文章简介
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操作系统CASMx86
2025-03-15
前言
笔者上个月受到朋友激励，决心通过自己编写操作系统内核来学习操作系统，截至本文起稿，笔者已经初步完成了内核态的实现，故将相关内容总结为系列文章，聊表纪念。
我们的计算机生活离不开操作系统，现如今，我们如同呼吸一般理所当然的使用Windows、Linux、macOS等操作系统，然而，鲜少有人关注到这些操作系统背后的原理。想要了解操作系统的幕后工作，我们就必须知道它的职责，这时，我们自然而然地会引出一个疑问——操作系统在计算机中扮演者什么样的角色？
对于特定的用户任务来说，它并不关心自己的内存从哪里来、自己需要的数据如何从外部设备中传入、自己如何与其他程序共享CPU时间，它应当只关心自己的业务逻辑。但很不幸的是，在裸机编程中没有人为他管理这些资源，用户不得不亲手管理这些资源，这虽然有可能能够达到最佳的性能，但无疑增加了开发难度，降低了开发效率。
我们可以认为操作系统是一个资源代理，用户进程不需要关系自己的资源从哪里来，如何分配，它只需要在需要时向操作系统申请资源。这里的资源包括计算机能够提供的各种资源，如内存、CPU、硬盘、网络等。从这个角度来说，操作系统就是一个资源管理器，其目的是为所有用户进程提供清晰的资源抽象。
操作系统职责
想象一下，我们现在要实现一个最小操作系统，第一步一定是要列出我们的TODOS，问题来了，我们都需要完成什么？
我们知道操作系统是一个资源管理器，那么，为了管理这些资源，我们最起码要完成以下任务：
- 中断管理：中断是CPU响应事件的机制，操作系统需要管理中断以实现任务调度、异常处理、系统调用和设备驱动等功能。
- 内存管理：内存是计算机中的稀缺资源（相比硬盘来说），操作系统需要管理内存以实现高效的内存分配和回收。
- 任务管理：单核CPU中，理论上同时只能运行一个程序，操作系统需要通过任务调度实现多个程序“同时运行”。
- 文件系统：硬盘容量虽然比内存要大，但其存储的内容也比内存要多，操作系统需要实现文件系统以合理地管理硬盘资源。
至于网络管理，这是另一个宏大的话题，我们暂时不讨论。
操作系统的启动
我们知道了我们都需要实现什么功能模块，但我们仍然有一个问题，计算机启动时是如何进入操作系统的？
在i386架构中，计算机复位时会在CS:IP中装入固定的数据，无论如何，最终都会导向一个固定的地址0xffff0，这个地址包含了如下指令：
在Intel手册中，
CS:IP复位后的值为0xf000:0xfff0，但在一些非标准架构中可能有所不同，但无论如何，最终都会导向0xffff0。
ea 5b e0 00 f0这实际是一条ljmp指令，它将跳转至0xf000:0xe05b，这个地址是BIOS的入口地址。
等等，说了这么多，我们没有解决一个问题——BIOS是什么？
Basic Input/Output System （BIOS）
BIOS是计算机启动时首先加载的程序，它是我们操作系统的跳板，在操作系统启动之前，负责初始化一些操作系统启动需要的硬件资源，包括显示接口、硬盘接口等。
同时，BIOS还负责我们操作系统的启动，它将我们的操作系统的第一个扇区（通常称为MBR，前0x200字节）加载至内存，并跳转至该扇区的入口地址。
在实模式中，我们能够操作的内存空间只有1MB，下面是实模式的内存布局：
0x00000 - 0x003ff : BIOS 中断向量表
0x00400 - 0x004ff : BIOS 数据区
0x00500 - 0x07bff : 可用内存
0x07c00 - 0x07dff : MBR扇区
0x07e00 - 0x9fbff : 可用内存
0x9fc00 - 0x9ffff : BIOS 扩展数据区
0xa0000 - 0xaffff : 用于彩色显示适配器
0xb0000 - 0xb7fff : 用于黑白显示适配器
0xb8000 - 0xbffff : 用于文本显示适配器
0xc0000 - 0xc7fff : 显示适配器BIOS
0xc8000 - 0xeffff : 映射硬件适配器的 ROM 或内存映射式 I/O
0xf0000 - 0xfffff : 系统 BIOS从图中我们可以知道，MBR会被加载至0x7c00。
MBR
BIOS会检查所有存储器的第一个扇区，如果第一个扇区的前0x200字节符合MBR格式，则将其加载至内存，并跳转至0x7c00。
一个MBR扇区由其最后两个字节标识，这两个字节必须为0x55aa，否则BIOS会认为该扇区不是MBR，BIOS会检查所有硬盘，并找到第一个符合MBR格式的扇区进行引导。
实际上读者会发现，这样的启动流程是及其简陋的，在这种环境下，双系统甚至多系统引导是及其困难的（即便一些现代的BIOS支持）。因此，现代的操作系统通常使用
multiboot协议来引导，MBR只负责引导一个引导程序（例如GRUB），引导程序再通过multiboot协议引导操作系统。
我们的工作
从上文我们了解了操作系统的职责和引导流程，我们很容易就能总结出我们这一阶段的工作：
- 实现引导程序：实现
MBR和loader，引导操作系统内核。 - 实现操作系统内核：实现我们上面提到的中断、内存、任务、文件系统等模块。
从下一章开始，我们会依序实现这两个部分。
工具链
很抱歉我们直到最后才提到工具链，因为笔者认为，对于导论来说，工具链是最不重要的那部分，但对于工程来说，工具链的一致性是一切的前提，因此，你必须确保系统中安装了以下工具：
gcc：用于C/ASM源文件的编译，支持GNU C Extension和c23标准gdb：用于调试make：任意Makefile实现，用于工程管理qemu-system-i386：用于运行虚拟机
Nix
如果读者使用的发行版是NixOS，或者任何安装了Nix包管理器的系统，那么你可以使用笔者提前准备好的flake来安装这些工具，详见仓库Ordos，这也是笔者目前的内核代码仓库。
鸣谢
感谢Charliechen114514对笔者提供的一切帮助，欢迎阅读由他编写的CCOperateSystem，这是一份非常优秀的操作系统实现，并且有丰富的文档支持。
感谢项目tinyos，笔者从中参考了内存管理实现。