的注释;
:%s/\t\t/\t 把两个Tab替换为一个Tab;
要让作者的nas文件和asm文件拥有相同的语法规则, 在_vimrc文件的最后一行添加
au BufNewFile,BufRead *.nas set filetype=asm
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真正的IPL
之前我们写的只是软盘启动区代码, 所有代码只能放在512字节里, 根本不够用,
所以我们要利用这一段代码读入软盘的其他内容, 并将控制权移交给它, 所以叫做IPL(Initial Program Loader).
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需要的知识点:
int 0x13 磁盘中断
AH = 0x02 ; 读盘
AH = 0x03 ; 写盘
AH = 0x04 ; 校验
AH = 0x0c ; 寻道
AH = 0x00 ;大概是重置磁盘, 配合DH = 0x00 使用
AL = 连续处理的扇区数
CH = 柱面号
CL = 扇区号
DH = 磁头号
DL = 驱动器号
ES:BX = 缓冲地址, 寻道及校验不使用
C = 0 没有错误, AH = 0;
C = 1 错误号码存入AH.
这里只会用到0x02和0x00.
软盘的结构:
用柱面(C)-磁头(H)-扇区(S) 来标识软盘上的扇区, 我们的启动扇区的标号是C0-H0-S1, 值得注意的是下一个扇区是C0-H0-S2, 这个例子里作者要读入10个柱面, 从C0-H0-S1 读到 C9-H1-S18, 这样算来应该是18*2*10 = 360 个扇区, 大小是360*512/1024 = 180 KB, 从我们现在小的可怜的需求看来, 180KB绝对够了.(按这样算的话不是一个柱面有36个扇区吗? 此处不解).
以下的代码能将软盘除启动区外开始的180KB的空间读入内存中, 起始地址是0x8200, 占用的空间是0x2d000.
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执行软盘中的内容
编写Haribote.nas文件如下, 结构很简单:
1 fin: 2 HLT 3 JMP fin
问题是如何把编译好的程序和IPL结合在一起?
我们可以先编译好IPL, 和之前一样做成一个img, 然后把程序写入img.
最直观的方法是把img文件写入U盘, 把程序写入U盘, 再把U盘打包成img,
虽然有些迂回, 但是我们可以借助WinHex来直接写入, 用WinHex直接打开作者做好的Haribote.img ,可以发现它的内部格式如下:
发现Haribote.SYS处在0x4200的位置处 , 这是不是真的Haribote.sys?
也从Winhex里面打开Hraibote.sys:
只有一句, F4 EB FD, 和img文件0x4200处的完全一样, 和作者的总结一样:
向一个空软盘保存文件的时候,
1.文件名会写在0x2600以后的地方(这里我没有去验证);
2.文件的内容会写入到0x4200以后的地方.
非空软盘的情况没有考虑(这里开始我们就真正意义上使用了FAT12的文件系统了, 而不是自己设计一个文件系统).
知道了这个我们就可以知道怎么调用这个程序了, 使用作者提供的edimg.exe 可以方便地将程序写入到img中, 所以Makefile也要做相应的改动, 具体看Project文件夹day3里面的e文件夹.
这个Haribote.nas 所做的只是不断HLT, 我们并不知道这段代码是否真的执行, 作者这里使用了0x10来切换画面模式, 使得光标消失,
参数是AL = 0x13, AH = 0x00, 效果是屏幕全黑, 连光标也不能看到.
我这里采用的是0x10中断的另一个功能, 能够显示带颜色的字符串, 代码如下:
1 ; Program 2 ORG 0xc200 ; 加载到 0x8200 + 0x4200 – 0x200(启动区没有被读入) 3 MOV AX,0 4 MOV ES,AX 5 MOV AX,loaded 6 MOV BP,AX ; ES:BP = 串地址 7 MOV CX,10 ; 串长度 8 MOV AX,0x1301 ;AH = 0x13，AL = 0x01 9 MOV BX,0x000b ; 页号BH = 0 黑底蓝字 BL = 0x0b 10 MOV DL,0 11 INT 0x10 12 JMP fin 13 loaded: 14 DB 0x0a, 0x0a 15 DB "Loaded." 16 DB 0x0a 17 DB 0 18 19 fin: 20 HLT 21 JMP fin
效果如下, 可以确定我们Haribote.sys里面的代码已经被执行.
