质量是天安全是地:从头开始编写操作系统（3） 第2章：基本理论 - xiaoxiaoyaya的专栏 - CS...

  从头开始编写操作系统（3） 第2章：基本理论 收藏 译自：http://www.brokenthorn.com/Resources/OSDev2.html第2 章：基本理论
by Mike, 2009 本系列文章旨在向您展示并说明如何从头开发一个操作系统。 介绍 欢迎来到有趣又疯狂的操作系统是世界！ 在前面的章节中，我们定义了操作系统是什么。操作系统是用户和计算机系统之间的基本接口（界面）。它提供了系统的基本外观和感觉。 我们也看到了一些对我们有帮助的工具。汇编器、编译器、连接器、PartCopy 、 MagicISO 和Bochs 。 对于那些正在阅读本文却又没有编程经验的人来说（我知道有一些）抱歉，请返回到第1 章“读者需要了解的知识”一节。为什么你还在看呢？来吧，继续！ 在这篇文章中，我们将会从不同的视角来看操作系统。我们首先要Back in Time(tm) 看看操作系统的历史。你会发现这些操作系统有很多相似之处。这些相似之处后来变成了操作系统所具有的基本的东西，并且也将成为你的操作系统的一部分。 Blast from the Past （想起过去） 现在大多数的操作系统都是图像化的。这些图像用户界面（graphical user interfaces (GUI) ）是对操作系统真正在做的事情的一种抽象。 大多数的操作系统概念要追溯到程序还在磁带上的时候，这些概念现在依然活跃。 史前——对操作系统的需求 追溯到20 世纪50 年代，所以的程序都在卡片上。这些卡片代表着一些指令，这些指令控制着计算机硬件的每一个开关。每一段软件都完整控制着整个系统。多数情况下，每一个软件都各不相同，即使是同一个软件的不同版本。 问题是每一个程序都完全不同。它们必须简化，因为它们必须从头重写。没有对软件的通用支持，所以软件必须直接与硬件交互。这样也使兼容变得不可能。 在大型机中，创建代码库更为科可行。虽然这解决了部分问题，同一个软件的不同版本完全不同，每一个软件完全控制硬件。 如果更换了新的硬件，软件就变得不再可用。如果软件崩溃，就得使用控制面板上的小开关来调试。 这种在软硬件之间设置接口的想法来源于大型机领域。通过一个硬件之上的抽象层，程序不再完全控制硬件，相反的，它们使用一个单独的公用的接口来控制硬件。 这个酷毙了的接口是什么？什么，这个甜美可爱（有时是令人生厌）的东西，我们把它叫做操作系统！? 1950s ——是的，操作系统来了 根据wiki 百科，第一个真正的操作系统是 GM-NAA I/O 。SHARE 操作系统的GM-NAA I/O 的后继者。SHARE 提供共享程序、缓冲区管理，并且是第一个可以执行由汇编语言编写的出现的操作系统。在20 世纪50 年代SHARE 是IBM 计算机的标准操作系统。  SHARE 操作系统(SOS) 是第一个提供缓冲区管理和共享程序的操作系统，并可以执行汇编语言程序。 “缓冲区管理”类似于“内存管理”。“共享程序”类似于不同的程序使用库文件。 从开始（不是真的 J ）的时候，操作系统的两个重要任务是管理内存和管理程序。 因为我们并不是在描述真正的（计算机）历史，让我们跳到老DOS 吧。 1964 ——DOS/360 和 OS/360 DOS/360 （或简称“DOS ”）是一个磁盘操作系统，IBM 最初宣称在1964 年末推出。因为一些问题，被迫延迟到1966 年6 月IBM 推出了DOS/360 的3 个版本。 它们是: BOS/360 - 8KB
DOS/360 - 16KB 配有磁盘
TOS/360 - 16KB 配有磁带
要注意的是DOS/360 没有多任务，也没有内存保护。OS/360 大约在同一时间在IBM 开发。OS/360 使用“OS/MFT ”(Multiple Fixed Transactions) 支持多任务。使用固定基地址（Fixed Base Address ）和OS/MVT (Multiple Variable Transaction) ，支持可变程序尺寸。 现在我们有了几个有钱的词——多任务（Multitasking ）、内存保护（ Memory Protection ）和 固定基地址（Fixed Base Address ），加上前面的我们有了程序执行（Program execution ）和内存管理（Memory Management ） 1969 ——Unix! Unix 操作系统原本用C 语言编写。