在 DOS 下编写操作系统,这绝对是一个挑战,也是一个深入了解计算机底层运作的绝佳方式。要知道,我们现在使用的 Windows、Linux 等操作系统,其复杂程度远超想象,但在那个还未普及图形界面的年代,DOS 系统本身的简单性也为我们提供了一个切入点。
想要在 DOS 下“编写”一个操作系统,其实更准确的说法是,编写一个能在 DOS 环境下运行的、并且能够接管控制权的“自启动程序”或者“引导加载程序”。因为你无法直接在 DOS 这个已经运行着的操作系统之上再“编写”一个全新的操作系统。你需要的是一个能绕过 DOS,直接与硬件打交道的程序。
这就像你不是在现有的工厂车间里重新设计和建造另一个工厂,而是在空地上,用你手头能找到的工具(也就是汇编语言和一些底层的硬件知识),从零开始搭建一个简易的“生产线”。
那么,我们具体要怎么做呢?
1. 理解基础:它不是一个完整的“操作系统”
首先要明确一点,你不可能在 DOS 下写出像 Windows 那样功能丰富、支持多任务、图形界面的操作系统。DOS 本身就已经是一个非常基础的操作系统了,它提供了文件系统、内存管理、设备驱动接口等基本功能。
我们在这里讨论的,更多的是 编写一个能够在计算机启动时,直接从软盘或硬盘加载,并拥有一定的硬件控制能力的程序。这个程序可以被看作是一个极简的引导扇区程序,或者一个简单的自启动程序。它会绕过 DOS 的控制,直接操作硬件,比如显示文本,处理键盘输入,甚至控制内存。
2. 你的“工具箱”:汇编语言和一点点硬件知识
在 DOS 时代,最底层、最接近硬件的编程语言就是 汇编语言。这是你必须掌握的。为什么是汇编?
直接硬件访问: 汇编语言允许你直接操作 CPU 的寄存器、内存地址以及 I/O 端口。这正是编写操作系统所必需的。
微小体积: 汇编程序编译后体积非常小,这对于我们即将要写的那个几十到几百字节的引导扇区程序至关重要。
对硬件的理解: 学习汇编会迫使你理解 CPU 如何工作、内存如何寻址、中断是如何处理的等等。
除了汇编,你还需要了解一些关于 PC 硬件的底层知识,比如:
BIOS (Basic Input/Output System): 计算机启动时最先运行的一段程序,它负责初始化硬件,并加载操作系统的引导程序。
引导扇区 (Boot Sector): 硬盘或软盘的第一个扇区(通常是 512 字节),里面包含着引导加载程序 (Bootloader)。当 BIOS 检测到有可引导设备时,它会把引导扇区的内容加载到内存的特定位置(通常是 `0x7C00`),然后跳转到那里执行。
中断 (Interrupts): 硬件和软件之间通信的一种机制。DOS 系统提供了很多中断服务程序(DOS API),但我们要做的是绕过 DOS,直接使用 BIOS 中断,或者自己实现中断处理。
内存布局: PC 内存是如何划分的,低内存区域(`0x0000` 到 `0x7FFFF`)是用来做什么的,高内存区域又如何。
3. 核心任务:编写一个引导扇区程序
最经典的路径是编写一个 引导扇区程序。这个程序非常小,但功能却很强大,因为它是在所有其他软件运行之前就加载并执行的。
步骤如下:
3.1. 选择你的汇编器
你需要一个汇编器来将你的汇编代码转换成机器码。在 DOS 环境下,常见的汇编器有:
MASM (Microsoft Macro Assembler): 微软官方的汇编器,功能强大,支持宏定义等高级特性。
TASM (Turbo Assembler): Borland 的汇编器,速度快,也相当流行。
你可以使用这些汇编器在 DOS 环境下进行编译,或者在现代操作系统上使用兼容版本的汇编器来生成适合 DOS 的 `.COM` 或 `.EXE` 文件。更专业地说,我们通常会生成一个 `.bin` 文件,直接作为引导扇区的映像。
3.2. 编写引导扇区汇编代码
你的汇编代码需要遵循以下规范:
入口点: 引导扇区程序的入口点必须是 `0x7C00` 内存地址。
大小限制: 整个引导扇区不能超过 512 字节。
签名: 最后两个字节必须是 `0xAA55`,这是 BIOS 用来识别一个有效的引导扇区的标志。
一个极简的引导扇区例子(显示“Hello, World!”):
```assembly
; 这是一个极简的DOS引导扇区程序,用于显示"Hello, World!"
