Написание собственной Операционной Системы №1

Немного занудства

В этой серии статей я хотел бы рассказать о написании собственной ОС (прошу подождать с истерическим смехом по этому поводу). Конечно же, не на самом подробном уровне, тем не менее, какие-то азы, с которых будет полезно стартовать, я все же постараюсь рассказать. Я сразу хочу заметить, что я предполагаю, что некоторый опыт в программировании на Assembler у вас имеется, а так же вы знаете такие базовые понятия как сегментная память, реальный режим и пр. (Если нет, советую почитать для начала
книгу Зубкова)

Итак, начнем. Давайте рассмотрим приблизительно работу известных ОС.

Немного теории

Адресное пространство в DOS:

Первые 640 Кбайт (до графического видеобуфера) называются стандартной (conventional) памятью. Начинается стандартная память с килобайта, который содержит векторы прерываний, их 256 на каждый отводится по 4 байта.
Затем идет область данных BIOS (при включение компьютера BIOS выполняет POST – диагностику, которая проверяет все оборудование на наличие ошибок, если проверка завершилась удачно то BIOS грузит самый первый сектор (там находится загрузочная программа ОС) с выбранного устройства (дискеты, винчестера) по адресу 0x7C00h куда и передает управление). Где находятся данные необходимые для корректной работы функций BIOS. Но также можно модифицировать эту область, тем самым мы влияем на ход выполнения системных функций, по сути дела меняя что либо в этой области мы передаем параметры BIOS и его функциям, которые становятся более гибкими. В случае установленной DOS с сегментного адреса 500h начинается сама операционная система. После ОС до 640 Кбайт находятся прикладные или системные программы, которые были загружены ОС. 

За 640 килобайтами начинается старшая память или верхняя (upper) память, она располагается до 1 мегабайта (до HMA), т.е. она составляет 384 Кбайт. Тут располагаются ПЗУ (постоянно запоминающее устройство ) : текстовый видеобуфер (его микросхема рассчитана на диапазон B8000h…BFFFFh) и графический видеобуфер (A0000h…AFFFFh). Если требуется вывести текст то его ASCII коды требуется прописать в текстовый видеобуфер и вы немедленно увидите нужные символы. F0000h…FFFFFh, а вот и сам BIOS. Так же есть еще одна ПЗУ – ПЗУ расширений BIOS (C0000h…CFFFFh), её задача обслуживание графических адаптеров и дисков.

За первым мегабайтом, с адреса 100000h, располагается память именуемая как расширенная память, конец которой до 4 гигабайт. Расширенная память состоит из 2х подуровней: HMA и XMS. Высокая память (High Memory Area, HMA) доступна в реальном режиме, а это еще плюс 64 Кбайт (точнее 64 Кбайт – 16 байт), но для этого надо разрешить линию A20 (открыв вентиль GateA20). Функционирование расширенной памяти подчиняется спецификации расширенной памяти (Expanded Memory Specification, XMS), поэтому саму память назвали XMS-памятью, но она доступна только в защищенном режиме.

Давайте вернемся к началу адресного пространства в представлении DOS и рассмотрим его более подробно.

1) Векторы прерываний таковы (это нам понадобится, когда мы будем составлять свою таблицу прерываний):

IRQ INT Причина возникновения
IRQ0 8h Системный таймер
IRQ1 9h Клавиатура
IRQ2 10h Ведомый контроллер
IRQ3 11h Порт COM2, модем
IRQ4 12h Порт COM1, мышь
IRQ5 13h Порт LPT2
IRQ6 14h Дисковод
IRQ7 15h Порт LPT1, принтер
IRQ8 70h Часы реального времени
IRQ9 71h Прерывание обратного хода луча
IRQ10 72h Для дополнительных устройств
IRQ11 73h Для дополнительных устройств
IRQ12 74h PS мышь
IRQ13 75h Ошибка математического сопроцессора
IRQ14 76h Первый IDE-контроллер
IRQ15 77h Второй IDE-контроллер, жесткий диск

2) BIOS. Это в общем-то лирическое отступление, т.к. здесь мы рассмотрим не столько устройство BIOS, сколько научимся добавлять в него свои функции. Использование таковых, конечно, сделает нашу ОС, непереносимой, но для начального этапа они могут оказаться очень полезными. В написании ОС я больше не буду упоминать об этом, это остается пытливому читателю в виде самостоятельного упражнения. =)

Итак, BIOS (я буду говорить об AWARD BIOS, так как это наиболее популярные версии, поэтому возможно незначительные расхождения с другими
BIOS) – это последовательность запакованных файлов, которые заканчиваются файлом bootblock. Структура первого мегабайта памяти, отведенного под BIOS такова:

До свободного пространства идет основная часть BIOS, а именно:

original.tmp – главная часть, в которой располагается подпрограмма BIOS Setup, а так же части, необходимые для инициализации.
CRC – контрольная сумма BIOS
awardext.rom – подпрограмма вывода конфигурации компьютера
awardepa.bin – изображение
Так же могут встречаться другие необязательные модули.