C 语言和Unix 都是AT&T 创造的。Unix 和C 对于政府和教育部门自由分发，这使得它被引入到了多种设备和操作系统之中。 Unix 是一个多用户（multiuser ）、多任务（Multitasking ）的操作系统 。 Unix 包含一个内核（Kernel ）、文件系统（File System ）和一个命令壳（Comm 和 Shell ）。有大量的图形用户接口（Graphical User Interfaces (GUI) ） 使用命令壳（Comm 和 Shell ） 与操作系统交互，并提供更友好更漂亮的外观。 1982 ——Commodore DOS  Commodore DOS (CBM DOS) 在Commodore's 8 位计算机上使用。不像前面提到的那些在启动时由磁盘引导内存的计算机，CBM DOS 在驱动器内部执行——内部有ROM 芯片，被一个MOS 6502 CPU 执行。 1985 ——Microsoft Windows 1.0  第一个Windows 是一个DOS 应用程序。它的“MSDOS Executive ”程序可以运行程序“窗口（Windows ）”不能覆盖，所以每个“窗口”都显示在一边。它不怎么流行。 1987 ——Microsoft Windows 2.0  Windows 的第二个版本依然是一个DOS 图形壳（Graphical Shell ），但是支持窗口覆盖，以及更多的颜色。然而，受限于DOS ，它为被广泛使用。 注释：DOS 是一个16 位操作系统，使用线性地址访问内存，使用LBA(Linear Block Addressing 线性块地址) 访问磁盘。因为x86 平台向后兼容，当PC 引导时处在位（实模式）使用LBA ，更多内容，后文详述。 受限于16 位模式，DOS 不能访问超过1 MB 的内存。现在它通过打开键盘控制器上的第20 号地址线被解决了，我们在后边详细讨论。 因为1 MB 内存的限制Windows 很慢，这也是它无法流行的另一个主要原因。 1987 ——Microsoft Windows 3.0  Windows 2.0 被完全重写，Windows 3.0 还是一个DOS 图形壳，但它包含一个“DOS 扩展”以允许使用多达16 MB 的内存，跨越了DOS 的1 MB 限制。它支持多任务（multitasking ）。 正是这个Windows 使得Microsoft 做大。它支持可调整大小的窗口和窗口移动。 操作系统开发与Windows 的关系 我很少见到有操作系统的初级开发者会想要做下一代Windows 。虽然这是可能的，但是相当困难，并且对于只有一个人的团队来说这似乎是不可能的。看看前面的图片吧，记住图形壳在命令壳之上，都被内核执行。同样，记住，Windows 必须从这里开始。命令壳是DOS ，图形壳是“Windows ”。 基本概念 看看我们这个短暂的旅程，它给我们带来一些重要的新条目。开始的时候，我们只给出了关于操作系统的简单定义。前一节中的信息使我们能够得到更好更准确的操作系统定义。 为了得到一个更好的定义，让我们把前面加粗的词列在下面： 内存管理Memory Management
程序管理Program Management
多任务Multitasking
内存保护Memory Protection
固定基地址Fixed Base Address
多用户Multiuser
内核Kernel
文件系统File System
命令壳Comm 和 Shell
图像用户界面Graphical User Interface (GUI)
图像壳Graphical Shell
线性块地址Linear Block Addressing (LBA)
引导加载器Bootloader （来自前一章）
有更多需要考虑的，不是吗？——上面的列表也是对自己的抽象。 让我们看得更仔细些。 内存管理Memory Management 内存管理是： 动态的根据抽象的要求分配或收回内存。
实现分页（Paging ）或虚拟存储器（Virtual Memory ）。
确保操作系统内核不读或写未知的或是非法的内存。
监视并管理内存碎片（Memory Fragmentation ）。
程序管理Program Management 与内存管理相似。程序管理的任务是： 确保程序不覆盖另一个程序。
确保程序不损害系统数据。
控制程序请求以完成任务（比如分配和回收内存）。
多任务Multitasking 多任务是： 在多个程序之间切换，并给出时间片以使其执行。
