[翻译]如何开始开发本身的操做系统

This tutorial is written by K.J. and Joachim Nock. Updated 2002.11.20 by K.J.

原文地址：http://www.osdever.net/tutorials/view/getting-started-in-os-development

译者能力有限，欢迎砍砖，共同进步

正文开始

目前看来确实有不少人想要写一个本身的操做系统，可是他们不知道到底从哪开始，并且他们不知道到底都须要掌握哪些计算机语言。

其实，让我开始写我本身的操做系统的时候，我确实也经历了这样的问题。所以我写了这个如何开始开发操做系统的教程。

我写了个Q&A表来帮助你们理解。

Q：要写一个本身的操做系统，我都应该掌握哪些计算机语言？

A：你须要至少知道汇编语言（ASM），由于你将使用它去写一个bootsector（下面会解释这个问题）以及很多其它的事情。我还建议你须要学习C/C++，与汇编语言相比它更好理解一些。你能够把它们都用在你的操做系统中。你可能会想使用Pascal和汇编去替代C++，可是我建议使用C/C++和汇编。（记住这里有一些关于C++和操做系统开发的特别的问题）

Q：什么是bootsector（引导扇区）？

A：bootsector被存在你的软驱或者硬盘最前端的小程序。它用来帮助找到你的内核（这是你操做系统的主要部分），而且把它加载到内存中，而且运行它。

Q：是否是我不得不在一个操做系统上去写的个人操做系统？

A：是的，不少人使用MS Windows或者Linux来开发他们的操做系统。

Q：我应该使用什么编译器？

A：对于汇编语言来讲，我建议使用NASM，由于他是免费的，有很好的文档，能够输出不少文件格式，而且支持大多数操做系统，咱们能够找到不少可用的源代码示例。对于C/C++来讲，我建议使用Linux的朋友使用gcc，MS Windows平台下的朋友使用DJGPP。（它们是相互兼容的）。

Q：怎么作才能让个人操做系统的bootsector启动起来？

A：你须要输出一个二进制文件。若是你使用NASM的话，你须要使用-f bin参数，若是你使用C/C++的话你须要一个linker（链接器）去作这些事情（下面会介绍linker）。

Q：什么是linker，我应该怎么把它用在个人开发中。

A：一个linker能够把编译器生成的文件连接成一个文件。在操做系统开发过程当中，你将会常常想要把你的文件连接成一个庞大的2进制文件。对于LD（大多数人通常都会与DJGPP或者gcc一块儿使用链接器）咱们须要使用—oformat binary参数。若是你使用LD的话，你可能还须要一个linker script（连接脚本）去控制的你连接。见My suggestions for making your OS。

http://www.osdever.net/mysuggestions.php

译者注：连接已经失效

Q：什么是Real Mode（实模式）？

A：Real Mode是一个当你打开x86(386,486,Pentium,etc)电脑时的CPU状态。Real Mode有如下几个劣势：

它缺少保护，而且缺少阻止程序与其余程序发生混乱和冲突的能力。

也许你只有一个任务

你最多只有1兆的地址空间。

你必须分段去访问内存。

Q：什么是Protected Mode（保护模式）？

A：Protected Mode（还称做PMode）是一个Real Mode的进阶模式。Protected Mode相对Real Mode有如下几个优点:

Protected Mode是被保护的，这个是一个去阻止程序与其余程序发生冲突混乱的能力（这是Protected Mode的名字的由来）。

也许你只有几个任务（就像Windows和Linux）。

你有4G的内存空间，是的4G。（一次使A20-Gate可用，看下一个问题）。

你可使segmentation（段）去访问内存。

若是这还不够明显，那除非你有一个很是特殊的缘由去使用Real Mode，不然你的操做系统须要运行在Protected Mode下。

Q：什么是A20-Gate？

A：8086微处理器（也就是在286，386，486，奔腾等以前的Intel处理器）能够寻址（access）1MB的地址空间（access space）。对于这个寻址范围，20根地址线（A0-A19）已经足够了。在Intel发明了80286（一般被叫作286）以后。80286须要寻址到16MB的寻址空间，可是80286倒是和8086同样的（这是为了保证哪些为8086开发的程序也能一样运行在80286上）。

那解决方案是什么呢。首先必需要给80286更多的地址门，可是一些程序已经依赖于这1MB的地址空间。

让咱们看看在这种状况下8086看到了什么：你有一个地址：11111111111111111111，当你要给它加1的时候，结果倒是0。缘由是你没有第21位（A20）。可是80286确实有不少位。