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进入32位模式&导入C语言*
这里作者开始用我们看不懂的东西了, 给出了一个长长的asmhead.nas, 并且表示"先跳过这一部分", 让我有点不爽, 但是毕竟不能半途而废不是? 这里的Makefile变得越来越复杂, 在这里我第一次碰到了困难, 由于粗心Makefile写少了几行, 导致编译莫名其妙地出错, 纠结了两天才发现, 抄代码都能抄错 = =, 废话略过, 作者还增加了一个Bootpack.c 大概就是我们以后的主战场了, 这里编译过程异常繁琐(作者啊你可不可以不要用你自己写的工具!? (╯‵□′)╯︵┻━┻),
以上所有的工具都是川和先生写的或者改写的(╯‵□′)╯︵┻━┻.
需要强调的是HariMain这个Main函数的函数名已经写死了, 不能够更换, 为了在C
语言里面使用HLT, (事实上现在C语言里面根本就没有函数可用), 增加naskfunc.nas.
所有文件均如下:
IPL.nas:
; hello-os ; TAB=4 ; const CYLS EQU 10 ORG 0x7c00 JMP entry DB 0x90 DB "OS 0.01 " DW 512 DB 1 DW 1 DB 2 DW 224 DW 2880 DB 0xf0 DW 9 DW 18 DW 2 DD 0 DD 2880 DB 0,0,0x29 DD 0xffffffff DB "OS ver 0.01" DB "FAT12 " RESB 18 entry: MOV AX,0 MOV SS,AX MOV SP,0x7c00 MOV DS,AX MOV AX,0x0820 ; 缓存位置 = ES:BX 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 retry: MOV AH,0x02 ; 读盘 MOV AL,1 ; 一个扇区 MOV BX,0 MOV DL,0x00 ; 驱动器A: INT 0x13 ; 调用磁盘中断 JNC next ADD SI,1 CMP SI,5 ; 失败5次跳出 JAE error MOV AH,0x00 MOV DL,0x00 ; 指定驱动器A: INT 0x13 ; 重置并重试 JMP retry
next: MOV AX,ES ADD AX,0x0020 MOV ES,AX ; 段寄存器往后移0x0020 实际偏移 0x0020*0x0010 = 0x0200 = 512d ADD CL,1 CMP CL,18 ; 读到18扇区 JBE readloop; <= 则跳 MOV CL,1 ADD DH,1 ; 换一个磁头 CMP DH,2 JB readloop; <则跳 MOV DH,0 ADD CH,1 ; 柱面+1 CMP CH,CYLS JB readloop MOV [0x0ff0],CH JMP 0xc200 error: ; 错误提示 MOV AX,0 MOV ES,AX MOV AX,msg MOV BP,AX ; ES:BP = 串地址 MOV CX,14 ; 串长度 MOV AX,0x1301 ;AH = 0x13，AL = 0x01 MOV BX,0x000c ; 页号BH = 0 黑底红字 BL = 0x0c MOV DL,0 INT 0x10 fin: HLT JMP fin msg: DB 0x0a, 0x0a DB "Load error." DB 0x0a DB 0 RESB 0x7dfe-$ DB 0x55, 0xaa
Asmhead.nas:
BOTPAK EQU 0x00280000 DSKCAC EQU 0x00100000 DSKCAC0 EQU 0x00008000 CYLS EQU 0x0ff0 ; 设定启动区 LEDS EQU 0x0ff1 VMODE EQU 0x0ff2 ; 关于颜色数目的信息，颜色的位数 SCRNX EQU 0x0ff4 ; 分辨率 X(Screen X) SCRNY EQU 0x0ff6 ; 分辨率 Y(Screen Y) VRAM EQU 0x0ff8 ; 图像缓冲区的起始地址 ORG 0xc200 MOV AL,0x13 ; VGA 显卡 MOV AH,0x00 INT 0x10
MOV BYTE [VMODE],8 ; 记录画面模式 MOV WORD [SCRNX],320 MOV WORD [SCRNY],200 MOV DWORD [VRAM],0x000a0000 ; 取得键盘上的LED灯的状态 MOV AH,0x02 INT 0x16 MOV [LEDS],AL MOV AL,0xff OUT 0x21,AL NOP OUT 0xa1,AL CLI CALL waitkbdout MOV AL,0xd1 OUT 0x64,AL CALL waitkbdout MOV AL,0xdf OUT 0x60,AL CALL waitkbdout [INSTRSET "i486p"] LGDT [GDTR0] MOV EAX,CR0 AND EAX,0x7fffffff OR EAX,0x00000001 MOV CR0,EAX JMP pipelineflush pipelineflush: MOV AX,1*8 MOV DS,AX MOV ES,AX MOV FS,AX MOV GS,AX MOV SS,AX MOV ESI,bootpack MOV EDI,BOTPAK MOV ECX,512*1024/4 CALL memcpy MOV ESI,0x7c00 MOV EDI,DSKCAC MOV ECX,512/4 CALL memcpy MOV ESI,DSKCAC0+512 MOV EDI,DSKCAC+512 MOV ECX,0 MOV CL,BYTE [CYLS] IMUL ECX,512*18*2/4 SUB ECX,512/4 CALL memcpy MOV EBX,BOTPAK