[译]操作系统开发 - 前言

操作系统开发 - 前言

by Mike, 2009, Updated 2010

本系列教程旨在从基础教授和演示操作系统的开发。

介绍

欢迎!

本系列文章和教程是关于计算机和操作系统的。主要作为开发操作系统过程中的一个指导，描述了系统级编程的体系结构和概念。

本系列的目标是提供最全面的操作系统和计算机系统的向导，并尝图涵盖它的每一个方面。

在开始本系列教程前，我感觉应该介绍一下我们选择的语言，以及哪些是读者需要知道的，语言中的一些重要概念和如何去使用它。我们也会涵盖只在嵌入式平台和系统级软件中使用的概念。

本系列使用C和X86汇编语言。在开始教程前应当对这些语言有一个比较好的了解。本章包含对这些语言的回顾。

C语言概述

首先假设您已经知道如何用C语言编程。这是一个对C语言重要部分的快速的概述，以及它能为我们做什么。

如何在内核中使用C语言16位和32位C

在开始编写系统前你会发现没有什么东西能够帮助到我们。在开机时，系统是运行在32位编译器不支持的16位实模式下，这是第一个比较重要的事情：如果你想要创建一个16位实模式操作系统，你必须使用16位的C编译器。然而，如果你决定创建一个32位的操作系统，你就必须使用一个32位的C编译器。16位C与32位C代码并不兼容。

在本系列教程中，我们会创建一个32位的操作系统，因此，我们将使用32位的C编译器

C和可执行文件格式

C语言的一个问题是它不支持输出扁平二进制程序。一个扁平二进制程序基本可以定义为入口点函数（比如main())始终在程序文件的第一个字节的程序。等等，什么？为什么要这样？

这应当追溯到DOS COM编程的美好日子。DOS COM程序是扁平二进制-这们既没有定义入口点与没有符号名称。要执行这些程序，所需要做的是“跳”到程序的第一个字节。扁平二进制程序没有特殊的内部格式，所以也就没有什么标准。它只是一堆1和0。当PC开机后，系统BIOS ROM获得控制权，它不知道该如何去启动一个操作系统。正因为如此，它运行另一个程序-引导程序去加载 加载操作系统。BIOS并不需要知道这个程序的文件内部格式和它做什么。因此，它将所有的引导程序看作是扁平二进制程序。不论引导磁盘的引导扇区是什么内容，它都会加载，并跳到那个程序的第一个字节。

因此，引导扇区的第一部分，也被称为引导代码或都第一阶段（Stage 1），它不能用C编写。这是因为所有的C编译器输出的程序文件有特殊的内部格式-它们可以是库文件、对象文件、或者是可执行程序。只有一种语言本身支持这点（可以编写汇引导代码）-汇编语言。

如何在引导程序中使用

尽管引导程序第一部分必须用汇编是事实，但也可以用C语言。有许多不同的方法可以做到这样（用C语言）。一种是Windows和我们自己的操作Neptune使用的。我们把汇编代码与C语言代码结合到一个文件里。汇编代码负责启动系统和调用我们的C程序。因为这些程序结合到一个文件中，所以第一阶段只需要加载我们的包含汇编和C的程序文件。

这是一种方法 - 还有其它的。大部分引导程序是使用C的，包括GRUB、Neptune引导程序，微软的NTLDR和Boot Manager。因为我们使用32位C语言，也有方法把混合16位和32位C代码。

实现这个很复杂并且需要很多技巧。因此，我们坚持在引导程序系统中使用汇编。如果读者需要，我们可能会在后续高级教程部分描述如何使用C。

调用C内核

当引导程序准备好后，它通过调用我们的入口函数来加载我们的可执行的C内核。因为C程序有特殊的内部格式，引导程序必须知道如何解析内核文件和定位到入口点函数并调用它。本系统，稍微晚一些我们会涵盖如何做到这些。这就允许我们在内核中使用C和其它我们建立的库文件。

指针介绍

因为你以读到这里，我假设你已经善于使用指针。在系统软件中，指针到处都在使用。因此，掌握好指针是非常重要的。

指针只是保存地址的简单的变量。定义指针，我们使用*操作符：

char* pointer;

