30天自制操作系统

进入32位模式并导入C语言

制作真正的IPL

该部分主要是对第二天结尾内容的深入。上一次简单介绍了如何制作启动区，但只是制作了一个空的框架，其中并未装载任何程序，在这一部分中，会给这个“空壳”真正装载进程序。因为最初的512字节是启动区，所以要从下一个512字节的内容开始装载程序。提供的harib00a中的文件打开，可以发现添加的内容仅有如下一段代码：

1、指令与标志：
 JC：跳转指令的一种，“jump if carry”，即如果进位标志（carry flag）为1，就跳转。
 “INT 0x13”：调用BIOS的0x13号函数，经过查找可得到如下内容：
磁盘读、写，扇区校验，以及寻道
AH=0x02；（读盘）
AH=0x03；（写盘）
AH=0x04；（校验）
AH=0x0c；（寻道）
AL=处理对象的扇区数；（只能同时处理连续的扇区）
CH=柱面号&0xff；
CL=扇区号（0-5位）|（柱面号&0x300）>>2；
DH=磁头号；
DL=驱动器号；
ES:BX=缓冲地址；（校验及寻道时不使用）
返回值：
FLACS.CF=0：没有错误，AH==0
FLAGS.CF=1：有错误，错误号码存入AH内（与重置reset功能一样）
由代码可知，此处使用的是AH=0x02，所以这里是“读盘”操作。
 FLAGS.CF：进位标志，如果调用函数后无错误，则进位标志为0；若有错，则进位标志为1；
进位标志：一个只能存储1位信息的寄存器，本来表示有无进位，这里用来报告BIOS函数调用是否有错误；
标志：一位寄存器；
2、软盘结构
软盘结构示意图如下：

 柱面：由外向内（0-79）的一圈一圈圆环状的区域。这并非软盘的生产方式，而是我们将它作为数据存储媒体，这样组织它的数据存储方式。
 磁头：针状的磁性设备。区别与光盘，软盘磁盘是两面都能记录数据的。因此有正反两面两个磁头，其中正面是磁头0号，反面是磁头1号。
 扇区：由于柱面作为单位进行读写过大，所以我们将“圆环”等分成18份（软盘），每一份称为一个扇区（1-18）。
综上，1个软盘有80个柱面，2个磁头，18个扇区，一个扇区512字节，因此软盘容量：
80218512=1440KB
含IPL的启动区位于C0-H0-S1，因此我们想要装载的扇区是C0-H0-S2。
3、缓冲区地址
即为从软盘上读出的数据装载到内存中的内存地址。在EBX出现之前，使用的是辅助作用的段寄存器。
段寄存器地址表示方式：
MOV AL,[ES:BX]，代表：ES16+BX的内存地址（先用ES指定大致地址，再用BX确定其中一个具体地址）；
在内存地址中，0x7c00-0x7dff用于启动区，0x7e00之后直到0x9fbff为止，操作系统可随意使用。
4、段寄存器
只要指定内存地址，必须同时指定段寄存器。如果省略的话会把“DS：”作为默认段寄存器。之前出现过的“MOV AL,[SI]”其实是“MOV AL,[DS:SI]”的意思。因此，DS必须被预先指定为0，否则会引起混乱，读写到其他地方。（不是0的话需要加上这个非零数的16倍）。
5、程序测试
将文件夹harib00a复制到tolset中，运行前文件夹文件如下：

打开!cons_nt文件，键入命令如下：

命令实现后会调用模拟器，并出现以下结果：

证明程序运行成功，无错误发生。此时观察文件夹，我们没有输入make img的指令，但文件夹中出现了img文件，这也证实了day02中Makefile一部分中提到的，直接输入make run指令会默认先生成img文件后再执行下一行操作。若想恢复到原来文件夹的样子，可以选择打开!cons_nt文件并键入make src_only指令后，即可恢复至源文件。

试错

 背景情况：软盘不可靠，时常会发生无法读盘的情况，这时再读几次就可以了，但如果尝试读取的次数太多，磁盘损坏，程序就会陷入死循环，因此我们设置为只读取五次，如果不成功则放弃。
 改进代码：（harib00b）

