toy OS Kernel (developing)

一个用于学习的玩具级操作系统内核，正在开发中

在我大二的时候，认为实现一个操作系统内核是很酷的事情，但是由于自己的懈怠，这一项目在完成到一半的时候被无限期的搁置了。每当回想起这件事还是觉得有些遗憾，如今我已经毕业，想要重新完成这一项目，希望这次不会再半途而废。 :p

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参考资料

• 《Orange's 一个操作系统的实现》 于渊
• 《汇编语言(第3版) 》 王爽
• Python教程 - 廖雪峰的官方网站

开发环境

• Windows 10 / Windows Subsystem for Linux
• VS Code
• Bochs 2.6.9
• GCC，GNU Make，NASM
• UltraISO 试用版

开发进度与问题记录

2019-8-20

学习了保护模式中的页式存储，即样例代码chapter3/f/pmtest6.asm、chapter3/g/pmtest7.asm和chapter3/h/pmtest8.asm，根据自己的理解完成了protect_mode_test/pmtest_0815.asm并添加了注释。

此程序在protect_mode_test/pmtest_0730.asm的基础上：

• 启用了页式存储
• 通过实模式下的中断读取了内存信息
• 通过切换不同页表，跳转至同一地址处，执行了不同的程序

根据我做实验写的PSwitch中对第560~562行进行注释和不注释分别运行，可以得知，页表在机器运行时会在寄存器中缓存一份，如果不更新cr3，仅更新页表项中的地址，那么页表不会重新加载至寄存器，程序在运行时也无法找到正确的地址

2019-8-13

学习了样例代码chapter3/e/pmtest5.asm，根据自己的理解实现了protect_mode_test/pmtest_0813.asm，并添加了注释。此程序在protect_mode_test/pmtest_0811.asm的基础上实现了两次不同特权级代码段间的跳转，一次从ring0跳至ring3，一次从ring3跳至ring0

2019-8-11

学习了样例代码chapter3/d/pmtest4.asm，根据自己的理解实现了protect_mode_test/pmtest_0811.asm，并添加了注释，此代码在protect_mode_test/pmtest_0802.asm的基础上引入了调用门

• 这里遇到了一个问题：在初始化LABEL_DESC_CODE_DEST描述符时，我将段基址设置成了LABEL_DESC_CODE_DEST，程序跳转到了一个奇怪的位置，而非想要的LABEL_SEG_CODE_DEST处（这一错误我找了几个小时......）

2019-8-08

实现了boot.asm，并添加了详细注释，在实现过程中遇到了一些问题，问题描述和解决方案如下：

• 程序中的一些宏定义我本来不想写死，而是想定义成内存变量，在程序动态计算，但是实现后发现这样会导致引导扇区大于512B，无奈只能像书中一样写死

• boot.asm第181行必须空一行，否则nasm编译后总是将182行的压栈语句忽略，不知道为什么，我真是无奈

• 不理解boot.asm中的384行到391行，原因是对FAT项的表示产生了一些误解

  前提：

  三个字节包含两个FAT项，每个FAT项占12位；

  两个字节包含一个完整FAT项的值，偶数项取前两个字节，奇数项取后两个字节

  问题描述：

  我一开始认为FAT项应该这么看：

  LOW	0	1	2	3	4	5	6	7	HIGH
  BYTE1	0	1	2	3	4	5	6	7
  BYTE2	8	9	A	B	0	1	2	3
  BYTE3	4	5	6	7	8	9	A	B

  FATEntry1（偶）: byte1[0到7] 和 byte2[0到3]

  FATEntry2（奇）: byte2[4到7] 和 byte3[0到7]

  这样表示数据确实没有错，但是计算机中右移是将数据从高位移至低位，这样看容易让自己误解右移的方向是由低位到高位，因此我当时认为应该是偶数FAT项右移4位，奇数FAT项保留低12位

  解决方案

  后来发现，这样看FAT项，更符合计算机存储数据的方式

  HIGH	7	6	5	4	3	2	1	0	LOW
  BYTE1	7	6	5	4	3	2	1	0
  BYTE2	3	2	1	0	B	A	9	8
  BYTE3	B	A	9	8	7	6	5	4

  FATEntry1（偶）: byte1[0到7] 和 byte2[0到3]

  FATEntry2（奇）: byte2[4到7] 和 byte3[0到7]

  根据小端法：

  偶数FAT项需要读取前两个字节并取后12位

  奇数FAT项读取后两个字节并右移四位

第四章结束，下一次继续回到前面复习第三章。（继续枯燥:p）

2019-8-05

由于第三章是学习性质的章节，对我来说太枯燥了。因此我决定先暂停第三章的学习，开始第四章，为我的内核做一些真正的工作。书中第四章实现了一个启动扇区，目的是将Loader.bin从文件系统为FAT12的软盘中读至内存，并跳转至Loader.bin

