怎样使用C语言开发操作系统

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怎样用C语言写操作系统 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。 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。 @echo off set PATH=e:\masm615\bin;e:\msvc15\bin; set AS=e:\masm615\bin\ml.exe set AFLAGS=/AT /W3 /X /Gd /Zp1 /nologo set CC=e:\msvc15\bin\cl.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:\masm615\bin; set AS=e:\masm615\bin\ml.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80x86系列cpu的强大功能。 欢迎提出宝贵意见:[email protected]

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