请记住，指针保存的是一个“地址”？我们给上述指针设置任何东西，这个地址指向哪里？上述代码演示的是一个野指针。野指针是一个可以指向任何地址的指针。请记住，C并不会为你做任何的初始化。因此，上述指针可以指向任何地址，其它变量、地址0、某些数据的一部分、你自己的代码、一个硬件地址。

物理地址空间（PAS）物理地址空间（PAS）定义了所有可以使用的地址。这些地址可以引用PAS内部的任何地址。这包含物理内存（RAM），硬件设备，甚至是无。这与保护模式操作（比如Windows）下编写应用程序有非常大的不同，保护模式下所有的地址都是内存。

这里有一个例子，在编写应用程序时，如下例子会导致一个段故障错误，导致程序崩溃：

char* pointer = 0; *pointer = 0;

这里创建一个指向内存地址为0的指针（并不归你所有），因此，系统不允许你向其写入数据。

现在，在我们未来的C内核中尝试一下...没有崩溃！而是覆盖了中断向量表（IVT）的第一个字节。

由此，我们可以总结一些重要的区别：

• 使用空指针系统不会崩溃
• 指针可以指向PAS中的任何地址，既可能是内存，也可能不是

如果试图从一个不存在的内存地址读取数据，会得到垃圾数据（当时系统数据总线上的数据）。尝试往一个不存在的地址写入数据什么也不会做。向一个不存在的内存地址写，并立即往回读，可以会得到与写入相同的结果，也可能得不到，这取决于所写的数据是否仍然在数据总线上。

事情变得越来越有趣了。ROM设备被映射到相同的PAS。这意味着使用指针可能会写/读ROM设备的部分。系统BIOS是一个比较好的ROM设备的例子。因为ROM设备是只读的，写一个ROM设备与写一个不存在的内存位置效果是相同的。然而，却可以从ROM设备读

其它设备可能也会被映射到PAS，取决于系统配置。这意味着读/写PAS不同部分可能产生不同类型的结果。

正如您所知道的，与编写应用程序相比，指针在系统编程中起到了更大的作用。可能更容易的想到指针不是作为“指向内存地址的变量”，而是“指向PAS地址的变量”，因为它可能是内存，也可能不是。

动态内存分配

在编写应用程序时中，正常会调用malloc()和free()或者new和delete申请堆内的一块内存。这与系统编程不同，申请内存，我们这些做：

char* pointer = (char*)0x5000;

这真是太酷了，Huh？因为我们能够控制任何东西，我们指定指针指向PAS的某一个地址（必须是RAM），并说“这是我们新的1024字节缓存”等。

在这里重要的事情是没有动态内存分配。C/C++中的动态内存分配是需要操作系统提供的系统服务。但是，等等！我们不是正在开发我们自己的操作系统？这就是问题所在:)为了提供malloc()和free()或new和delete我们需要自己写内存管理服务和函数。

在那之前，唯一的方式是“分配”一个地址空间上没有使用的地址作为缓冲区。

内联汇编

有一些事情C本身不能做。系统服务和与硬件会话我们需要使用汇编语言。

大部分编译器提供了内联汇编的关键字。比如，微软VC++使用_asm：

_asm cli ; disable interrupts

我们也可以使用汇编代码块:

_asm { cli hlt }

标准库和运行时库（RTL）

可以使用外部库 - 这些库函数没有使用系统服务，任何像printf(), scanf(), 内存函数, 或几乎一切，只有一小部分可以使，大约有90%函数需要重写，所以最好是写自己写。

RTL是应用程序在运行时使用的服务和函数的集合。从本质上讲，它们需要操作系统动行，并提供了这些服务。因此，需要开发自己的RTL

启动RTL负责调用C++构造和析构函数。如果想使用C++，必须开发支持这些的RTL代码，这使用到了编译器的扩展。

本系统中，我们了支持C/C++特性的RTL和基本的标准库。

修正错误调试

因为没有printf和某种方式可以使用的调试器，当当工作时该如何办？本系统使用（解释）Bochs调试器 - Bochs模拟器带的调试器。这可以用于运行自己的操作系统，并可以用于协助修复遇到的大部分更常见的错误。

另外唯一的方法是开发自己的允许输出信息的函数，这是最有可能告诉你程序崩溃前走了多远。

下回分解

本章到此为止:)下一章，我们开始到操作系统世界去冒险，看一看它们是什么，以及我们在整个系列中都会使用到的工具。

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