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2010-09-07 20:08:06
本系列旨在展示和教授如何从最底层开始开发一个操作系统。
欢迎来到奇妙而又令人疯狂的操作系统世界！
在前一章里，我们已经定义了什么是操作系统。一个操作系统提供了用户与计算机系统之间的基本接口，它为系统提供了基本的外观和感觉。
我们也看了一些将会对我们有帮助的工具，汇编器、编译器、链接器、PartCopy、MagicISO还有Bochs。
我对正在阅读这一章而又没有任何编程经验的人（我知道有一些这样的人）感到羞愧:)请回到第一章并重新阅读“要求”这一节。你为什么非要到这里来呢？赶快回去吧！
在本文中，我们将从另外一种角度来看操作系统。我们首先回到过去去看看操作系统的历史。你将会发现这些操作系统之间有很多相似点。这些相似点将会被归类为操作系统所有共有的基本东西——也是创建我们操作系统的积木(building blocks)。
今天大多数的操作系统是图形化的。然而，这些图形用户接口(GUI)，为操作系统上正在运行的程序提供了一个大的抽象层。
许多操作系统的概念需要追溯到磁带程序时代，许多概念在今天仍然有效。
二十世纪50年代之前，所有的程序员都在穿孔卡片上工作。这些穿孔卡片代表了一系列指令，这些指令会控制计算机硬件的所有开关，每一片软件都有系统的完全控制权。大多数时间，这些软件都会完全与其他的不同，即使是一个程序的不同版本。
问题就是这些程序完全不同，程序员们不得不非常简单地工作，因为他们不得不始终从零开始重写软件。没有对软件的共同的支持，所以软件必须直接与硬件打交道，这也使得软件不可能有可移植性和兼容性。
在大型计算机的领域，创建代码库变得更为可行(feasable)。它确实解决了一些问题，如一个软件的两个版本完全不同的问题，但是每个软件仍然有硬件的完全控制权。
如果有新的硬件出现，这些软件将无法工作。如果软件崩溃了，需要利用控制面板上的灯的开关来调试。
硬件和程序之间的接口的想法就是来自于大型机时代。通过创建一个硬件的抽象层，程序将不再需要拥有完全控制权，相反，他们都会使用一个单一的共同的硬件接口。
那么这个超级酷(ultra cool)的接口是什么呢？他是一个甜美可爱（有时又令人讨厌）的东西也就是我们所说的操作系统。
根据wikipedia上的记录，第一个真正的操作系统是GM-NAA I/O。SHARE操作系统(SHARE Operating System)是GM-NAA I/O的一个继任者。SHARE提供了共享程序，管理缓冲区的功能，同时它也是第一允许执行用汇编语言编写的程序的操作系统。SHARE成为了20世纪 50年代后期IBM计算机的标准操作系统。
SHARE操作系统(SOS)是第一个能够管理缓冲区，提供程序共享以及允许执行汇编语言程序的操作系统。
“管理缓冲区”涉及到一种“管理内存”的形式。“程序共享”涉及到使用不同程序的库。
在这里有两个重点要指出，从一开始的时候（事实上不是:）），操作系统就负责内存管理和程序执行/管理。
因为这不是我想描述的世界（也不是计算机）的历史，所以我们直接跳到美好的旧DOS时代。
DOS/360（或者就叫“DOS”）是一个磁盘操作系统(Disk Operating System)。原本IBM宣布它将在1964年的最后一天发布，但是由于某些原因，IBM不得不推迟DOS/360并推出了3个版本，直到1966年6月才发布DOS/360。
这几个版本是：
两个需要指出的重点是DOS/360并没有提供多任务和内存保护。OS/360基本上是IBM在同一时间开发的一款操作系统。OS/360使用了“OS/MFT”(Multiple Fixed Transactions)和固定基址来支持多程序。使用OS/MVT(Multiple Varable Transaction)，它就能支持可变程序大小。
现在我们又多了几个有趣的关键字——多任务，内存保护和固定基址，加上前面的程序执行和内存管理。
Unix操作系统最初是用C编写的，C和Unix都是由AT&T最初创造的。由于Unix和C大量地分布在政府和学术机构，所以导致相对于其他的操作系统，它被移植到各种各样的机器家族上。
Unix是一个多用户，多任务操作系统。
Unix由一个内核，文件系统和一个命令壳组成。有很多图形用户接口(GUI)使用命令壳与操作系统交互，并且提供了一个更为友好和美观的界面。
Commodore DOS(CBM DOS)与Comodore的8位计算机一起使用。不像其他的操作系统，在启动时从磁盘引导到系统内存之前或者当时，CBM DOS在一个内部驱动的ROM芯片中内部执行，是被一个MOS 6502 CPU执行的。
第一个Windows是一个DOS应用程序。它的“MSDOS Executive”程序只允许一个程序的运行。不允许有“窗口”的重叠，因此“窗口”被显示为在一边或另一边。它并不很受欢迎。
Windows的第二个版本仍然是一个DOS的图形壳(Graphical Shell)，但是支持重叠窗口和更多的颜色。但是，由于DOS的限制，它并没有被广泛使用。
