简介

相信计算机专业的人都学过操作系统相关的知识，也有很多人安装过操作系统，那么我们在学习相关理论知识的时候，有没有真正动手实践过怎么让机器启动就加载我们的代码并将cpu指令进入内核呢。小子不才，根据网上资料踩坑之后成功运行了操作系统版hello world，下面是一篇踩坑指南

环境介绍
macbook pro m1芯片的机器（该配置无视）
parallels desktop （虚拟机软件）破解（https://qiujunya.com/article/2020/9/9/103.html）
安装 ubuntu 20.04.2 ARM64虚拟机 （内置安装）
安装bochs（一款模拟操作系统硬件，cpu的软件）免费

sudo apt update
sudo apt install build-essential libx11-dev xorg-dev libgtk2.0-dev
wget https://sourceforge.net/projects/bochs/files/bochs/2.7/bochs-2.7.tar.gz
tar zxvf bochs-2.7.tar.gz
cd bochs-2.7/
./configure --with-x11 --with-wx --enable-debugger --enable-disasm --enable-all-optimizations --enable-readline --enable-long-phy-address --enable-ltdl-install --enable-idle-hack --enable-plugins --enable-a20-pin --enable-x86-64 --enable-smp --enable-cpu-level=6 --enable-large-ramfile --enable-repeat-speedups --enable-fast-function-calls --enable-large-ramfile --enable-handlers-chaining --enable-trace-linking --enable-configurable-msrs --enable-show-ips --enable-cpp --enable-debugger-gui --enable-iodebug --enable-logging --enable-assert-checks --enable-fpu --enable-vmx=2 --enable-svm --enable-3dnow --enable-alignment-check --enable-monitor-mwait --enable-avx --enable-evex --enable-x86-debugger --enable-pci --enable-usb --enable-voodoo #如果这些参数有报错，可以去掉一些，然后使用make clean && make uninstall重装

make 
sudo make install
#./configure后面的参数便是打开调试功能的开关

安装nasm汇编编译器

apt install nasm
nasm -v #查看是否安装成功

操作系统启动过程

BIOS阶段

计算机在按下开机键后，首先运行的是BIOS程序，BIOS首先进行加电自检，完成对系统的全面检查。确保核心组件如CPU、主板、内存、串并口、磁盘等正常运行。这一检测经常被称为post或power on selftest。
完成加电自检后，BIOS所做的第二项工作就是设备初始化。
然后，BIOS将根据用户所指定的引导次序，按照顺序选择引导设备。在选择了合适的引导设备后，BIOS会把引导设备第一个数据块载入内存，并把执行权移交给它。

引导程序加载阶段

第一个数据块所记载的是主引导记录（MBR），共512个字节。包括：引导加载程序（Boot Loader）（前446个字节，如GRUB等）、磁盘分区表（DPT，Disk Partition Table）、分区有效性标志（55AA）。引导加载程序负责加载启动硬盘分区中的操作系统。

Linux系统中的引导程序有以下3个作用：

• 编写合适的内核命令行
• 装载合适的初始虚拟磁盘（简称initrd）
• 装载合适的linux内核并移交控制权给它。

引导程序在设计上通常包括两个阶段：
第一阶段，第一阶段的引导程序通常很小，适合存放在MBR中（因为只有446个字节）。第一阶段引导程序的任务是：定位、装载并把控制权传递给第二个阶段的引导程序，这个程序在文件系统中是看不到的；
第二阶段，第二阶段的引导程序通常就是引导程序自身，它在启动时就运行了某种形式的应用程序，能够读取有关默认设置的配置信息。第二阶段引导程序通常是文件系统中可以识别的二进制文件。

内核运行阶段

Linux内核文件都是以压缩格式存放的，在上一步骤成功完成后，Linux内核被加载至内存中，内核文件首先完成自解压，并在ramdisk文件的帮助下，内核拥有了访问磁盘及文件系统等基本设备的驱动程序。随后内核在完成探测可识别的硬件设备并加载相应驱动，以只读方式加载根文件系统等操作后，内核就可以启动位于磁盘上的第一个应用程序init，进而完成系统的初始化。

编写boot loader汇编程序

BIOS由Bochs虚拟机提供，我们接下来写的就是这个512字节的引导扇区（MBR）的汇编代码。目前它并不用加载操作系统，我们只让它在屏幕上打印出经典的“hello world”即可。