; 注意:实际编写时需要更严谨的处理和错误检查
ORG 0x7C00 ; 程序加载到内存的地址是0x7C00
start:
; BIOS 可能会传递一些参数到 DL 寄存器,我们先备份一下
push dx ; 备份DL (通常是驱动器号)
; 初始化段寄存器
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7C00 ; 设置栈顶,虽然这个简单的程序不怎么用栈
; 使用 BIOS 中断 0x10 服务来显示字符串
; AH = 0x0E: teletype output
mov ah, 0x0E
mov si, message ; SI 指向要显示的字符串
print_char:
lodsb ; 将SI指向的字节加载到AL,然后SI自增
or al, al ; 检查AL是否为0 (字符串结束符)
jz halt_loop ; 如果是0,跳转到 halt_loop
; 调用 BIOS 中断来输出字符
mov bh, 0 ; 页号
mov bl, 0x07 ; 文本属性 (白色在前,黑色在后)
int 0x10 ; 调用 BIOS Video Service
jmp print_char ; 继续打印下一个字符
halt_loop:
; 程序执行完毕,进入无限循环,防止CPU乱跑
cli ; 禁用中断
hlt ; 停止CPU直到下一个中断(这里也没用了)
jmp halt_loop ; 防止hlt返回后继续执行
message:
db "Hello, World!", 0 ; 要显示的字符串,以0结尾
; 填充剩余空间并加上引导扇区签名
times 510 ($ $$) db 0 ; 用0填充到剩余空间,$$$ 表示当前地址减去起始地址
dw 0xAA55 ; 引导扇区签名
```
解释一下这个汇编代码:
`ORG 0x7C00`: 告诉汇编器,这段代码最终会被加载到内存的 `0x7C00` 地址,因此所有偏移量都将相对于这个地址计算。
`push dx`, `mov ah, 0x0E`, `int 0x10`: 这是使用 BIOS 中断 `0x10`(视频服务)来显示单个字符。`0x0E` 是 teletype output 功能,它会自动处理换行和光标移动。
`lodsb`: 这个指令会把 `SI` 指向的内存地址中的一个字节(Byte)加载到 `AL` 寄存器,然后自动将 `SI` 加一。这是处理字符串的常用方法。
`or al, al`, `jz halt_loop`: 检查 `AL` 是否为零。我们用 `0` 作为字符串的结束符。如果 `AL` 是零,就跳转到 `halt_loop`。
`cli`, `hlt`, `jmp halt_loop`: 当程序执行完后,为了安全起见,我们会禁用中断 (`cli`),然后让 CPU 进入 `hlt`(停止)状态,等待下一次中断。在这个例子中,我们实际上是在等待一个不会发生的中断,然后再次跳转回 `halt_loop`,形成一个无限循环,避免执行无效代码。
`message: db "Hello, World!", 0`: 定义一个字节序列,即我们的字符串,并以一个字节 `0` 作为结束标记。
`times 510 ($ $$) db 0`: 这是汇编器的一个指令(通常是 MASM 或 NASM 的语法),用来将当前位置填充到指定的大小。`$` 代表当前地址,`$$` 代表段的起始地址。`($ $$)` 就是当前已经使用了多少字节。所以这行代码的意思是,用零填充到距离 510 字节的位置。
`dw 0xAA55`: 在程序的最后两个字节写入 `0xAA55`,这是 BIOS 识别引导扇区的标志。
3.3. 编译和生成引导扇区文件
使用 MASM 或 TASM,你可以将上面的汇编代码编译成一个 `.COM` 文件。但更直接的方式是生成一个裸的 `.bin` 文件,因为引导扇区就是一段原始的二进制代码。
