操作系统开发入门，第一部分

• 下载交叉编译器

引言

1. 环境设置
2. C++ 支持代码和控制台
3. 描述符表和中断
4. 实时时钟、可编程中断定时器和键盘控制器

如果你正在阅读这篇文章，那么你很可能想了解更多关于如何创建自己的操作系统。首先你需要知道的是，不可能在几篇文章中涵盖所有内容。我将介绍一些基础知识，但你需要知道如何研究和查阅技术文档，才能真正理解你的操作系统是如何工作的。还在读吗？很好。那么，让我们开始吧。

关于操作系统开发（OSDev）你需要了解的首要一点是，你真的要从零开始，并且与裸硬件打交道。你可能会遇到硬件本身的 Bug，以及在意想不到的地方出现的不一致。这里没有标准的库，也没有 .NET Framework。你只能靠自己。 

首先，你需要了解你正在创建什么，以及控制权是如何交给你的。奇怪的是，计算机开机时的状态并没有一个明确的定义标准。唯一能真正保证的是，执行将从引导扇区开始，它位于可引导存储介质的开头，加载到 0x7C00 地址，长度为 512 字节，并且文件末尾有一个签名 0xAA55。这通常是用汇编语言编写的。为了节省时间，我们将使用 GRUB（Grand Unified Bootloader）。它为我们提供了一个标准化的计算机状态作为基础。

GRUB 使计算机进入以下状态：

• 保护模式
• A20 Gate 已启用
• EBX 包含指向 Multiboot 信息结构的指针
• EAX 包含值 0x2BADB002
• 分页关闭
• 堆栈位于内存中的某个位置
• 中断已禁用

我将逐一介绍这些。保护模式允许内核开发者访问每个虚拟地址空间高达 4GB 的内存，并引入了“环”的概念。稍后你会找到更多关于这些的信息。A20 Gate 是一个位于键盘控制器附近的老式线路。它最初是为了兼容 8086 而设计的，当禁用时，任何试图访问超过 1MB 内存的尝试都会被环绕到内存的开头。

Multiboot 信息结构确实是一个非常棒的东西。它告诉我们很多关于系统的信息，例如程序信息（如果你想加载符号表进行调试）、内存映射、GRUB 可能加载的模块、引导设备以及其他信息。完整规范可以在这里找到。

Multiboot 魔术值在很大程度上是一个安全机制。通过将值与必需值进行比较，你可以看到内核是否由符合 Multiboot 标准的引导加载程序加载。这很不错，但不是特别有用。分页是一个非常复杂的主题，我在这里不深入探讨。可以肯定的是，它允许你为每个进程提供自己的地址空间，该地址空间已映射到物理内存地址。它还可以防止进程使用特权级别改写内核内存。

特权级别，也称为处理器环，是一种基于硬件的保护机制，通常与保护模式一起使用。它阻止在特定环中执行的代码执行特权指令，如 HLT、CLI 和 STI。当遇到这些指令时，会引发通用保护故障，OS 必须以适当的方式处理。

堆栈是这里的主要问题。它可能位于可用内存中的任何位置。目前没问题，但当分页和多任务处理激活时，大多数内核可能会重新定位它。你可能会发现它很有趣，因为它是向下增长的，所以理论上可以覆盖内核代码。

中断已关闭。这是一件好事，因为你还没有处理它们的必要基础设施。当你构建这个基础设施时，你将能够响应来自键盘、鼠标、网卡、时钟等硬件的请求。当中断发生时，正常的程序流程会被挂起，你提供的 CPU 的偏移量指向的函数将被调用（实际过程稍微复杂一些，但这只是大致原理）。当中断被确认后，正常的程序流程将继续。

环境

现在理论知识已经到位，我们可以开始构建工具链了。这是一个相当简单的过程，但你不会使用微软的编译器；主要是因为它们无法生成 GRUB 可以加载的 ELF 文件。

为了编译和使用工具链，你需要 Cygwin 环境。它本质上是一个模拟层，允许我们在 Windows 下编译和使用符合 POSIX 标准的软件。安装此软件时，请确保安装 GCC、NASM、Make、Bison、GenIsoImage 和 Flex。这些将使我们能够编译源代码。

交叉编译器是一种普通的编译器，在一个系统上运行，但生成在另一个系统上运行的可执行文件。我们的编译器将是 GCC 版本 4.2.4 和 NASM 版本 2.02。为了支持这些编译器，我们还需要 Binutils 版本 2.18。Binutils 基本上是一组信息工具和低级编译器，提供了编译所需的低级基础设施。