Итак, при включении компьютера bootblock инициализирует регистры чипсета, распаковывает заархивированные (с помощью LHA) модули и отправляет их в память.
Соответственно данные файлы можно перепрограммировать, изменив или добавив что-то в BIOS. Таким образом можно изменить все настройки БИОС (начиная от надписей и кончая добавлением возможности работы с новыми устройствами, информации о которых нет в данной версии
BIOS). Делается это достаточно легко: например используя modbin (стандартная программа от Award) можно распаковать данные файлы
(взятые, например, из Интернета), изменить их по своему усмотрению и записать в
BIOS. Только при изменении заархивированных модулей не забывайте исправлять CRC, иначе BIOS подумает, что он испорчен.

Итак, что же нужно для более серьезной перепрошивки BIOS нежели незначительного изменения уже существующих кодов. Во-первых я напомню
вам, что существует множество компаний, производящий материнские платы, а так же процессоры, а единого стандарта для чипсетов не существует, поэтому написать универсальный BIOS ко всем материнским платам не возможно, необходимо написать для каждой материнской платы свои функции и объединить их в единый BIOS. Но для этого необходимо множество человеко-часов, поэтому в одиночку справиться с подобной задачей представляется достаточно трудным или попросту невозможным.

Итак, наша программа будет располагаться в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). BIOS передаст ей управление, но для этого он должен ее найти. Соответственно наша программа должна находиться в области с С800:0 до E000:0 в памяти, так как эта область сканируется BIOS на наличие определенной сигнатуры 0AA55H. В байте за этой подписью количество байт для подсчета их контрольной суммы. Если контрольная сумма равно нулю, то это ПЗУ и управление передается в область памяти, где была найдена данная сигнатура со смещением 3. Для того, чтобы «уровнять» контрольную сумму, необходимо в конце программы дописать байт, в котором будет число, равное разнице 100h и полученной контрольной суммы. 

Итак, вот так должна выглядеть ваша программа, которую Вы запишите в ПЗУ.

LENGTHROM EQU 2000H ; Размер ПЗУ в байтах = числу после подписи * 200H
CODE SEGMENT BYTE PUBLIC
ASSUME CS:CODE,DS:CODE
ORG 0
START:
DB 55h
DB 0AAh; Размер ПЗУ по модулю 200H
DB LENGTHROM SHR 9; Первая выполняемая команда
JMP BEGIN
BEGIN:
; Заносим в регистры нужные значения
MOV AX,CS
MOV DS,AX
; Код программы
; Вернуть управление БИОС
RETF
; Сюда запишем дополняющий байт
DB (0)
CodeEnd:
; заполнение оставшегося кода нулями
DB (LENGTHROM-(OFFSET CodeEnd-OFFSET START)) DUP (0FFH)
LastByte:
CODE ENDS
END START

Загрузка Linux и Windows

Это базовая и очень важная тема. Вспомним о БИОС, который загружает самый первый сектор (Master Boot Record) с выбранного в его настройках устройства (дискеты, винчестера, CD-ROM привода и пр.) по адресу 0x7C00h куда и передает управление. Программа, находящаяся в этой памяти называется первичным загрузчиком. У него не очень много возможностей, так как его размер ограничен 512 байтами. Его задачей является подготовка компьютера, а именно: запись в память вторичный загрузчик, предварительно считанный с HDD,
включить линию A20 и перевести процессор в защищенный режим. После этого управление передается вторичному загрузчику, цели работы которого точно не определены. Я считаю, что его главными задачами являются формирование таблицы прерываний, подготовка компьютера к работе с файловой системой, определение периферийных устройств, подключенных к компьютеры, передача управления ядру, скачанному им с диска заложенному в памяти.

Чтобы более точно понять устройство загрузки ОС, перед переходом к исходным тестам рассмотрим принципы загрузки наиболее популярных в наше время ОС: Linux и
Windows.