备注：DOS是一个16位操作系统。在这段时间，DOS不得不通过线性地址来访问内存，通过LBA(线性块地址(Linear Block Addressing))访问磁盘。因为x86平台是向后兼容的，所以PC启动时是在16位模式（实模式），仍然使用LBA。后面会讲到更多关于这个的内容。
由于16位模式的限制，DOS无法访问高于1MB的内存。在今天这个已经被解决了，方法是通过键盘控制器打开A20地址总线。我们后面将讲到这个内容。
因为这个1MB的限制，Windows实在是太慢了，这也是它无法流行的主要原因。
Windows 2.0被完全重新设计。Windows 3.0同样是一个DOS图形壳(Graphical Shell)，然而，它包含一个“DOS扩展器”允许访问到16MB的内存，超出了DOS的1MB内存限制。它支持多任务的DOS程序。
我看到很有一些入门级的操作系统开发者想开发另外一个Windows。虽然这是可能，但却是极度困难的，一个人更本不可能完成。再看一看上面的图片，你要知道它是一个通过命令壳(Command Shell)被内核执行的图形壳(Graphical Shell)。同样你要知道即使是Windows也是从这里开始的。命令壳就是DOS，图形壳就是“Windows”。
回顾我们的前面的旅途，它给我们带来一些重要的术语。到目前为止，我们仅仅给出了“操作系统”的一个小的定义。前面的章节会帮助我们定义一个更好的，更具有描述性的关于什么是操作系统的定义。
为了得到一个更好的定义，让我们把上面的黑体术语列成一个表：
这可以联想到很多，不是吗？上述列表在技术上本身仍然是一个抽象层。
让我们深入了解一下吧！
内存管理涉及到：
这个与内存管理关系非常密切，程序管理负责：
多任务涉及到：
它涉及到：
一个“固定基址”是一个程序加载在内存中的地方。在一般的应用程序编程中，你一般不需要使用它。然而，在操作系统开发中，你需要使用它。
一个“固定”的基址仅仅意味着程序每次加载到内存的时候都拥有同一个基址。举两个例子程序，BIOS和Bootloader。
它涉及到：
内核是操作系统的心脏。它提供了基本的基础，内存管理，文件系统，程序执行等等。我们将在不久之后更进一步探究它，不用担心：）。
在操作系统开发中，没有被称为“文件”的东西。所有的东西都可以是纯二进制代码（从启动扇区中来）；从一开始。
一个文件系统仅仅是一个描述关于文件信息的详细说明。在大多数情况下，指的是簇，段，段地址，根目录等等。操作系统要想加载它，就必须找到文件的确切的起始地址。
文件系统也描述文件名。文件名分为外部文件名和内部文件名。例如，FAT12说明描述的一个文件名只能是11个字符。不能多也不能少，非常严格。例如，这意味着文件名”KRNL.SYS”的内部文件名是”KRNL SYS”。
我们将会使用FAT12文件系统，后面会详细讨论它。
命令壳在内核之上作为一个单独的程序。命令壳通过使用输入命令提供基本的输入输出。命令壳使用内核来实现它并完成低级任务。
图形用户接口（GUI）仅仅涉及到图形接口以及图形壳和用户之间的交互。
图形壳提供了视频例程和低级图形能力。它通常会被命令壳执行（就像Windows 1.0，2.0和3.0）。然而现在这些一般都是自动的。
操作系统已经控制了内存中的每一个单个字节。线性地址是指直接访问线性内存。例如：
1 | mov ax, [09000h] ; There is no such thing as Access Violations in OS Development |
这是件好事情但同样也有可能是坏事情。例如：
1 | mov bx, [07bffh] ; or some other address less then 7c00h |
2 | mov cx, 10 |
3 | .loop1: |
4 | mov [bx], 0h ; clear bx |
5 | inc bx ; go to next address |
6 | loop .loop1 ; loop until cx=0 |
上面的代码看起来无害处，然而，如果上面的代码是在引导程序中，则上面的代码会将自己覆盖10字节。天啦！这是因为引导程序被加载在一个固定的地 址，即0x7c00:0（这里应该有问题，应该是0x7c0:0），而上面代码从07bffh开始写：07c00h前面一个字节。
引导程序，我们在前面一章看到了这个术语。从前一章我们知道了，引导程序被BIOS加载，并且它是你的操作系统执行的第一个程序。
引导程序被BIOS加载到绝对地址0x7c00:0（同样应该是0x7c0:0）。加载之后，CS:IP被设置到你的引导程序，然后引导程序完全接管控制。
一个软盘扇区的大小仅仅只有512字节。记住引导程序必须装配到一个单个扇区中。这意味着什么？引导程序在大小上被严格限制了，不能超过512字节。
我们回顾了一下过去，学习了一些新的术语，并加入了我们的术语表。在历史课之后，我们学习了术语并建立了一个更宽的视角来看一切是如何工作的。我们甚至看了一些代码，虽然很少。
这之后，我们就可以开发一个关于我们所做的更加简明的定义。
“它是一个交互环境，它提供了一个用户和应用程序的接口，提供了一个稳定的安全的环境，提供了一个系统服务和计算机硬件接口层”
是的，这就是我关于“操作系统”的新的定义，你的呢？
在下一章中，我们将详细地看一看启动过程。除此之外，我们将看看如何建造和汇编一个真正的引导程序。
