HIT_OS_Basic

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此系列博文用来记录 MOOC 上自学哈工大操作系统课程（由李治军老师授课）时的笔记。

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这一节课主要是老师说明学习课程的目的和本课程的要求。另外，就是在实验楼熟悉下实验环境。

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这一讲老师主要是在说明电脑接通电源后在做些什么事情。

关于组成计算机的五大部件（这又是老生常谈了）：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器。
计算机的工作方式：取指执行，“指”实际上指的是指针，这个指针指向的是位于内存中的命令。这个概念应该贯穿了整个操作系统的设计。

熟悉一下实验楼的基本操作：

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# 解压文件

$ cd oslab
$ tar -zxvf hit-oslab-linux-20110823.tar.gz -C /home/shiyanlou/

# 编译内核
$ cd linux-0.11
$ make all   # all 可省略，有时需要先 make clean 


# 运行内核
$ cd ~/oslab # 需要再 run 这个脚本文件所在的目录下
$ ./run  # 执行这条命令后会出现 Bochs 的窗口

# 汇编调试
$ cd ~/oslab # 同样需要在这个目录下
$ ./dbg-asm 
# 可以使用 help 来查看调试系统的命令

# C 语言调试，需要使用两个窗口。
# 第一个窗口
$ cd \~/oslab
$ ./dbg-c

# 第二个窗口
$ cd \~/oslab
$ ./rungdb

# 文件交换

$ cd ~/oslab
$ sudo ./mount-hdc # 先挂载
$ cd hdc
$ ls -l
# 此时看到的文件就是 hdc-0.11.img 这个镜像文件内的文件
$ cd ~/oslab
$ sudo umount hdc # 读写完毕后要卸载

# 1. 注意不要在读写内核文件时运行内核，也不要在运行内核时读写内核内的文件
# 2. 关闭 Bochs 之前，要先执行一下 `sync` 保存一下

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这一讲老师主要讲了操作系统启动时做的两件事：

  1. 读入系统
  2. 完成初始化

具体如何进行需要借助代码分析。

Experiment 1

实验项目 1 的主题是控制系统的启动，主要包含的内容：

  1. 阅读《Linux 内核完全注释》的第 6 章，对计算机和 Linux 0.11 的引导过程进行初步的了解；
  2. 按照下面的要求改写 0.11 的引导程序 bootsect.s
  3. 有兴趣同学可以做做进入保护模式前的设置程序 setup.s。

改写 bootsect.s 主要完成如下功能：
bootsect.s 能在屏幕上打印一段提示信息“XXX is booting…”，其中 XXX 是你给自己的操作系统起的名字，例如 LZJos、Sunix 等（可以上论坛上秀秀谁的 OS 名字最帅，也可以显示一个特色 logo，以表示自己操作系统的与众不同。）

改写 setup.s 主要完成如下功能：

  1. bootsect.s 能完成 setup.s 的载入，并跳转到 setup.s 开始地址执行。而 setup.s 向屏幕输出一行”Now we are in SETUP”。
  2. setup.s 能获取至少一个基本的硬件参数（如内存参数、显卡参数、硬盘参数等），将其存放在内存的特定地址，并输出到屏幕上。
  3. setup.s 不再加载 Linux 内核，保持上述信息显示在屏幕上即可。

改写 bootsect.s

这个任务比较容易，因为老师上课的时候大致上讲过了，所以只需要按照老师给的提示来完成就行了。
先把实验环境按照上个实验的步骤弄好，解压文件。

先找到 bootsect.s

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$ cd linux-0.11/boot/
$ ls
$ vim bootsect.s

进入 bootsect.s 的编辑页面后能看到 Linus 91年写下的说明，充满了年代感。
映入眼中的全是汇编代码，对于不懂汇编的人来说有点难受。不过没关系，找到指定位置然后修改就行。

首先，要修改的文本的位置是在 bootsect.s 文件内的 244 - 247 行处（直接找就行了）：

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msg1:
        .byte 13,10
        .ascii "Loading system ..."
        .byte 13,10,13,10

改为自己喜欢的即可，这里我们改为：color_os is booting ...。
接着我们还需要在修改一下要显示的字符个数，那么该如何找到代码位置呢？可想而知，这段字符串是要在开机的时候显示的，也就是说，开机后的光标干的第一件事情就是显示这串字符，那只要找到读入光标的位置就行了（其实也可以直接用 vim 的搜索功能找到与 msg1 相关的地方就可以了）。

接下来要修改的位置是在 98 行处：

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mov    cx,#24

上面的这个24实际上就是之前Loading system ...加上 3 个换行符、3 个回车符的和。这里，数一下修改后的字符个数，应该改为 29。

这样就差不多了，来尝试编译运行一下:

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$ cd linux-0.11
$ make all

没有错误提示就可以尝试运行了。

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$ cd ~/oslab
$ ./run

观察结果可以发现已经改成想要的结果了。
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Review

这里我们按照老师给的提示在完成一下这个实验。
根据老师的提示，可以写出 bootsect.s 最终的源码：

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entry _start
_start:

