自制操作系统(一) Hello, OS World!

今天开始学习自制操作系统课程，任务是搭建实验环境和简单了解汇编基础语法。本次使用环境版本如下：

Ubuntu 23.10
VScode 1.84.2
VirtualBox 7.0.6

如果使用Windows环境建议安装msys2或WSL，以便在Windows中使用Linux命令工具。

安装nasm汇编工具

# ubuntu安装nasm汇编编译器
sudo apt install nasm
# 也可以在Windows+msys2环境中使用pacman包管理器安装
# pacman -S nasm
nasm -v
# 显示版本表示安装完成
NASM version 2.16.01

创建项目

mkdir -p ~/Code/myOSCode
cd ~/Code/myOSCode
touch hello.asm
# vscode 打开编辑编辑如下汇编程序
code hello.asm

org 07c00h ; 告诉编译器程序将装载至0x7c00处

    mov  ax, cs
    mov  ds, ax
    mov  es, ax  ; 将ds es设置为cs的值（因为此时字符串存在代码段内）
    call DispStr ; 显示字符函数
    jmp  $       ; 死循环

DispStr:
    mov ax, BootMessage
    mov bp, ax          ; es前面设置过了，所以此处的bp就是串地址
    mov cx, 16          ; 字符串长度
    mov ax, 01301h      ; 显示模式
    mov bx, 000ch       ; 显示属性
    mov dl, 0           ; 显示坐标（这里只设置列因为行固定是0）
    int 10h             ; 显示
    ret

BootMessage: db "Hello, OS world!"
times 510 - ($ - $$) db 0 ;前510字节减去被使用的空间,剩余空间写入0
db 0x55, 0xaa ; 确保最后两个字节是0x55AA,才能被识别为可启动文件

这是一段简单的系统启动程序，占用磁盘的前512字节，功能是在屏幕上输出"Hello,OS World!"

编译程序并制作启动盘

# 将源文件编译为二进制程序
nasm hello.asm -o hello.bin
mkdir -p ~/VM/myOS/demo1/
# 使用dd命令将程序创建虚拟软盘并写入大小为512字节的启动程序
dd if=~/Code/myOSCode/hello.bin of=~/VM/myOS/demo1/mydisk.img  bs=512 count=1

使用VirtualBox注册该软盘

找到虚拟软盘的路径并完成注册。

创建虚拟机

系统类型为Other其他

内存大小为64M以内

不添加磁盘，之后再设置。

再设置->存储->添加控制器->I82078(软盘)

在软盘控制器中添加注册好的软盘

启动虚拟机显示Hello, OS World!

汇编

由于操作的系统的启动程序都是由汇编语言实现的，所以需要掌握基础的汇编知识。汇编语言与CPU指令集是对应的，不同指令的CPU的汇编语言也不同。目前主流架构的CPU有：

X86架构 1978年诞生于英特尔，之后由英特尔和AMD共同研发，是复杂指令集架构CPU，分为x86(32位)和amd64(64位)，目前还是PC主流架构。
ARM架构 1985年ARM项目正式启动，它一款低功耗精简指令集（RISC）的CPU，目前是移动端的主流架构。
Power架构 1990年由IBM研发的精简指令集（RISC）架构，主要用于大型服务器和超算。
RISC-V架构 RISC-V（发音为“risk-five”）是一个基于精简指令集（RISC）开源指令集架构（ISA）。该项目2010年始于加州大学伯克利分校。
LoongArch架构 2020年，龙芯中科基于二十年的CPU研制和生态建设积累推出了龙架构（LoongArch™）龙芯架构 LoongArch 是一种精简指令集计算机（RISC）风格的。龙芯架构分为 32 位和 64 位两个版本，分别称为 LA32 架构和 LA64 架构。

x86汇编指令

在汇编中，x86指令通常的助记符形式为：

# Intel语法表示的指令如下，目的操作数在前面：
助记符  目标地址,源地址
mov     ax,cs ;将段寄存器cs中的值赋值给累加器ax

助记符是人类可读的机器指令表示，源地址和目标地址是指令的操作数。如汇编指令mov rbx,rax就是将寄存器rax的值赋给rbx。注意并非所有的指令都有两个操作数，有些指令甚至没有操作数。

常见的x86指令

数据传输

mov dst,src ;将src赋给dst
xchg dst1,dst2 ;互换dst1和dst2
push src ;将src压栈，并递减rsp
pop dst ;出栈赋给dst，并递增rsp

算术

add dst, src ;dst +=src
sub dst, src ;dst –= src
inc dst ;dst += 1
dec dst ;dst –= 1
neg dst ;dst = –dst
cmp src1, src2 ;根据src1−src2设置状态标志位

逻辑/按位

and dst, src ;dst &= src
or dst, src ;dst |= src
xor dst, src ;dst ˆ= src
not dst ;dst = ~dst
test src1, src2 ;根据src1 & src2设置状态标志位

无条件分支

jmp addr ;跳转到地址
call addr ;压入返回地址到栈上，然后调用函数地址
ret ;从栈上弹出返回地址，然后跳转到该地址
syscall ;进入内核执行系统调用
跳转分支（基于状态标志位）jcc addr仅在条件cc成立时才跳转到该地址，否则进入jncc相反条件，在条件cc不成立时跳转
je addr / jz addr ;如果设置ZF零标志位则跳转（如当上一个cmp中的操作数相同时）
ja addr ;上一次比较中，如果dst大于src则跳转（无符号）
jb addr ;上一次比较中，如果dst小于src则跳转（无符号）
jg addr ;上一次比较中，如果dst大于src则跳转（有符号）
jl addr ;上一次比较中，如果dst小于src则跳转（有符号）
jge addr ;上一次比较中，如果dst大于等于src则跳转（有符号）
jle addr ;上一次比较中，如果dst小于等于src则跳转（有符号）
js addr ;上一次比较中，如果结果为负则跳转，符号位置1

杂项

lea dst, src ;将内存地址加载到dst中，（dst=&src，其中src必须在内存）
nop ;空指令，不执行操作（用作代码填充）

首先，需要注意mov这个词并不准确，因为从技术上来讲不是将源操作数移动到目的操作数，而是对其进行复制，但是源操作数保持不变。其次，关于栈管理和函数调用，push和pop指令具有特殊意义。

通用寄存器

AX，BX，CX，DX称作为数据寄存器 AX (Accumulator)：累加寄存器，也称之为累加器；
BX (Base)：基地址寄存器；
CX (Count)：计数器寄存器；
DX (Data)：数据寄存器；
SP 和 BP又称作为指针寄存器 SP (Stack Pointer)：堆栈指针寄存器；
BP (Base Pointer)：基指针寄存器；
SI 和 DI又称作为变址寄存器 SI (Source Index)：源变址寄存器；
DI (Destination Index)：目的变址寄存器；
控制寄存器 IP (Instruction Pointer)：指令指针寄存器； FLAG：标志寄存器；
段寄存器 CS (Code Segment)：代码段寄存器； DS (Data Segment)：数据段寄存器； SS (Stack Segment)：堆栈段寄存器； ES (Extra Segment)：附加段寄存器；

Z笔记

左老师的课堂笔记