前言

本系列博文主要用于第二阶段深入了解的408专业内容考研使用。也就是说在开启本系列之前，最好已经对408有基本的了解。重复的基础概念将不在重复，此外，本系列博文，将同时虽然本系列位操作系统学习系列，但是同时会完成C语言程序设计与数据结构的复习运用。

本系列将结合王道考研为大纲导航，结合《30天自制操作系统》等优秀图书，一步一步将书中的内容进行巩固并使用汇编和C语言完成简单的操作系统设计。在本系列当中，博主本人也就在不断记录学习过程当中的内容，因此在系列结束之前，可能还会有很多不准确的部分，请见谅！

此外，本文也是需要基于Intel CPU完成操作，AMD 在这里 no.

操作系统基本概述

那么在开始之前，我们先介绍了一下基本的操作系统的概念。首先的话，我们需要明确操作系统为我们提供了什么东西。

首先操作系统为我们提供了几个基本的管理：

内存管理
设备管理
文件管理
处理机管理

同时我们知道，操作系统有几个基本的特性：

并发
异步
虚拟
共享

如果，没记错的，这个应该就是王道考研里面第一章节的内容。这里我就不多说了，书上比我讲得更加详细。
那么在这里我更多的是想要做补充。

中断

操作系统为我提供了程序接口，这个程序接口是由一系列的系统调用构成的，同时对于系统调用，例如读写文件，这个时候，还会触发中断，进行IO操作。这个都是第一章节的内容，我们都知道，为什么会触发中断，是因为，这个IO操作是进行了系统级别的，内核级别的调用。那么实际上的话，流程是正确的，但是这个部分的实现其实是非常重要的一个基础。在后面进行实际实现操作系统的细节的时候，我们将经常提到实模式和保护模型。但是这里关于中断的话，我们先不管不管那么多，我只是想说明，这个中断是非常重要的一个机制之一。

此外，值得一提的是，中断是在硬件层次上也是支持的。对于Ring0,1,3 当中这个其实在CPU当中是支持的。在我们的这个保护模式下面，我们通过DRT将实现对这部分的处理。

与硬件的基本交互

还是那句话，在阅读本文之前，我们期望你已经对操作系统有了大致了解，在这里也确实推荐王道考研的操作系统，虽然偏向刷题，但是有些概念解释的还是很不错的，至于其他的是这个系列的博文要描述的，这里再次声明。
在这里插入图片描述

通过计算机组成原理我们知道，对于CPU而言，他里面有ALU，CU，运算和逻辑控制单元。同时内部还有很多的寄存器。例如常见的八个寄存器：

AX：累加寄存器
BX：基地寄存器
CX：计数寄存器
DX：数据寄存器
SP：栈针寄存器
BP：基栈寄存器
SI：源地址寄存器
DI：目标地址寄存器
CS：状态寄存器

（注意，这里的几个寄存器是2个字节的，同时这个是在实模式下面使用的。实模式下面是16位的，在保护模式下面是32位的）

当然在CPU当中还有很多寄存器。同时，在这里有一个非常重要的概念，我们需要粗暴的知道。在计算机组成原理里面我们知道，对于不同的设备我们都是有编址的。我们对不同设备的操作，其实是通过改变这些地址里面的值来完成的，也就是说，我们通过寄存器，来访问地址，操作地址的值，我们就可以完成对基本设备的控制。

当然这里我们需要明确的一点就是。我们在这里面大部分的编程工作是通过控制CPU来完成的。当我们需要控制，例如键盘，屏幕的时候，是通过寄存器，修改里面的数据来控制的。所以说，当我们在初期实现的时候，需要和汇编进行一定的交互，已完成对硬件的基本控制。当然这里值得庆幸的是，硬件厂商提供了良好的接口，或者说是Intel和硬件厂商有良好的约定。

基本地址

前面我们刚刚说到，那就是，我们通过CPU完成基本的程序控制，同时，我们通过找到设备地址，然后通过寄存器操作里面对应的值来完成对设备的控制（接下来我们举一个输出Hello World的例子）

所以，在这里，我们明确一个概念，那就是，计算机的本质其实就是对不同位置的数据进行不同的操作罢了。只是我们通过不同的规定，让计算机呈现出缤纷多彩的世界。比如，一个exe文件是一串二进制代码，一个jpg图片也是，但是他们的效果完全不同。

因此，我们明确了地址的重要性，同时，对于设备也是类似的，设备也有地址，如前面说到，我们要控制他们就需要通过寄存器操作，而寄存器里面有那个地址，或者数据。因此，为了能正常调用设备，我们还需要约定一些地址。
比如这个：
在这里插入图片描述