 代码解读：
JNC：一种跳转指令，“jump if not carry”的缩写，即当进位标志为0则跳转；
JAE：一种跳转指令，“jump if above or equal”的缩写，即当大于等于时跳转；
在retry部分，重新读盘之前，进行了如下操作：
AH=0x00，DL=0x00，INT=0x13，
根据BIOS可知，该操作为“系统复位”，其功能为：将软盘恢复初始状态，准备下一次的重新读取。

读到18扇区

 新的代码
这一部分我们选择继续读取软盘中的内容，新的读取代码如下：

 代码解读
JBE：一种跳转指令，“jump if below or equal”的缩写，即小于等于的时候跳转。
程序要读取到18扇区，那么就在代码中设置一个一个按顺序读取。其中，CL指扇区号，ES指读取地址，因此只需将CL+1，ES+0x20即可。ES的读取地址加0x20，其中的0x20是16进制下的512位。（这里仅仅为了练习ES寄存器的加法操作，但其实用BX加减更加方便）
使用循环的原因：如果不使用循环，直接将AL赋值为17，则可以直接将2-18扇区进行连续的读取，结果不会发生变化，但这种不采用循环的方法会在之后的程序中出现问题，因此为了成功过渡，这里采用循环的模式进行编写。
 运行结果：
运行的最终结果看起来毫无变化，但我们已经把软盘中C0-H0-S2到C0-H0-S18的8704个字节写入到0x8200-0x83ff中。结果如下：

读入10个柱面

 新的代码：
上一部分我们读取了18个扇区，这一部分我们继续读取，通过调整代码来实现对1-9号柱面的读取，代码增加部分如下：

 代码解读：
JB：一种跳转指令，“jump if below”的缩写，即小于时跳转。
EQU：用来声明常数，相当于C语言中的#define，代码中的语句“CYLS EQU 10”相当于“CYLS=10”，是“equal”的缩写。（CYLS代表cylinders）
程序运行后与之前无异，但程序已经用从软盘读取的数据填充了内存0x08200-0x34fff的范围。
 跳转语句分析：
第一个跳转语句：“CMP CL,18 JBE readloop”
这一语句代表在CL（扇区）小于等于18时跳转到readloop继续循环，程序开头是从0-0-2（三个数字分别代表柱面、磁头和扇区，下同；扇区从2开始是因为0-0-1中是启动区的部分，启动区代码开机自动写入磁盘，该部分的代码就是启动区代码，因此从存储其他内容的第二扇区开始）开始读取，读到0-0-18跳出循环。
第二个跳转语句：“CMP DH,2 JB readloop”
这一语句代表DH（磁头）小于2时跳转到readloop继续循环，这一语句是控制正反两个磁头的读取，因为当前循环之前还经历了第一个循环，且上一个循环结束时读到0-0-18，所以DH=0+1=1反转到另一面，即从0-1-1开始读取，到0-1-18跳出循环。
第三个跳转语句：“CMP CH,CYLS JB readloop”
这一语句代表CH（柱面）小于CYLS（10）时跳转到readloop继续循环，这里是控制读取的柱面数量（通过定义变量CYLS的大小来控制）。当前循环前包含了前两个完整的循环，且上一个循环结束时读取到0-1-18，即0号柱面已经读取完毕，所以当前循环是从1-0-1开始读取，读到9-1-18跳出循环。
综上，这一部分代码的跳转情况主要分为三个阶段：
第一阶段：控制扇区 0-0-2到0-0-18
第二阶段：控制磁头 0-1-1到0-1-18
第三阶段：控制扇区 1-0-1到9-1-18

着手开发操作系统

之前我们已经完成了启动区的制作，接下来就开始开发操作系统，首先编写一个短小的程序，只让它HLT，程序代码如下：

写好之后保存为haribote.nas，用nask编译后输出成为haribote.sys，并将这个文件保存到磁盘映像haribote.img中，这一步的具体操作如下：
1、 使用make install指令，将磁盘映像文件写入磁盘；
2、 在Windows中打开磁盘，将haribote.sys保存到磁盘上；
3、 使用工具将磁盘备份为磁盘映像。
这些操作的起始点都是磁盘映像，就考虑不借助磁盘和Windows，直接将haribote.sys保存到磁盘映像中，可以完成这样工作的工具有很多，如edimg.exe即可。
 具体执行
1、 make img制作映像文件后并用二进制编辑器打开
2、 找到0x002600和0x004200附近，截图如下：
0x002600附近：（文件名）

