30天自制操作系统:第三天进入32位模式并导入C语言

2023-12-13 09:04:57

今天的内容稍稍有点多，一起看看吧

1.制作真正的IPL

到昨天为止，讲到的启动区虽然也称为IPL(Initial Program Loader，启动程序装载器)，但它实质上并没有装载任何程序。
小节中作者给出了将之前的 hello-os 改名为 "纸娃娃操作系统" 的深意：用纸糊起来的，笔者将其理解为目前还有太多功能没有实现，只能是一个看起来像操作系统的东西。

从简单的程序开始，磁盘最初的512字节是启动区，所以要装载下一个512字节的内容。看第一段程序 harib00a:
JC指令
jump if carry，如果进位标志(carry flag) 是1的话，指令就执行(完成跳转)

对于指令 INT 0x13，这里是调用BIOS的0x13号函数，函数作用如下图：
BIOS中断调用–百度百科

↑截自百度百科

图中也说明了当AH = 0x02时为读盘动作，其中0x13号函数的功能如下：

AH = 0x02（读盘）
AH = 0x03（写盘）
AH = 0x04（校验）
AH = 0x0c（寻道）
AL = 处理对象的扇区数（只能同时处理连续的扇区）
CH = 柱面号 & 0xff
CL = 扇区号（0 ~ 5位） | (柱面号&0x300) * * 2
DH = 磁头号
DL = 驱动器号
ES:BX = 缓冲地址（校验及寻道时不使用）
返回值
FLAGS.CF == 0 没有错误，AH = 0
FLAGS.CF == 1 有错误，错误号码存入AH内（与重置(reset)功能一样）

FLAGS.CF是什么意思？光看意思也能够理解个大概：进位标志。
因此这里就明晰了JC指令的使用，如果出错，进位标志CF会被设置为1，进而跳转到error程序段。

在多个软盘驱动器的时候，用磁盘驱动器号来指定从哪个驱动器的软盘上读取数据。这里指定0号。

软盘的结构示意图：

一张软盘有80个柱面，2个磁头，18个扇区，一个扇区有512字节，所以一张软盘的容量为：
80 x 2 x 18 x 512 = 1 474 560 Byte = 1 440KB

含有IPL的启动区，位于C0-H0-S1（柱面0，磁头0，扇区1的缩写），下一个扇区是C0-H0-S2，本次要装载的就是这个扇区。

如果没有汇编基础，那么肯定有这样一个疑惑：如果单纯只用寄存器(16位)来表示内存地址，那么最大可以表示的地址为0xFFFFH，一共10000H = 64KB，显然我们对此并不满足，因此有了后来的EBX寄存器(32位)，这样能够处理的空间大小变成了2 ^ 32 B= 4 GB，但在此BIOS阶段，用不着这么大的空间，所以只需要使用段寄存器来拓展即可。

段寄存器:通用寄存器 的组合能够访问到最多 FFFF:FFFFH即 (FFFF) * 16 + FFFF H = 1 114 095字节，也就是说可以指定1MB以内的内存了。

这里指定 ES = 0x0820, BX = 0, 软盘的数据会被装载到0x8200 ~ 0x83ff(一共512字节）的地方，使用0x8200的原因是这一块区域没有程序使用，可以将我们的操作系统装载到这片区域，

注：0x7c00 ~ 0x7dff用于启动区，0x7e00以后直到0x9fbff为止的区域都没有特别的用途，操作系统可以随便使用。

双击 !cons_nt.bat 文件 >>> 输入make完成文件编译 >>> 再次输入 make run 运行操作系统

2.试错

由于是机械型存储介质，发生一些硬件错误也是难免的，有时会发生不能读数据的状况，所以应该设计程序重复读几次盘，实在不行那就只能放弃然后打印错误信息来告知程序员这块出错了。

改良后的harib00b程序：

JNC指令的含义与JC相反，jump if not carry，意为没有进位则发生跳转。JAE，jump if above or equal，意思是大于或等于时跳转。

程序中给出了较为详细的注释，看几遍应该可以理清楚。

3.读到18扇区

harib00c程序：

慢慢理解本程序：
首先是JBE指令，jump if below or equal，意思是小于等于则跳转。
程序做的事情很简单，要读下一个扇区，只需要给CL加1，ES加上0x20就行了。CL是扇区号，这里有一点疑惑是在换扇区读盘时只加上了0x20H = 32Byte，前面有提到过，一个扇区的大小为512字节，按理来说每次读完一个扇区偏移地址需要偏移0x200，这里作者给出的是0x20，解释如下：

笔者认为这块可能是作者写错了（狗头保命，有待求证）

这里为什么要循环呢，笔者初次读到程序也是这么想的，我们已经知道自己的目标是18扇区，那么直接将AL的值设置为17（连续读前2 ~ 18 共 17个扇区）不就好了吗。

确实，这么想是没问题的，但是作者查阅了BIOS读盘函数说明的“补充说明”部分：

这一部分暂且到这，只需要明白使用AL = 17 一次完成效果也是一样的，但为了章节推进，这里不做详细讲解。

到此，我们已经把磁盘上C0-H0-S2到C0-H0-S18的512 x 17 = 8704字节的内容，装载到了内存的0x8200 ~ 0xa3ff处。

4.读入10个柱面

C0-H0-S18扇区的下一扇区，是磁盘反面的C0-H1-S1，这次也从0xa400读入，按顺序读到C0-H1-S18后，接着读下一个柱面C1-H0-S1，一直读到C9-H1-S18。

harib00d程序：

JB指令：jump below，意思是如果小于，就跳转。
程序起始位置的EQU指令：相当于C语言的 #define，进行宏定义。
“CYLS EQU 10”意思是：“CYLS = 10”，EQU是equal的缩写（CYLS为cylinders的简写：柱面）。

5.着手开发操作系统

编写了一个非常小的程序：

fin:
	HLT
	JMP fin

通过作者提供的makefile文件做成了一个img文件，按照指示用二进制编辑器打开 haribote.img:

↑ 0x002600附近

↑ 0x004200附近

再打开haribote.sys，可以惊奇地发现：

与img文件中0x004200附近的内容是一样的，作者是想让我们知道：
一般向一个空软盘保存文件时，

文件名会写在0x002600以后的地方
文件的内容会写在0x004200以后的地方

接下来就是将操作系统本身的内容写到 haribote.sys 中，再把它保存到磁盘中，最后从启动区执行这个文件就可以了。

6.从启动区执行操作系统

7.确认操作系统的执行情况

这里详细介绍了画面模式，先看一下本次的 haribote.nas文件：

设置了AH = 0，然后调用了0x10中断：

INT 10h
显示服务 - 由BIOS或操作系统设定以供软件调用。AH=00h 设定显示模式；AH=01h 设定游标形态；AH=02h 设置游标位置；AH=03h 获取光标位置与形态；AH=04h 获取光标位置；AH=05h 设置显示页；AH=06h 清除或滚动栏画面(上)；AH=07h 清除或滚动栏画面(下)；AH=08h 读取游标处字符与属性；AH=09h 更改游标处字符与属性；AH=0Ah 更改游标处字符；AH=0Bh 设定边界颜色；AH=0Eh 在TTY模式下写字符；AH=0Fh 获取当前显示模式；AH=13h 写字符串。

可以发现这里调用了显卡BIOS的函数，这样就可以切换到显示模式了。