例如,使用 MASM:
1. 将上面的代码保存为 `boot.asm`。
2. 在 DOS 环境或模拟器中,使用 MASM 进行编译:
```bash
masm boot.asm;
link boot.obj;
```
或者,如果你的汇编器支持直接生成 `.bin` 文件,例如 NASM:
```bash
nasm boot.asm f bin o boot.bin
```
(注意:NASM 是一个非常强大的跨平台汇编器,在现代系统上也能很好地工作,并生成 DOS 兼容的二进制文件。)
3.4. 测试你的引导扇区
你有几种方法来测试你的引导扇区:
软盘或 U 盘:
将生成的 `boot.bin` 文件(通常需要将其转化为 MBR 格式)写入到一张软盘或一个 USB 闪存盘的第一个扇区。可以使用 `dd` 命令(在 Linux/macOS 上)或一些 DOS/Windows 的工具来完成。
在 BIOS 中设置从该设备启动。
虚拟机:
这是最安全、最方便的方式。使用 VirtualBox, VMware, QEMU 等虚拟机软件。
创建一个新的虚拟机,设置其启动设备为软盘或光盘映像。
你可以创建一个包含你的 `boot.bin` 文件的软盘映像 (`.img`),或者直接将其写入到虚拟机的硬盘映像的第一个扇区。
启动虚拟机,如果一切正常,你就能看到“Hello, World!”了。
4. 进阶之路:构建更复杂的“操作系统”
一旦你成功编写并运行了一个简单的引导扇区程序,你就可以开始尝试更复杂的功能了。这就像在最简单的“生产线”上,一点点增加工具和流程。
用户输入: 使用 BIOS 中断 `0x16`(键盘服务)来读取键盘输入。你可以实现一个简单的命令行接口。
内存管理: 直接访问和操作内存。了解如何划分内存区域,分配和释放内存块。
文件系统访问: 这是非常困难的部分。你需要理解硬盘的工作原理(CHS 寻址、LBA 寻址),以及一个简单的文件系统结构(例如 FAT12 的结构),然后编写代码来读取和写入文件。你可以从读取 BIOS 提供的软盘或硬盘信息开始。
中断处理: 不仅使用 BIOS 中断,还可以 编写自己的中断服务例程 (ISR)。当发生某个硬件事件(如定时器中断、键盘中断)时,CPU 会根据中断向量表跳转到你的 ISR 执行。你需要自己维护中断向量表。
多任务(非常初级): 尝试一下最简单的“协同多任务”,通过定时器中断来切换运行不同的简单程序片段。但这与现代操作系统的抢占式多任务完全不是一个概念。
图形模式: 切换到 VGA 的图形模式,学习如何直接在显存中绘制像素、线条、字符。
5. 需要注意的几个点:
学习曲线陡峭: 汇编语言和底层硬件知识需要大量时间和精力去学习和理解。
调试困难: 在没有现代调试器的情况下调试汇编代码和操作系统内核是非常痛苦的。你可能需要依赖一些简单的打印输出或者模拟器内置的调试工具。
兼容性问题: 不同的 PC 硬件和 BIOS 可能存在细微差异,你的代码可能在某个机器上运行良好,在另一个机器上就出问题。
安全性和稳定性: 你编写的任何错误代码都可能导致系统崩溃、数据丢失,甚至损坏硬件(虽然现在比较少见)。务必小心谨慎。
DOS 的局限性: 你是在 DOS 的“壳”里学习如何编写操作系统的一部分,而不是在没有任何操作系统的裸机上(bare metal)编写。如果你想在裸机上编写操作系统,那又会是另一番景象,你需要自己处理所有的硬件初始化,包括 CPU 模式切换、内存控制器设置等等,这会更加复杂。
总而言之,在 DOS 下编写操作系统(或者说,编写能在 DOS 环境下接管控制权的底层程序)是一个非常宝贵的学习经历。它能让你深入理解计算机是如何启动的,硬件是如何工作的,以及操作系统最基础的原理。从一个简单的引导扇区开始,一步一步地添加功能,你会发现一个充满挑战但也极具成就感的领域。这需要耐心、毅力,以及对计算机底层运作的好奇心。祝你在这个过程中收获满满!