! read cursor pos
    mov ah,#0x03 ! ah need to be set as 03, so the bios interruption can check it 
    xor bh,bh
    int 0x10

! print the message we set
    mov cx,#29
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg1
    mov ax,#0x07c0
    mov es,ax   ! es need to be set
    mov ax,#0x1301
    int 0x10

inf_loop:
    jmp inf_loop

msg1:
    .byte 13,10
    .ascii "color_os is booting ..."
    .byte 13,10,13,10

.org 510

boot_flag:
    .word 0xAA55

这里再来简单解释一下这段汇编代码（毕竟没学过汇编，就当学汇编了），entry是汇编代码中的伪指令，用来指示汇编程序的入口，显然，在上述代码中，它告诉 cpu 程序的入口是 _start。!后面的内容就是注释，mov、xor这样的“标识符”在汇编里面叫做操作码，后面紧跟的就是操作数，二者之间用空格隔开，操作数之间用,隔开。

bios 0x10 中断根据 ah 的不同的值来发挥不同的功能（其他 bios 中断可能也有）。不同功能需要的输入与返回都是不想同的，这部分的内容的疑问可以查询老师给的手册上的注释，也可以直接查 bios 中断的手册。

之所以要改动寄存器 es 的值，是因为 0x10 中断规定了 es:bp 是字符串的首地址（也就是起始位置），也就是说，只有 bp 的值是无法让机器显示字符串的。

info_loop是利用 jmp 指令设置的一个循环，这条指令会让机器一直执行这个循环。如果没有这条指令，机器就会去寻找下一个能启动的设备。

.org也是汇编中的伪指令，它告诉 cpu 下面的语句从地址 510 处开始执行，相比原本的内核代码，这里舍弃掉了root_dev，所以需要将地址设置为 510，这样当我们将磁盘引导扇区（共 512 字节）的最后两个字节设置为 0xAA55 时，机器读取到这里就会知道这个扇区是引导扇区了（是如何读的，这里就不解释了）。最后的 boot_flag就是启动标志的字面意思了，可想而知，后面跟的就是 0xAA55。可以猜测一下，这几行代码应该是后续工作做的准备。

搞定源码后，就可以开始编译内核运行检查一下运行结果了。以 Linux 为例，进入linux-0.11/boot目录下要编译和链接 bootsect.s 就要执行下面的命令：

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as86 -0 -a -o bootsect.o bootsect.s
ld86 -0 -s -o bootsect bootsect.o

别急着去运行内核，先用ls -l命令检查下编译好的文件的大小。可以发现，bootsect 的文件大小是 544 字节，但是引导程序必须要正好占用一个磁盘扇区，即 512 字节。造成多了 32 个字节的原因是 ld86 产生的是 Minix 可执行文件格式，这样的可执行文件除了文本段、数据段等部分以外，还包括一个 Minix 可执行文件头部，而这个文件的头部正好多了 32 个字节。

在 linux 下需要将文件大小改为 512 字节，也就是删掉头部，所以需要借助命令：

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dd bs=1 if=bootsect of=Image skip=32
cp ./Image ../Image

之后在 oslab 目录下，运行 run 脚本：

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$ ./run

就可以得到这样的结果：
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改写 setup.s

先分析一下要求：

  1. 利用 setup.s 向屏幕输出一行“Now we are in SETUP”
  2. 利用 setup.s 获取基本硬件参数，这个内核本身就已经读了内存数
  3. setup.s 不再加载 linux 内核，保持上述信息显示在屏幕上即可，这里可能会用到中断

先看第一条要求，这个跟前一个任务完成得事情是类似的，需要找到光标位置，然后打印即可。

尝试了一下，将 bootsect.s 内与光标和打印文字相关的代码抄到了 setup.s 这个文件对应读光标的位置，结果并不顶用。突然想到，是不是打印完一行字符后再将光标位置移动到行首呢？于是又在抄过来的代码下面补上了读光标位置的代码，结果还是不行，果然，不懂汇编，单纯的靠 Ctrl + C/V，还是不行，索性看下老师给的提示。

看了老师的提示，才发现老师讲的“改写”跟我理解的“改写”含义不是一样的。老师是直接从新写一个能完成任务的 bootsect.s 和 setup.s 文件，而我是直接改现成文件，水平过低，过低，2333。
不过回过头来想一下，如果只是单纯完成实验，那么确实不需要读取那么多系统信息，也不需要系统完全启动，只要显示了需要的东西即可。既要显示文本，又要内核完好的启动，反而需要的知识量更多，这对初学者而言反而是不利的。好吧，理直气壮的安慰了自己，下面在按照老师给的思路来做一下。

根据老师给出的思路，可以很容易的完成这个实验的第一个任务，具体请看上文 Review。

下面我们首先让 setup.s 完成第一个子任务：向屏幕输出“Now we are in SETUP”。这个任务与 bootsect.s 干的事情很类似，事实上，我们还真的就只需要将前面下好的 bootsect.s 抄过来再修改一下就好了，改好后：