为了节省时间，你可以从本文的网页下载所有必需的编译器。但是，如果你想自己编译它们，请参阅这里的说明。我不会详细介绍。 

如果你按照 OSDev Wiki 上的说明进行操作，那么你的编译器目录将已添加到 PATH 环境变量中。我们也需要这样，所以将 zip 文件中的所有编译器解压到 *C:\Cygwin\usr\cross\bin*，并将其添加到上述环境变量中。这意味着你不再需要为交叉编译器指定完整路径，从而节省时间。 

如果一切顺利，你现在就拥有了一个工作的交叉编译器。它仍然需要一些调整来去除操作系统相关的 `#includes`，但这已经足够了。查看 *C:\Cygwin\usr\cross\bin*。那里有一整套可执行文件，但这里是主要的几个及其功能：

AS	GCC 的汇编代码编译器。我们将使用 NASM，但 GCC 会坚持使用这个。
G++	C++ 编译器。GCC 应该会自动转交。
GCC	我们的主要编译器。它将所有内容编译成汇编代码，然后将其传递给 AS。
LD	链接器。它会去除未使用的引用并生成最终的可执行文件。

一个重要的注意事项是，交叉编译器的任何部分都无法在 Cygwin 之外运行——它们会抱怨缺少 *cygwin1.dll*。

现在你已经拥有了将源代码完全链接成独立文件的工具。接下来需要的是能够实际打包运行这个文件。传统上，我们会将文件复制到虚拟软盘，并使用 Virtual PC 或 Bochs 等模拟器。然而，随着光存储的出现，我们现在可以将编译好的内核放入 CD 镜像（ISO 文件）中。然后，我们就可以直接从它启动。

我们需要的第一件事是 GRUB（除非你想挑战一下，自己编写一个可以解析文件系统的 Multiboot 兼容引导加载程序）。要获取它，只需下载这个文件，并将“*stage2_eltorito*”文件复制到将包含 CD 镜像解压内容的文件夹中。

这是一个非常重要的步骤：确保你有一个非常明确的文件夹结构。没有它，你将很难组织你的代码，并将头文件与实际源代码分开。此外，使用 genisoimage 会更加困难，你将要设置的 make 文件也会过于复杂。

要制作 ISO 镜像，你需要我在前一段中提到的那个明确的文件夹结构。你还需要一个 Cygwin 自带的程序，名为 genisoimage。在我们开始之前，你需要一个将被复制到 ISO 镜像中的目录。为了简单起见，我们称之为 *IsoSource*。当我们从它启动时，GRUB 会将其视为 CDROM 驱动器。在 *IsoSource* 内部，你需要两个目录，一个在另一个里面。第一级目录必须名为 *boot*，其内部应有一个名为 *grub* 的目录。*grub* 目录应包含“*stage2_eltorito*”文件，以及一个“*menu.lst*”文件。

为了更容易理解，此图代表了你需要的目录结构

“*menu.lst*”是 GRUB 解析的菜单文件。一个标准的菜单文件将有两行；一行指定内核的标题，另一行包含路径。在我们的例子中，*menu.lst* 文件将如下所示：

title TutorialKernel
kernel /kernel

这个文件本身解释得很清楚，但它的文档位于这里。正如我们所见，第一行简单地指定了标题，它将显示在要加载的操作系统列表中，第二行提供了内核文件的相对路径。你可以很容易地创建一个更复杂的配置文件，它会缩短菜单的超时时间或添加模块（加载到内存中并传递给内核的文件），但这些是你真正需要的。

生成镜像

现在我们已经整理好了文件夹结构，只需生成 ISO 镜像。我们使用的命令类似这样：

genisoimage -R -b boot/grub/stage2_eltorito -no-emul-boot -boot-load-size 4 
-boot-info-table -o "ISO Image/Compressed image.iso" "ISO Image/IsoSource"

快速浏览一下这些参数是有益的。我将逐个解释。

-R	生成 Rock Ridge 信息
-b	下一个文件路径包含引导镜像
-no-emul-boot	不要尝试模拟软盘
-boot-load-size	下一个参数包含一次加载的扇区数
-boot-info-table	向 ISO 镜像添加一个信息表
-o	下一个文件路径是输出文件
“ISO Image/IsoSource”	这是最后一个参数，它告诉 GenIsoImage 在哪里找到目录结构。

