PC 作業系統實作馬上入門

最近在整理過去的許多筆記，看到了很多懷念的東西，尋思當初許多的瓶頸，都缺少一個人幫我打通任督二脈，讓我一路走起來倍感艱辛，雖然不後悔這樣沒章法的強幹式學習，但許多冤枉路我心裡明白是白走了，尤其在作業系統這部份，對大多數人來說，更是不易突破的關卡。因為，看程式方面的書籍它不會教你，看硬體架構的書又不告訴你程式實作，如果想自己融會貫通，又因為沒有良好的入門範例，不知道該注意哪些事項而挫折連連。

開始前，你要有個體認，我們要寫的是作業系統，整台電腦都將由我們的程式完全控制，所以，如果你的程式不正常，將會落得停格當機下場，沒有『程式關閉，請聯絡...』或是『Core...』這套。另外，不要想說有任何 API 可以用，你都要一一自己打造這一切，因為系統開發本來就是一件辛苦的事，你正在開拓一個沙漠的綠洲。

而大多數人在學習作業系統撰寫時，常都會卡在第一步：我要如何讓自己的作業系統啟動？然後如同第一次學寫程式時，出現一行 Hello World？當初的我也在這問題上打轉好一陣子，縱使我會組合語言、有過不少寫程式經驗、看過許許多多的相關書籍，但我還是不知道該從哪開始。


我們先來了解電腦啟動的流程：

1. 電腦開啟電源，會啟動 ROM 裡面的 BIOS 執行硬體檢查和初始化。
2. BIOS 會依序搜尋 BIOS 設定中的啟動裝置(Boot Device)，如硬碟。
3. 一旦在某個啟動裝置上發現了啟動磁區(Boot Sector 大小為 512 Bytes)，就會將此磁區 512 Bytes 的程式載入到記憶體位址 0000:7c00
4. BIOS 會跳到記憶體位址 0000:7c00 執行被載入的程式，並將執行權全權交給它。

以下是一個 512 Bytes 的簡單開機程式實作範例﹝組合語言﹞：

    org 07c00h                   ;此程式將被載入到 0000:7c00 執行
    mov ax, cs
    mov ds, ax
    mov es, ax
    call Disp                    ;呼叫 Disp 顯示字串
    jmp $                        ;無限回圈

Disp:
    mov ax, BootMsg
    mov bp, ax                   ;指定 BootMsg 的位址
    mov cx, 16                   ;BootMsg的字串長度
    mov ax, 01310h               ;ah=13, al=01h
    mov dl, 0
    int 10h                      ;中斷 10h 顯示字串
    ret



    BootMsg db "Hello, OS World!"
    times 510-($-$) db 0         ;將編譯出來的程式填充為 510Bytes
    dw 0xaa55                    ;填入最後兩個結束字元 55 和 AA

此程式執行結果將會顯示『Hello, OS World!』，然後進入無限迴圈。

這程式編譯出來會是一個 512B 的小程式，你只要將它寫入硬碟或磁碟片的開始 512 磁區，然後用它們開機啟動就可以看到執行結果。如果你在 Linux 環境下，可用 dd 指令來寫入磁區。假若你嫌每次測試都要重新開機很浪費時間，可以另外準備一台電腦或是使用模擬器、虛擬機器程式，如 VMware等。

註：本文是針對 x86 系列的 PC 電腦架構所寫，所以無法在其他如 PPC、Alpha 等架構上實作。