地址概念

之后是地址的概念，其实在我们的操作系统当中，所使用的都是逻辑地址，一个程序的执行，我们从物理地址，拉取到数据，然后放在内存当中，在操作系统当中有很重要的一点，那就是，我们需要让应用程序，认为他是在是独占CPU的，从逻辑地址0到逻辑地址100，假设有一个程序是这样写的，那么实际上在物理上他可能是从0x6000 - 0x6545 等等。所以的话，很多考题有一个地址换算的题目。同时我们还要知道，cpu在运算的时候呢，我们是使用二进制的，但是在操作系统表示的时候呢，我们使用的是16进制。16进制有个好处，第一它可以很容易表示十进制里面很大的数，同时不会浪费太多的空间，之后，16进制转换2进制非常方便。

此外这里再次强调了，我们需要先阅读王道考研的操作系统书本，对它有个基本了解，因为，我们这边其实是和王道考研里面的内容不一样的。实际上，我们需要先从磁盘开始，从磁盘拉取到我们的程序，然后加载，等等，直到我们的操作系统当中需要处理程序的时候，我们需要考虑到，多道程序的设计，并发，共享。经常考的pv操作，置换算法，轮换算法等等。

启动流程

这个应该就是在王道考研当中，第一章的内容。接下来我们先简单介绍一下。

首先，在启动的时候，我们会启动Bios,在bios里面我们会找到操作系统Boot下面的mbr,然后通过mbr,去加载到我们的loader程序，之后通过loader去加载到系统内核。那么mbr就是我们的一个引导。通过，引导，我们将完成后续的操作。那么问题来了，为什么我们要先mbr->loader->keneral 原因很简单，在bios里面，给我们的空间只有512byte，这显然不够一个系统的启动，内核的启动。

所以我们需要通过这个流程完成启动操作。

他们的大概流程其实就是这样的：
在这里插入图片描述

这个过程当中，我们将cpu的执行转移到了操作系统

应用程序与操作系统的关系

很好，终于到了这一个我需要补充的概念了。

我们直到，一个程序，例如这段程序。

#include<stdio.h>
int main(){
	printf("Hello world");
	return 0;
}

我们可以将，这段代码编程可执行文件.exe在底层的时候是翻译为bin二进制文件进行执行的。.exe文件将可以在windows系统当中执行。

那么实际上，我们知道，操作系统其实本质上就是一个特殊的软件，那么如果我们写的软件，也可以放在BIOS启动的时候，cpu的执行转移到我们的程序上，那么是不是也意味着，我们的软件也可以和操作系统一样。实际上，这个叫特殊的”操作系统“也是可以的。但是，实际上的情况是，我们启动软件，还是通过操作系统完成的，而不是刚刚说到，如果是刚刚说的那个样子的话，那么操作系统似乎也没啥作用了。

那么实际上一个程序完整的程序（win）是这样的：
在这里插入图片描述
所以说，我们如果想要实现一下我们的操作系统的话，我们必须要提供对应的程序依赖接口，是的，我们还需要定义我们的操作系统的可执行文件。这个其实和浏览器很想，我们的一个个程序，其实相当于一个个网页，网页里面的程序需要依赖浏览器展示效果，通过v8引擎完成解析。同样的我们的操作系统也是一样的。

那么回到我们刚刚的程序。
我们通过C语言实现输出”Hello Word“ 是如此简单。
实际上，我们是调用了 stdio.h 相当于python的包是吧，它里面提供了输出的函数，而输入输出，我们知道这个是需要系统调用的，因此，我们操作系统层面是需要实现的。因为，应用程序，是没有这个权限的，只有我们操作系统有。

那么如果我们要从屏幕上输出一句话，我们在底层实现是很麻烦的，同时，在实现的时候，我们不能调用任何系统实现，也就是printf() 这种函数，而是需要通过汇编实现类似这一的代码：

（是的这个就是我们前面说的输出内容，我们找到了xb800,这个是平面显示器的地址）

mov ax,0xb800               ;在bios当中将指针指向文本显示地方
mov es,ax

mov byte [es:0x00],'L'      ;找到的文本显示的地址，然后写入内容
mov byte [es:0x01], 0x07    ;设置颜色
mov byte [es:0x02],'Y'
mov byte [es:0x03], 0x06

time 510 - ($-$$) db 0      ;填充剩下的空间，引导区是512
dw 0xaa55                   ;以这个结尾才会别biso识别

Hello World启动

很好，我们补充完了和王道不太一样的内容。当然这里遗憾的是受限于篇幅，这里对应汇编部分的代码不进行讲解。但是《30天自制操作系统》这本书上对应汇编的解释我觉得非常棒，虽然那本书上使用的是ask汇编，其实那也是nasm自定义版本，大体上是一致的和汇编。

那么现在，我们开始第一个hello word ,这里的话，我们就不按照书上的来了，而是使用类似方案。

首先，我们开始编写第一个启动程序，这个就是我们的mbr .

org 07c00h
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
call DD
jmp $
DD:
	mov ax,BOOTMSG
	mov bp,ax
	mov cx,16
	mov ax,01301h
	mov bx,000ch
	mov dl,0
	int 10h
	ret
BOOTMSG:	db "hello, OS World!"
times 510-($-$$)	db 0
dw 0xaa55