Linux может загружаться как через специализированный загрузчик (Lilo), так и через boot sector диска. Поскольку загрузчика у нас нет, а есть только желание более полно узнать об устройстве загрузки, рассмотрим второй случай:

1) boot sector записывает свой код в 9000h
2) Загружает с диска Setup, который находится в нескольких последующих секторах (9000h:0200h;)
3) Загружает ядро в 1000h. Ядро так же следует после Setup. Ядро должно быть меньше 508 килобайт
4) Управление передается Setup
5) Setup проверяется на корректность
6) С помощью BIOS определяется оборудование, размер памяти, наличие жестких дисков, наличие шины Micro channel bus, PC/2 mouse, Advanced power management, инициализируются клавиатура и видеосистема
7) Процессор переводится в защищенный режим
8) Управление передается ядру
9) Ядро переписывается по адресу 100000h (если оно было заархивировано, то оно предварительно разархивируется)
10) Управление передается ядру
11) Активируется страничная адресация
12) Происходит инициализация IDT и GDT, при этом в кодовый сегмент и в сегмент данных ядра входит вся виртуальная память
13) Инициализируются драйвера
14) Управление передается процессу init;
15. init запускает все остальные необходимые программы в соответствии с файлами конфигурации(init.X);

Теперь рассмотрим загрузку Windows (NT, так как ранние версии устарели):

1) boot sector загружает NTLDR
2) Процессор переходит в защищенный режим;
3) Делаются таблицы страниц
4) Механизм преобразования страниц;
5) Чтение boot.ini, используя код FS под названием read only. Выводит на экран выбор загрузки ОС (из boot.ini)
6) Из boot.ini считывается адрес директории Windows
7) Управление получает ntdetect.com, определяющий устройства, установленные на компьютере
8) Из %dir%\system32 загружается ntoskrnl.exe, в котором находится ядро.
9) Управление передается hal.dll с информацией об аппаратном обеспечении;
10) Загружаются драйвера и важные файлы
11) Стартует графическая оболочка и пр.

Ближе к практике

Итак, мы рассмотрели на примерах уже готовых ОС этапы загрузок, а так же устройство памяти. Приступим непосредственно к написанию своей ОС. Начнем мы с написания загрузчика, который должен обеспечить загрузку и подготовить все для старта ОС. Он будет делиться на два (деление условное). Задача первого подготовить базу, а точнее занести в память код с дискеты, после чего передать управление второму загрузчику, задача которого перевести процессор в защищенный режим и сделать другие подготовки для передачи управления уже собственно ядру.

1) Первичный загрузчик

Загружаться мы будем с дискеты, а следовательно нам необходимо читать с нее данные по секторам. 

// Принцип работы такой: читать можем только в первые 64к, поэтому сначала считывается цилиндр в 0x50:0 - 0x50:0x2400, а затем копируется туда, куда необходимо. При этом первый цилиндр считываем в конце.

section .text
BITS 16
org 0x7c00
// Ядро отправляем в 0x7c00
%define CTR 10 
%define MRE 5 
// Определение переменных
enter:
cli ;
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7c00
sti
// Поскольку мы не знаем значений различных регистров (за исключением CS, значение которого равно 0), то мы должны сами занести данные в данные регистры(а именно “занулить” SS, SP и DS). А так же отключить прерывания, чтобы в это время работу загрузчика ни что не сбивало.
// Далее:
// Мы собираемся перенести с дискеты данные, а попадут они на текущий код, поэтому необходимо перенести его в верхнюю часть доступной памяти. 
// В DS - адрес исходного сегмента
mov ax, 0x07c0
mov ds, ax
// В ES - адрес целевого сегмента
mov ax, 0x9000
mov es, ax
// Копируем с 0
xor si, si
xor di, di
// Копируем 128 двойных слов
mov cx, 128
rep movsd
// Прыжок в новоиспеченный bootsector (0x9000: 0)
jmp 0x9000:start
// следующий код выполняется по адресу 0x9000:0
begin:
// Заполним регистры новыми значениями
mov ax, cs
mov ds, ax
mov ss, ax 
// Сообщим пользователю о загрузке 
mov si, msg_startup
call ps
// Читаем цилиндр начиная с указанного в DI плюс нулевой цилиндр (в самом конце) в AX (адрес, куда будут записаны данные)
mov di, 1
mov ax, 0x290
xor bx, bx
.loop:
mov cx, 0x50
mov es, cx
push di
// Подсчет головки для использования
shr di, 1
setc dh
mov cx, di
xchg cl, ch
pop di
// Считаны ли все цилиндры?
cmp di, CTR
je .quit
call r_cyl
// Цилиндр считали в 0x50:0x0 - 0x50:0x2400 (в линейном варианте - 0x500 - 0x2900)
// Скопируем этот блок в нужный адрес:
pusha
push ds 
mov cx, 0x50
mov ds, cx
mov es, ax
xor di, di
xor si, si
mov cx, 0x2400
rep movsb
pop ds
popa
// Увеличим DI, AX и повторим все сначала
inc di
add ax, 0x240
jmp short .loop
.quit: 
// Т.к. у нас часть памяти была занята, мы считывали с первого цилиндра, не стоит забыть о нулевом и скачать еще и его
mov ax, 0x50
mov es, ax
mov bx, 0
mov ch, 0
mov dh, 0
call r_cyl
// Прыжок на загруженный код
jmp 0x0000:0x0700
r_cyl:
// Читаем заданный цилиндр, ES:BX – буфер, CH – цилиндр, DH - головка
// Сбросим счетчик ошибок
mov [.err], byte 0
pusha
// Сообщение о том, какая головку/цилиндр считывается
mov si, msg_cyl
call ps
mov ah, ch
call pe
mov si, msg_head
call ps
mov ah, dh
call pe
mov si, msg_crlf
call ps
popa
pusha
.start: 
mov ah, 0x02
mov al, 18
mov cl, 1
// Прерывание BIOS
int 0x13
jc .r_err
popa
ret
.err: db 0 
.r_err:
// Об ошибках сообщаем и выводим их код
inc byte [.err]
mov si, msg_err
call ps
call pe
mov si, msg_crlf
call ps
// Что делаем, если ошибок больше нормы:
cmp byte [.err], mre
jl .start
mov si, msg_end
call ps
hlt
jmp short $