提供一个任务管理器（Task Manager ）允许切换任务（就像Windows 的任务管理器）。
TSS （Task State Segment 任务栈段）切换。新条目！
同时执行多个任务。
内存保护Memory Protection 它是： 在保护模式下访问非法描述符（或非法段地址）。
覆盖程序本身。
覆盖在内存中的其他文件的一部分或几部分。
固定基地址Fixed Base Address “基地址”就是程序加载到内存中位置。在同城的应用程序编程中，你不需要它，但在操作系统开发中，你需要。 “固定”基地址简而言之就是程序每次加载到内存的基地址都是一样的，两个例子是BIOS 和引导加载器。 多用户Multiuser 它是： 注册及安全保护。
使多个用户在这台计算机上工作。
在保证数据不丢失，不损坏的前提下，切换用户。
内核Kernel 内核是操作系统的核心。它提供基本功能、内存管理、文件系统、程序执行等等。我们很快会详细了解内核，别着急?。 文件系统File System 在操作系统开发中，没有一个叫做“文件”的东西。从一开始（引导加载器）所有的东西都是纯二进制代码。 文件系统简单来说就是对文件信息的描述。多数情况下，这表示簇、段、段地址、根目录等。使得操作系统可以找到文件的确定起始并按顺序加载它。 文件系统也描述文件名。有外部（external ）文件名和内部（internal ）文件名。比如FAT12 定义文件名必须是11 个字符，不能多，也不能少，也就是说，比如文件名“KRNL.sys ”的内部文件名是： "KRNL    SYS" 我们会使用FAT12 并且在后面详细讨论。 命令壳Comm 和 Shell 命令壳是内核之上的一个独立程序。命令壳通过键入命令来提供一个基本的输入输出功能。命令壳使用内核来帮助其完成底层任务。 图形用户界面(GUI) 图形用户界面(GUI) 即是图形壳和用户之间的接口。 图形壳Graphical Shell 图形壳提供视频程序及底层图像功能。一般的它会被命令壳执行（就像Windows 1.0 、2.0 和3.0 ）。然而现在它们会自动执行。 线性块地址 (LBA) 操作系统能控制内存的每一个字节 。线性地址直接访问线性内存，比如 mov ax, [09000h]               ; 在操作系统开发中，没有访问违规 这既是好事也坏事，比如： mov bx, [07bffh]               ; 或者其他比7c00h 小的地址 mov cx, 10    .loop1:         mov [bx], 0h           ; 清空bx         inc bx                 ; 下一个地址         loop .loop1            ; 循环知道cx=0 上面的代码看似无害，但是，如果这段代码出现在引导加载器中，它会将自己用十个字节覆盖。呀，这是因为引导加载器被固定的加载到地址0x7c00:0 处，而上面的代码从 07bffh （ 07c00h 前一字节）开始写数据。 引导加载器Bootloader 引导加载器，我们从上一章就见到这个条目，从上一章我们知道，引导加载器被BIOS 加载，并且是操作系统中执行的第一个程序。 引导加载器被BIOS 加载到绝对地址0x7c00:0 处， 加载后，CS:IP 被设置为引导加载器的入口点，并且引导加载器获得全部控制权。 一个软盘扇区只有512 字节。记住引导加载器必须放到一个扇区中。这意味着什么？引导加载器的大小十分受限，不能超过512 字节。 大多数情况下，引导加载器要么加载并执行内核，要么加载并执行第二段引导加载器（Second Stage Bootloader ）。 我们会很快会深入了解引导步骤。 总结 我们看了看过去，并且学习了列表中的新条目。在历史课之后，我们提取条目，并展开讨论每一个是如何工作的。我们甚至还见到了一些代码，尽管很少。 之后，我们能够得到一个关于我们要做的事情的更简明的定义。 “一个提供给用户和支持程序的接口环境；提供一个稳健安全的环境；一个系统服务和硬件之间的接口层” 是的，这是我对“操作系统的”新定义，你的呢？ 下一章，我们将详细描述引导步骤，换言之，我们将创建和汇编真正的引导加载器。 下次见。  本文来自CSDN博客，转载请标明出处：http://blog.csdn.net/xiaoxiaoyaya/archive/2011/04/13/6321368.aspx