• 学习了FAT12文件系统
• 独立实现了ReadSector函数，此函数的功能为读取软盘扇区到目标地址处，详见boot.asm
  • 软盘存储数据按照如下顺序：0号盘面的0号磁道，1号盘面的0号磁道，0号盘面的1号磁道...，以此类推
• 实现了DispStr函数，此函数能够在显示器上输出一些信息，详见boot.asm
• 完成了一部分boot.asm

2019-8-03

• 理解了样例代码chapter3/c/pmtest3.asm，根据自己的理解实现了protect_mode_test/pmtest_0802.asm，并添加了注释，此代码在protect_mode_test/pmtest_0730.asm的基础上引入了LDT（保护模式的学习什么时候能结束啊！！！！！）

• 用Python实现了一个第四章中的简易的二进制查看器xxd.py，用法如下：

  # ./xxd.py [每行的字节数] [目标文件被查看的起始地址（16进制）] [被查看字节数] [目标文件]
  ./xxd.py 16 0x2600 512 x.img #每行字节数为16，目标文件被查看的起始地址为0x2600，被查看的字节数为512，目标文件为x.img

  功能非常简单，大部分的时间用在调输出格式上了 :p

2019-8-01

• 再次复习了一些汇编语言知识
• 学习了样例代码chapter3/b/pmtest2.asm，此代码从实模式跳至保护模式，向内存地址为5M的内存空间处写入了一些数据，又从保护模式跳回了实模式，我照着书实现了一遍，并根据自己的理解实现了protect_mode_test/pmtest_0730.asm，并为代码添加了注释
  • 为啥从保护模式跳至实模式要将所有段寄存器赋值为SelectorNormal，答案见：关于从保护模式切换到实模式的相关说明
• tips：针对在FreeDos系统下运行我们编写的程序时，无法使用bochsdbg对程序进行调试问题的解决办法
  • 在我们想设置断点的地方加上jmp $
  • 进入FreeDos，运行程序，此时程序进入无限循环
  • 在运行Bochs的命令行中按Ctrl + C，暂停程序运行
  • 在运行Bochs的命令行中键入set $eip=addr，addr为当前eip中的内容+2
  • 即可对程序进行单步调试

2019-7-29

• 复习了一些汇编语言知识
• 学习了样例代码chapter3/a/pmtest1.asm，此代码实现了从实模式跳转至保护模式，并结合自己的理解实现了protect_mode_test/pmtest_0727.asm，并添加了注释
• 理解了保护模式下的寻址方式

2019-7-27

• 继续搭建Windows下的开发环境
  • 安装Windows Subsystem for Linux
    • 步骤
      • 在Windows 10设置中开启开发人员模式
      • 在Windows应用商店中搜索Linux，选乌班图下载
      • 在cmd中运行bash
    • 更换阿里云软件源：Ubuntu18.04下更改apt源为阿里云源
    • 安装build-essential软件包和NASM
  • 书中需要使用freedos运行二进制程序，可在WSL下无法挂载软盘，只能在Windows中使用软碟通打开软盘，bximage生成的软盘镜像软碟通又无法读取，只能把程序放在freedos.img中，明天再看看有没有更好的解决方法
• 尝试学习保护模式和书中所附代码chapter3/a/pmtest1.asm，同时照着书实现了一遍（我写的dd.py还挺好用:p），见protect_mode_test/pmtest_0727.asm，这里发现自己以前学过的汇编语言忘得七七八八了。实模式下的寻址，堆栈是如何压栈和出栈的，显存的地址，这些东西几乎都忘了，后面可能要再看看

2019-7-26

• 开始《Orange's 一个操作系统的实现》

• 搭建了部分Windows下的开发环境

  • 安装Bochs 2.6.9
    • 调试模式和Linux版本的Bochs有一些区别，Windows下调试模式是一个独立的程序bochsdbg.exe
    • 调试模式的命令：bochs2.6.9 配置文件详解.和相关调试到虚拟机运行
  • 将Bochs的安装目录添加进了环境变量Path中，以便直接使用

• 用Python实现了一个简易的引导扇区写入工具dd.py，用法如下：

  # ./dd.py [被写入文件] [目标镜像文件]
  ./dd.py boot.bin a.img # boot.bin为引导扇区内容，a.img为软盘镜像

• 实现了第一章中的引导扇区

  • 这里遇到了大端法小端法问题，boot_0726.asm中定义了最后两个字节的内容为0xaa55，编译出的boot_0726.bin大小为512字节，其中第511字节的内容为0x55，第512字节的内容为0xaa，而我使用的是Intel CPU，因此Intel CPU的数据存储方式为小端法 (这一认知似乎对我完成后面的工作并没有什么卵用 :p)