汇编代码

    org 0x07c00
    mov ax,cs
    mov ds,ax
    mov es,ax
    mov ax,Message
    mov bp,ax
    mov cx, 13
    mov ax,0x1301
    mov bx,0x0002
    mov dh,0
    mov dl,0
    int 0x10
    jmp $
Message: 
    db "Hello, world!"
    times 510-($-$$) db 0
    dw  0xaa55

代码和数据是按汇编程序的编写顺序依次连续存放到内存的，即上面的程序在0x7c00处开始存放的是org 0x07c00的机器指令，在512字节最后放的是0xaa55数据。

BIOS程序在把引导程序加载到内存时，同时还创建了中断系统，在物理内存的前1KB空间初始化中断向量表，在物理内存最后256KB物理地址空间内保存中断处理程序。cpu运行完BIOS后，物理内存的布局如下：

image.png

.
具体代码的含义可以自学汇编语法，此处我也是刚入门

制作虚拟硬盘

# 新建bochs项目目录，随意取名
mkdir bochs_project
# 将上面的代码保存到 bochs_project目录 HelloWorld.asm
# 使用汇编编译器nasm将该代码编译为可执行文件
nasm boot.asm -o boot.bin
# 然后在本层目录中创建一个大小为1MB的硬盘镜像文件b.img的命令如下：
dd if=/dev/zero of=b.img bs=512 count=2048
#dd是文件拷贝命令，其中：
#if=/dev/zero：表示拷贝的源文件的路径,"/dev/zero"是一个特殊的文件，可以提供n个0（n的值等于bs和count参数的积）
#of=b.img：表示拷贝的目标文件路径。若不存在，则创建该文件bs=512：表示大小，单位为B
#count=2048：表示拷贝的文件的块的数量。
# 由bs和count参数可知，硬盘镜像文件的大小为：2048*512B=1MB，硬盘镜像文件制作好后，将可执行文件boot.bin拷贝到硬盘镜像文件b.img（硬盘）的引导扇区的命令如下：
dd if=boot.bin of=b.img bs=512 seek=0 conv=notrunc
#其中：
#seek=0：表示把可执行文件boot.bin拷贝到硬盘镜像文件b.img的引导扇区（扇区号为0）。
#conv=notrunc：表示不改变目标文件的大小，若没有该选项，则硬盘镜像文件b.img的大小会由1MB变为可执行文件boot.bin的大小512B。

这样一个写入了引导程序的“硬盘”就制作好了。

bochs使用

"硬盘”制作好后，要想启动bochs还需要一个配置文件——bochsrc.bxrc。为什么需要配置文件呢？因为你需要告诉bochs你希望的虚拟机是什么样的，比如，内存多大，使用哪个硬盘启动等等。在下载bochs的源码包中有一个.bochsrc，就是官方提供的配置文件示例，我们可以根据这个更改。

cp ../bochs-2.7/.bochsrc bochsrc.bxrc
# 拷贝过来后，编辑这个文件 找到以下的参数进行修改
romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest 
vgaromimage: file=/usr/local/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest 
ata0-master: type-disk, path="b.img"
megs: 16
cpu: count=1
boot: disk

其中：

• romimage：指定bochs运行过程中使用的ROM-BIOS的路径。
• vgaromimage：指定bochs运行过程中使用的VGA的ROM-BIOS的路径。
• ata0-master：指定硬盘镜像文件b.img的路径。
• megs：指定物理内存的大小，单位为MB。
• cpu：指定cpu的个数，1个。这个参数我们只需要count,其他的都可以删掉
• boot：指定启动方式，从硬盘启动。

改完这些还是会报错Bochs is not compiled with lowlevel sound support.
找到 sound配置，将那个配置删除，一般在900多行
编辑完成后保存

现在一切准备就绪，启动bochs的命令如下：

bochs -q -f bochsrc.bxrc
#其中：
#-q: 跳过bochs启动后的配置界面。
#-f : bochsrc.bxrc：指定配置文件的路径。
#如果不指定路径，那么Bochs将按照如下顺序在当前目录中寻找配置文件：

运行bochs后会在终端出现bochs调试命令行，等待我们输入调试命令，这里输入c继续执行

image.png

可以看到在虚拟机中我们的引导程序已成功运行，在屏幕上打印出了hello world。

image.png