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entry _start
_start:
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#25
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg2
    mov ax,cs
    mov es,ax
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
inf_loop:
    jmp inf_loop
msg2:
    .byte 13,10
    .ascii "Now we are in SETUP"
    .byte 13,10,13,10
.org 510
boot_flag:
    .word 0xAA55

因为 es 的值在 bootsect.s 已经改过了，所以这里要改回来，直接借助 cs 这个段寄存器。至于为什么能借助 cs 段寄存器达到我们的目的，是因为 cs 是保存微处理器执行代码的内存段，cs（代码段寄存器）持有段的起始位置，也就是我们需要的 0x07c0。这里，也不得不说，怪不得 cpu 里面要搞这么多寄存器的，其实都是用的着的，就是着实难记😓。还有一个需要注意的地方，就是 bootsect.s 已经用过 msg1 这个标识符了，这里需要用 msg2 了。

在编译 setup.s 之前，还需要做一件事情，那就是让 bootsect.s 读入 setup.s。那么如何读入 setup.s 呢？其实就是使用 0x13 中断，可以发现到目前位置我们都是通过 bios 中断在达到我们想要的结果。现在看来，bios 中断就像是可供使用的一个工具一样（事实上，它本身就是如此）。

那么跟着老师的思路，我们可以得到修改后的 bootsect.s 的源码：

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SETUPLEN=2
SETUPSEG=0x07e0
entry _start
_start:
    mov ah,#0x03
    xor bh,bh
    int 0x10
    mov cx,#29
    mov bx,#0x0007
    mov bp,#msg1
    mov ax,#0x07c0
    mov es,ax
    mov ax,#0x1301
    int 0x10
load_setup:
    mov dx,#0x0000
    mov cx,#0x0002
    mov bx,#0x0200
    mov ax,#0x0200+SETUPLEN
    int 0x13
    jnc ok_load_setup
    mov dx,#0x0000
    mov ax,#0x0000
    int 0x13
    jmp load_setup
ok_load_setup:
    jmpi 0,SETUPSEG
msg1:
    .byte 13,10
    .ascii "color_os is booting ..."
    .byte 13,10,13,10
.org 510
boot_flag:
    .word 0xAA55

再来简单解释一下这段代码，0x13 中断对 ah、al、bh、bl、ch 和 cl 的值有要求，所以在调用它之前，要先得到我们想要的值。在 linux-0.11 的 bootsect.s 文件中，SETUPLEN 的值为 4，代表了 4 个扇区，这里我们只读 2 个，所以 SETUPLEN 的值在开头设置为 2。jmp load_setup是在末尾设置的循环，如果载入失败就会从头开始。

载入成功后，会跳转执行 setup.s。此时，需要先搞清楚 setup.s 在哪里，通过前面调用 0x13 中断可知我们将 setup.s 放在了 0x07c0 的后 2 个扇区。而 bootsect.s 本身占 1 个扇区，所以 SETUPSEG 需要设置为 0x07e0，就是 0x07c0 加了 512 字节（1 个扇区）后的地址，这样就完成了从 bootsect.s 到 setup.s 的跳转。

源码完成后就可以编译运行检查结果了。但现在有 2 个文件需要编译、链接。如果都手动编译，就太慢了，所以借助 Makefile 是最佳方式。

进入linux-0.11目录后，使用下面命令：

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make BootImage

此时会看到下面的错误：

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Unable to open 'system'
make: *** [BootImage] Error 1

有 Error！这是因为 make 根据 Makefile 的指引执行了tools/build.c，build.c 是为生成整个内核的镜像文件而设计的，而我们却只需要编译 bootsect.s 和 setup.s 。它在向我们要 “系统” 的核心代码。为完成实验，需要给它打个小补丁。

build.c 的工作原理从命令行参数得到 bootsect、setup 和 system 内核的文件名，将三者做简单的整理后一起写入 Image。其中 system 是第三个参数（argv[3]？）。当make all或者makeall的时候，这个参数传过来的是正确的文件名，build.c 会打开它，将内容写入 Image。而make BootImage时，传过来的是字符串 none。所以，改造 build.c 的思路就是当 argv[3] 是 none 的时候，只写 bootsect 和 setup，忽略所有与 system 有关的工作，或者在该写 system 的位置都写上 “0”。

要达到上述效果，我们只需要将 build.c 中第 178 - 190 行注释掉即可。

然后再进入到~/oslab/linux-0.11目录下，执行下面的命令：

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make BootImage
../run

就可以得到下面的结果：
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可以发现这个结果跟之前 bootsect.s 产生的结果是类似的，原因就是因为这里的 setup.s 完全就是复制的 bootsect.s。

现在，再来解决最后一个任务：利用 setup.s 获取硬件参数，保存并输出到屏幕上，且不再加载内核。

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