为了解决这个问题，Intel创造了80286  A20-Gate关闭模式，这种状况下，地址范围就是20位。所以，为了寻址超过1MB的内存，咱们必须打开A20-Gate。 

Q：什么是selector？

A：selector（有些状况也被叫作descriptor）是一个分段的定义。它包含了基础段属性的一个描述。像基段（它是内存的开始）和段的极限（它的长度）。每一个selector都有64 位长。关于它的更多描述，咱们能够看GDT和LDT。

Q：什么是GDT？

A：GDT是一个包含selector的表。简单的说，它为寻址全部的selector提供了一个开始地址。

译者注 start

这里关于GDT的解释很是少，因此我再解释一下

GDT全称是Global Descriptor Table

在咱们实际使用CPU的时候，确定是同时执行N个程序，每一个程序都会有本身的内存空间，所以咱们要为每一个程序声明本身的内存空间。

因此要使用GDT（中文是啥我也不知道）。

内存会被分红若干个segmentation（段）。

这样咱们就能够为每一个程序声明ORG 0，可是在声明以前，咱们须要为每一个segmentation声明一些信息：

段（segment）的大小

段在内存中的开始位置

段的管理属性，好比只读，系统专用等。

以上内容参考自tetsu的博客，我会在Reference List写下它的地址。

译者注 end

Q：什么是interrupt（中断）？

A：interrupt是一个中断如今CPU任务的信号。它告诉CPU你要接受一个重要的事件。举个硬件中断的例子，CPU须要中断如今的任务去运行中断捕获者（interrupt handler => 中断处理函数）。这个中断捕获者（中断处理函数）是一个特别的功能，它被设计去捕获（handle => 处理）一些具体的中断（好比从键盘输入文字）。对中断来说他们有不少特别的特性，举个例子，他常被用于去把ring 3转换成ring 0（they can be used to switch from ring 3 to ring 0），它们在操做系统中可能被用于作一个系统呼叫。

译者注 start

这个是程序的运行级别, ring 0级是最高级别, 一般是系统内核运行的, 而ring 3是最低级别, 一般就是咱们的应用程序运行的级别.

扩展阅读：

Wikipedia => 用户态 => http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%A8%E6%88%B7%E6%80%81

Wikipedia => Ring (computer security) => http://en.wikipedia.org/wiki/Ring_(computer_security)

笔者会在深刻学习后，把上面这篇文章翻译了。

感谢@Nemesis_E comrade抓错，你好用心啊。

译者注 end

Q：什么是PIC（Programmable Interrupt Controller）？

A：PIC是能够编程的interrupt（中断）控制器，它是一个能够在CPU发生中断时捕获硬件中断请求和信号的装置。当它发生时，PIC和CPU会交流发生的那个请求，并且CPU会中断如今的任务而且为那个请求执行interrupt handler。

Q：什么是PIT？

A：PIT（Programmable Interrupt Timer）可编程中断计时器，是一个可编程（你能够改变它的速度）硬件计时器，当它消失的时候（IRQ 0）它会快速的发送（fires off => to quickly send a message or give instructions）一个中断。它主要被用于任务调度。

Q：我应该按照什么顺序去开发个人操做系统？

A：事实上你能够从任何地方开始，可是你能够最后被各类bug终结。我建议你能够先写一个bootsector，而后再写一个基础的内核，最后再一点点的完善这个内核。

Q：在启动时都须要什么基础步骤才能引导进PMode（Protected Mode => 保护模式）？

A：

禁用全部中断，这样就没有事情能困扰你了。

设置GDT

使A20可用

设置CR0的第一位为1

从GDT中为段寄存器加载正确的值

从作一个for jump那里为CS和EIP加载正确的值

你如今已经在PMode（Protected Mode）了

有一篇Chris Giese写的叫作Protected Mode的文章覆盖了更多的细节

连接是http://www.osdever.net/tutorials/pm.php

译者注：之后我会翻译这篇文章。翻译后我会改掉这个连接。

Q：个人问题不在这里，那我应该作什么

A：你能够发给我email，我会试着回答你，而且把你的问题添加到这篇文章里（这个教程离完成还远者呢）。

译者注：做者的邮箱是：osdev@reallyneatmail.zzn.com

感谢

@Nemesis_E 帮我抓错

@杨同窗 错别字，第一个回复

@闲尘 提出翻译指正

@海上添翼

@陈阳阳阳

@RGW

注：但愿OSCHINA早日出@人功能

Reference List

对GDT的解释（上） => http://tetsu.iteye.com/blog/403407