只要你的目录结构完全正确，它就会生成一个 ISO 镜像，你可以从中启动真实计算机或虚拟机。

现在，这只是将所有东西组合起来的问题。简而言之，要从源代码创建内核，我们需要：

1. 使用 NASM 和 i586-elf-g++ 编译所有 ASM 和 CPP 文件。
2. 使用我们的专用链接文件和 i586-elf-ld 将生成的 *.o 文件链接成一个文件。
3. 将该文件复制到 ISO 镜像的源文件夹。
4. 使用上述参数运行 GenIsoImage。

任务分解后，我们可以轻松地使用 Makefile。我将其留给读者作为练习；请记住，你必须按照给定的确切顺序执行这些步骤。不要弄混！

现在，你可能想测试你的内核。为此，我们使用虚拟机。最好在多个虚拟机上进行测试——不同的机器具有不同的功能，并且对你的代码的反应也不同。我的电脑上安装了 Bochs 和 Microsoft Virtual PC；Bochs 用于图形调试功能，Virtual PC 用于实时模拟。

我在这里不介绍如何设置 Virtual PC 镜像；你可以自己很容易地做到。我们的内核目前可以在任何设置下运行，所以这不是很重要。唯一的怪癖是，你可能还不需要虚拟硬盘文件——你还没有办法使用它。

另一方面，Bochs 则完全不同。有数百个选项可以让你按照需要设置配置。这些选项可以手动输入，也可以从文本文件中加载。你可以在这里下载 Bochs；只需安装它。

安装完成后，你可以第一次运行它。你会看到一个命令行窗口和一个标有“Bochs Start Menu”的窗口。在这里，你实际创建配置文件。我将介绍你可能想要使用并觉得有用的选项。

日志文件	非常有用。如果你的操作系统有问题，它会为你提供大量信息。将文件名设置为一个你可以轻松访问的位置，可能在你的项目目录中。
CPU	如果你在检查处理器识别函数，你会发现在这里检查结果很有用。
内存	你可以在这里更改客户操作系统使用的内存量。非常有帮助，同样重要。
磁盘和引导	最重要的一部分。通过在这里摸索，你可以为模拟添加一个 CD 驱动器，该驱动器从 ISO 镜像加载数据。最后一个主要选项卡“引导选项”也允许你指定引导顺序。
其他	这允许你启用端口 0xE9 技巧。基本上，你向这个端口写入一个值，然后在 Bochs 中触发一个断点。非常适合调试。

然而，图形界面只能带你到这里——它似乎没有启用图形调试器的选项。将你选择的选项保存到 BXRC 文件，并在记事本中打开该文件。应该有一行以“display_library”开头。将该行更改为“display_library: win32, options="gui_debug"”。现在你已经设置好了 Bochs 来使用图形调试器，并且有一个 ISO 镜像可以从中引导。现在你只需要一些代码来编译和运行！

我说过不止一次了：你没有标准库。C++ 仅在你不使用异常或运行时类型信息（RTTI）的情况下才受支持。你必须设置编译器，使其在链接时避免引用这些内容，因此你需要添加多个命令行选项。没有内置的内存分配，所以你需要实现自己的 NEW 和 DELETE 运算符。

编译器选项的一般格式如下：

i586-elf-g++ -W -Werror -Wall -Wpointer-arith -Wcast-align 
-Wno-unused-parameter -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -fno-exceptions
-c “Input file” -o “Output file” 

以“W”开头的每个参数都是一个警告。如果你在指针算术和类型转换对齐方面犯了一些错误，它会警告你。Werror 会将所有警告视为错误，以防止你忽略错误。

现在我们只需将所有内容组合起来。无论你使用批处理文件还是 Makefile，都由你决定；我个人推荐使用 Makefile，因为它具有可扩展性，可以随着你创建新文件而扩展。这是基本模板：

i586-elf-g++ -W -Werror -Wall -Wpointer-arith -Wcast-align 
-Wno-unused-parameter -nostdlib -fno-builtin -fno-rtti -fno-exceptions -c
“Main.cpp” -o “Main.o”

i586-elf-ld –T “Link.ld” –o “kernel” “Main.o”

cp “kernel” “ISO Image/IsoSource”

genisoimage -R -b boot/grub/stage2_eltorito -no-emul-boot -boot-load-size 4 
-boot-info-table -o "ISO Image/Compressed image.iso" "ISO Image/IsoSource"

然后，瞧！你的内核已经编译、链接、复制并压缩。从该 ISO 镜像启动 Virtual PC，你的代码就会被执行。现在你唯一需要的就是一些代码来编译！你可以在下一篇文章中找到这段代码的起点，链接如下。  

下一篇：C++ 支持代码和控制台