MOV ECX,[EBX+16] ADD ECX,3 SHR ECX,2 JZ skip MOV ESI,[EBX+20] ADD ESI,EBX MOV EDI,[EBX+12] CALL memcpy skip: MOV ESP,[EBX+12] JMP DWORD 2*8:0x0000001b waitkbdout: IN AL,0x64 AND AL,0x02 JNZ waitkbdout RET memcpy: MOV EAX,[ESI] ADD ESI,4 MOV [EDI],EAX ADD EDI,4 SUB ECX,1 JNZ memcpy RET ALIGNB 16 GDT0: RESB 8 DW 0xffff,0x0000,0x9200,0x00cf DW 0xffff,0x0000,0x9a28,0x0047 DW 0 GDTR0: DW 8*3-1 DD GDT0 ALIGNB 16
bootpack.c:
void io_hlt(void); void HariMain(void) { fin: io_hlt(); goto fin; }
Naskkfunc.nas:
;naskfunc [FORMAT "WCOFF"] ; 制作目标文件的模式 [BITS 32] ; 制作32位模式用的机械语言 ; 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 ; 实际的函数 [SECTION .text] ; _io_hlt: HLT RET
void io_hlt(void); void HariMain(void) { fin: io_hlt(); goto fin; }
万恶的Makefile:
TOOLPATH = ../z_tools/ INCPATH = ../z_tools/haribote/ MAKE = $(TOOLPATH)make.exe -r NASK = $(TOOLPATH)nask.exe CC1 = $(TOOLPATH)cc1.exe -I$(INCPATH) -Os -Wall -quiet GAS2NASK = $(TOOLPATH)gas2nask.exe -a OBJ2BIM = $(TOOLPATH)obj2bim.exe BIM2HRB = $(TOOLPATH)bim2hrb.exe RULEFILE = $(TOOLPATH)haribote/haribote.rul EDIMG = $(TOOLPATH)edimg.exe DEL = del SHORTCUT = "D:\Program Files\Oracle\VirtualBox\VirtualBox.exe" --comment "OS1" --startvm "a5c4b0e6-e142-4720-98ee-056911204b29" default : $(MAKE) install $(MAKE) run $(MAKE) clean ipl10.bin : ipl10.nas Makefile $(NASK) ipl10.nas ipl10.bin ipl10.lst asmhead.bin : asmhead.nas Makefile $(NASK) asmhead.nas asmhead.bin asmhead.lst bootpack.gas : bootpack.c Makefile $(CC1) -o bootpack.gas bootpack.c bootpack.nas : bootpack.gas Makefile $(GAS2NASK) bootpack.gas bootpack.nas bootpack.obj : bootpack.nas Makefile $(NASK) bootpack.nas bootpack.obj bootpack.lst naskfunc.obj : naskfunc.nas Makefile $(NASK) naskfunc.nas naskfunc.obj naskfucn.lst bootpack.bim : bootpack.obj naskfunc.obj Makefile $(OBJ2BIM) @$(RULEFILE) out:bootpack.bim stack:3136k map:bootpack.map \ bootpack.obj naskfunc.obj echo error # 3MB+64KB=3136KB bootpack.hrb : bootpack.bim Makefile $(BIM2HRB) bootpack.bim bootpack.hrb 0 haribote.sys :asmhead.bin bootpack.hrb Makefile copy /B asmhead.bin+bootpack.hrb haribote.sys haribote.img : ipl10.bin haribote.sys Makefile $(EDIMG) imgin:../z_tools/fdimg0at.tek \ wbinimg src:ipl10.bin len:512 from:0 to:0 \ copy from:haribote.sys to:@: \ imgout:haribote.img install: $(MAKE) haribote.img run : echo Running... $(SHORTCUT) echo Finished clean : -$(DEL) *.bin -$(DEL) *.lst -$(DEL) *.gas -$(DEL) *.obj -$(DEL) bootpack.nas -$(DEL) bootpack.map -$(DEL) bootpack.bim -$(DEL) bootpack.hrb -$(DEL) haribote.sys -$(DEL) *.*~ -$(DEL) *~ echo Finished.
这次更新慢了, 下次争取早一点…
