自己動手寫一個作業系統 0 - 前言與準備工作

2025/9/22 教學作業系統程式設計 OS QEMU

此文章參考此書王者歸來和大師一起動手撰寫一個完整的作業系統與自制操作系统系列文章

會以 x86 架構為主，並使用 C 語言與少量的組合語言來撰寫一個簡單的作業系統
使用 QEMU 作為模擬器，並使用 GCC 與 NASM 作為編譯器
使用 Linux 作為開發環境，並假設讀者對 Linux 有基本的了解
這系列文章的程式碼會放在 GitHub 上，讀者可以自行下載與修改

計算機的啟動過程

Computer Boot Process

第一條指令

當開機的瞬間，CPU 的代碼段寄存器 (Code Segment Register, CS) 會被設置為 0xFFFF，而指令指標寄存器 (Instruction Pointer Register, IP) 則會被設置為 0x0000。這表示 CPU 將從物理地址 0xFFFF0 開始執行指令。這個地址位於 BIOS ROM 的最後 16 個位元組，這段程式碼通常稱為「啟動程式碼」(Bootstrap Code)。
CS:IP 就是 PC 指標，也就是 CPU 下一個要執行的指令位址
我們可以用 qemu 的 -S -s 參數來讓 QEMU 在啟動時暫停，並開啟一個 GDB 伺服器，這樣我們就可以連接到 QEMU 並檢查 CPU 的狀態

sudo apt update
sudo apt install qemu-system-x86
qemu-system-i386 -S -s

QEMU check compatmonitor

輸入 info registers 就可以看到 CPU 通電時寄存器的狀態
QEMU check registers

BIOS 的工作

由於開機時處於實模式 (Real Mode)，段基址 (Segment Base Address) 要左移 4 位元 (乘以 16) 才能得到實際的物理地址
於是 CS:IP = 0xFFFF:0x0000 會被轉換成 0xFFFF0，這個地址位於 BIOS ROM 的最後 16 個位元組

不過，0xFFFF0 到地址最後的 0xFFFFF 只有 16 個字節的空間，BIOS 又要檢測硬體與各種初始化工作，還要建立中斷向量表 (Interrupt Vector Table, IVT)，顯然不夠用
這說明 BIOS 真正的啟動程式碼並不在這裡，這裡的程式碼只是用來轉跳到 BIOS 的其他部分
根據上表，BIOS 的啟動程式碼會將控制權轉交給位於 0xF000:0xE05B (物理地址 0xFE05B)
接下來會進行記憶體檢測、顯卡等硬體初始化，並在記憶體 0x0000~0x03FF 建立中斷向量表 (IVT) 並填寫中斷處理程式的地址
接著 BIOS 會檢查第一個可開機裝置的 0 盤 0 道 1 扇區 (Cylinder 0, Head 0, Sector 1) 最後的兩個位元組是否為 0x55AA，這是 MBR (Master Boot Record) 的標誌
如果有找到，BIOS 就會將這個扇區讀取到記憶體的 0x7C00，並將控制權轉交給這個位置

一直到這裡，我們都無法控制 CPU 的行為，因為這些都是由 BIOS 來完成的

如下圖，虛線左邊是 BIOS 的工作，右邊才是我們可以控制的部分
BIOS and OS

MBR 的結構

我們從 MBR 開始接手 CPU 的控制權，我們寫的第一個程式就是 MBR
MBR 的大小是 512 個位元組 (1 個扇區)，結構如下
MBR Structure
圖片來源: What’s at 1st sector/MBR of hard disk(MBR Forensics)

0~445 位元組: 引導程式碼 (Bootloader Code)
446~509 位元組: 分割表 (Partition Table)
510~511 位元組: 啟動標誌 (Boot Signature)，必須是 0x55AA，也就是上圖的 END OF MBR

我們的 MBR 程式碼必須放在前 446 個位元組，並且最後兩個位元組必須是 0x55AA，這樣 BIOS 才會認為這是一個有效的 MBR
分割表我們暫時不需要管它，可以全部設為 0

loader 的功能

由於 MBR 的空間只有 512 個字節，無法容納太多程式碼
所以我們的 MBR 程式碼只會做一件事，就是將第二個扇區 (Cylinder 0, Head 0, Sector 2) 的資料讀取到記憶體的 0x7E00，然後跳轉到這個位置執行
這個第二個扇區的程式碼我們稱為 loader，它的功能是

初始化系統 (例如設定段寄存器)
切換到保護模式 (Protected Mode)
載入並執行作業系統核心 (Kernel)

kernel 的功能

loader 最終將 kernel 載入到記憶體的 0x100000 (1MB) 處，並跳轉到這個位置執行

總結

我們的作業系統將包含三個主要部分

MBR (512 bytes): 位於磁碟的第一個扇區
loader (512 bytes): 位於磁碟的第二個扇區
kernel (大小不定): 位於磁碟的第三個扇區

所以我們之後使用 NASM 來編寫 MBR 和 loader，使用 C 語言來編寫 kernel

LOADING