0x004200附近：（F4 EB FD）

3、 二进制编辑器打开haribote.sys，查看内容如下：

发现0x004200附近的内容刚好是haribote.sys文件中保存的内容。
综上，可以总结出：
向一个空软盘保存文件时：
1、 文件名会写在0x002600以后的地方；
2、 文件的内容会写在0x004200以后的地方。
下面要做的任务就是将操作系统本身的内容写到名为haribote.sys文件中，保存到磁盘映像里，再从启动区执行这个文件即可。

从启动区执行操作系统

因为是将磁盘上的内容装载到内存中0x8000号地址，因此要执行磁盘中0x4200位置的内容，就应该位于内存中的0x8000+0x4200=0xc200号地址。
这样就在haribote.nas中加上ORG 0xc200（把程序装载到内存中的指定地址），然后在ipl.nas处理最后加上JMP 0xc200（启动区跳转到指定程序）。
运行结果无变化，下面即测试haribote.sys是否真的执行了。

确认系统的执行情况

本次的文件通过切换页面模式来验证，本次的代码如下：

设置AH=0x00，调用BIOS函数，这样来切换显示模式。因为查找网站可知，当AL=0x13时，是调用了VGA图形模式，3202008位彩色模式，调色板模式，这里8位色彩模式可以使用256种颜色。
 预期结果：切换正常的话，可以看到画面变成一片漆黑，则证明画面发生变化，程序可以正常运行。
 修改解释：
1、 ipl.nas变为ipl10.nas：提示柱面读取数量为10
2、 将CYLS的值写入内存地址0x0ff0：将磁盘装载内容的结束地址告诉haribote.sys，于是在“JMP 0xc200”前写入该命令。
 运行结果：证明程序运行无误。

32位模式前期准备

因为32位模式存在很多的优点与便利性，因此后续的C语言编译会采用32位模式而非16位模式，但32位不能调用BIOS，所以要在进入32位模式前进行前期准备，将BIOS有关的部分全部放在开头，即我们的32位模式前期准备（因32位返回16位过于麻烦，所以不予使用）。
画面模式设定结束后，还要从BIOS中得到键盘状态（指NumLock是ON还是OFF等这些状态）。修改后的haribote.nas程序如下：

该段程序不但对画面模式进行了设置，还把画面模式的信息保存在了内存里面（以备后用）。
VRAM：指的是显卡内存，即用来显示画面的内存。VRAM的各个地址都对应着画面上的像素，可利用绘制图案。不同的画面模式可以使用的内存也不一样，因此我们要预先把要使用的VRAM地址保存在BOOT_INFO内备用。（具体查看说明中当前画面模式下的地址）
另外我们还把画面的像素数、颜色数以及从BIOS取得的键盘信息都保存起来，位置为内存0x0ff0附近。（之后切换为32位模式后无法调用BIOS函数，因此要在切换之前将所有内容存储，以备后用，0x0ff0处做内核中断，因此为切换的末尾处，用来存储这些数据。）
9、开始导入C语言
准备就绪后直接切换到32位模式，然后运行C语言的程序
 Asmhead.nas：该文件是haribote.nas修改后得到的，因为现在的代码，前半部分是汇编语言写成的，后半部分则是用C语言写成的，因此修改文件名加以区分。并且为了调用C语言写的程序，添加了100行左右的汇编代码。
 C语言程序：bookpack.c，具体内容如下：

goto指令相当于汇编语言中的JMP，实际上也是被编译成JMP。
 文档结构图（详见第一次节点考核）
 各类文件解释：
.c：C语言文件
.gas：gas汇编语言用的源文件
.nas：nask汇编语言用的源文件
.obj：目标文件（机器语言）
.bim：二进制映像文件
 各种文件类型转换工具：
“cll.exe”：C编译器，将C语言程序编译成汇编语言源程序；
“gas2nask.exe”：把gas文件转换为nask文件的程序（其他的2.exe文件解释同上）
10、实现HLT（harib00j）
为了解决程序耗电的问题，需要想办法让程序处于HALT状态，首先编写了下面的程序：

在nask目标文件模式下，必须设定文件名信息，然后写明下面程序的函数名，要在函数名前面加上“_”，否则不能很好的与C语言函数链接，需要链接的函数名，都要用GLOBAL指令声明。下面写个实际的函数：

make run之后发现程序运行正常，功能实现。