《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

• 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).

• 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.

• 执行软盘中的内容

  编写Haribote.nas文件如下, 结构很简单:

   fin:
       HLT
       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:

 ; Program
     ORG    0xc200    ; 加载到 0x8200 + 0x4200 – 0x200(启动区没有被读入)
     MOV    AX,
     MOV    ES,AX
     MOV    AX,loaded
     MOV    BP,AX    ; ES:BP = 串地址
     MOV    CX,        ; 串长度
     MOV    AX,0x1301    ;AH = 0x13，AL = 0x01
     MOV    BX,0x000b    ; 页号BH = 0 黑底蓝字 BL = 0x0b
     MOV    DL,
     INT    0x10
     JMP fin
 loaded:
     DB    0x0a, 0x0a
     DB    "Loaded."
     DB    0x0a
     DB    

 fin:
     HLT
     JMP fin 

效果如下, 可以确定我们Haribote.sys里面的代码已经被执行.

• 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    

    ORG    0x7c00    

    JMP    entry
    DB    0x90
    DB    "OS 0.01 "
    DW
    DB
    DW
    DB
    DW
    DW
    DB    0xf0
    DW
    DW
    DW
    DD
    DD
    DB    ,,0x29
    DD    0xffffffff
    DB    "OS ver 0.01"
    DB    "FAT12 "
    RESB            

entry:
    MOV    AX,
    MOV    SS,AX
    MOV    SP,0x7c00
    MOV    DS,AX

    MOV    AX,0x0820    ; 缓存位置 = ES:BX
    MOV    ES,AX
    MOV    CH,    ; 柱面0
    MOV    DH,    ; 磁头0
    MOV    CL,    ; 扇区2

readloop:
    MOV    SI,    ; 记录失败次数

retry:
    MOV    AH,0x02 ; 读盘
    MOV    AL,    ; 一个扇区
    MOV    BX,
    MOV    DL,0x00 ; 驱动器A:
    INT    0x13    ; 调用磁盘中断
    JNC    next
    ADD    SI,
    CMP    SI,    ; 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,
    CMP    CL,    ; 读到18扇区
    JBE    readloop; <= 则跳
    MOV    CL,
    ADD    DH,    ; 换一个磁头
    CMP    DH,
    JB    readloop; <则跳
    MOV    DH,
    ADD    CH,    ; 柱面+1
    CMP    CH,CYLS
    JB    readloop

    MOV    [0x0ff0],CH
    JMP    0xc200

error:            ; 错误提示
    MOV    AX,
    MOV    ES,AX
    MOV    AX,msg
    MOV    BP,AX    ; ES:BP = 串地址
    MOV    CX,    ; 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,
    INT    0x10

fin:
    HLT
    JMP    fin

msg:
    DB    0x0a, 0x0a
    DB    "Load error."
    DB    0x0a
    DB    

    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],    ; 记录画面模式
    MOV    WORD [SCRNX],
    MOV    WORD [SCRNY],
    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,*
    MOV    DS,AX
    MOV    ES,AX
    MOV    FS,AX
    MOV    GS,AX
    MOV    SS,AX

    MOV    ESI,bootpack
    MOV    EDI,BOTPAK
    MOV    ECX,*/
    CALL    memcpy

    MOV    ESI,0x7c00
    MOV    EDI,DSKCAC
    MOV    ECX,/
    CALL    memcpy

    MOV    ESI,DSKCAC0+
    MOV    EDI,DSKCAC+
    MOV    ECX,
    MOV    CL,BYTE [CYLS]
    IMUL    ECX,**/
    SUB    ECX,/
    CALL    memcpy

    MOV    EBX,BOTPAK
    MOV    ECX,[EBX+]
    ADD    ECX,
    SHR    ECX,
    JZ    skip
    MOV    ESI,[EBX+]
    ADD    ESI,EBX
    MOV    EDI,[EBX+]
    CALL    memcpy

skip:
    MOV    ESP,[EBX+]
    JMP    DWORD *:0x0000001b

waitkbdout:
    IN     AL,0x64
    AND     AL,0x02
    JNZ    waitkbdout
    RET

memcpy:
    MOV    EAX,[ESI]
    ADD    ESI,
    MOV    [EDI],EAX
    ADD    EDI,
    SUB    ECX,
    JNZ    memcpy
    RET

    ALIGNB    

GDT0:
    RESB
    DW    0xffff,0x0000,0x9200,0x00cf
    DW    0xffff,0x0000,0x9a28,0x0047
    DW    

GDTR0:
    DW    *-
    DD    GDT0
    ALIGNB     

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 ]            ; 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…