table: db "0123456789ABCDEF"
pe:
// ASCII-код преобразуем в его шестнадцатеричного представления и выводим
pusha
xor bx, bx
mov bl, ah
and bl, 11110000b
shr bl, 4
mov al, [table+bx]
call pc
mov bl, ah
and bl, 00001111b
mov al, [table+bx]
call pc
popa
ret
// Из AL выводим символ на экран
pc:
pusha
mov ah, 0x0E
int 0x10
popa
ret
// Строку из SI выводим на экран
ps:
pusha
.loop:
lodsb
test al, al
jz .quit
mov ah, 0x0e
int 0x10
jmp short .loop
.quit:
popa
ret
// Служебные сообщения
msg_startup: db "OS loading...", 0x0A, 0x0D, 0
msg_cyl: db "Cylinder:", 0
msg_head: db ", head:",0
msg_er: db "Error! Code of it:",0
msg_end: db "Errors while reading",0x0A,0x0D, "Reboot the computer, please", 0
msg_crlf: db 0x0A, 0x0D,0 

// Сигнатура бутсектора: 
TIMES 510 - ($-$$) db 0
db 0xAA, 0x55

2) Вторичный загрузчик

А теперь вторичный загрузчик:

[BITS 16]
[ORG 0x700]
// Обнулим регистры, установим стек
cli 
mov ax, 0
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x700
sti
// Сообщение о приветствии
mov si, msg_start
call kputs
// Сообщение о переходе в защищенный режим
mov si, msg_entering_pmode
call ps
// Отключение курсора (просто так)
mov ah, 1
mov ch, 0x20
int 0x10
// Установим базовый вектор контроллера прерываний в 0x20
mov al,00010001b 
out 0x20,al 
mov al,0x20 
out 0x21,al 
mov al,00000100b 
out 0x21,al
mov al,00000001b 
out 0x21,al 
// Отключим прерывания
cli
// Загрузка регистра GDTR: 
lgdt [gd_reg]
// Включение A20: 
in al, 0x92
or al, 2
out 0x92, al
// Установка бита PE регистра CR0
mov eax, cr0 
or al, 1 
mov cr0, eax 
// С помощью длинного прыжка мы загружаем селектор нужного сегмента в регистр CS
jmp 0x8: _protect
ps:
pusha
.loop:
lodsb
test al, al
jz .quit
mov ah, 0x0e
int 0x10
jmp short .loop
.quit:
popa
ret
// Следующий код - 32-битный
[BITS 32]
// При переходе в защищенный режим, сюда будет отдано управление
_protect: 
// Загрузим регистры DS и SS селектором сегмента данных
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
// Наше ядро слинковано по адресу 2мб, переносим его туда. ker_bin - метка, после которой вставлено ядро
mov esi, ker_bin
// Адрес, по которому копируем
mov edi, 0x200000
// Размер ядра в двойных словах (65536 байт)
mov ecx, 0x4000
rep movsd
// Ядро скопировано, передаем управление ему
jmp 0x200000
gdt:
dw 0, 0, 0, 0 
// Нулевой дескриптор
db 0xFF 
// Сегмент кода с DPL=0 Базой=0 и Лимитом=4 Гб 
db 0xFF 
db 0x00
db 0x00
db 0x00
db 10011010b
db 0xCF
db 0x00
db 0xFF 
// Сегмент данных с DPL=0 Базой=0 и Лимитом=4Гб 
db 0xFF 
db 0x00 
db 0x00
db 0x00
db 10010010b
db 0xCF
db 0x00
// Значение, которое мы загрузим в GDTR: 
gd_reg:
dw 8192
dd gdt
msg_start: db "Get fun! New loader is on", 0x0A, 0x0D, 0
msg_epm: db "Protected mode is greeting you", 0x0A, 0x0D, 0

Оба загрузчика готовы. Осталось лишь откомпилировать их и отправить на bootsector дискеты. За сим с первой частью я заканчиваю, в следующей части мы будем писать ядро системы.