30天自制操作系统

启动区

（boot sector）软盘第一个的扇区称为启动区。那么什么是扇区呢？计算机读写软
盘的时候，并不是一个字节一个字节地读写的，而是以512字节为一个单位进行读
写。因此,软盘的512字节就称为一个扇区。一张软盘的空间共有1440KB，也就是
1474560字节，除以512得2880，这也就是说一张软盘共有2880个扇区。那为什么
第一个扇区称为启动区呢？那是因为计算机首先从最初一个扇区开始读软盘，然
后去检查这个扇区最后2个字节的内容。
如果这最后2个字节不是0x55 AA，计算机会认为这张盘上没有所需的启动程序，就
会报一个不能启动的错误。（也许有人会问为什么一定是0x55 AA呢？那是当初的
设计者随便定的，笔者也没法解释）。如果计算机确认了第一个扇区的最后两个字
节正好是0x55 AA，那它就认为这个扇区的开头是启动程序，并开始执行这个程序。

IPL

initial program loader的缩写。启动程序加载器。启动区只有区区512字节，实际的
操作系统不像hello-os这么小，根本装不进去。所以几乎所有的操作系统，都是把
加载操作系统本身的程序放在启动区里的。有鉴于此，有时也将启动区称为IPL。 但hello-os没有加载程序的功能，所以HELLOIPL这个名字不太顺理成章。如果有
人正义感特别强，觉得“这是撒谎造假，万万不能容忍！”，那也可以改成其他的
名字。但是必须起一个8字节的名字，如果名字长度不到8字节的话，需要在最后
补上空格。

启动

（boot）boot这个词本是长靴（boots）的单数形式。它与计算机的启动有什么关系
呢？一般应该将启动称为start的。实际上，boot这个词是bootstrap的缩写，原指靴
子上附带的便于拿取的靴带。但自从有了《吹牛大王历险记》（德国）这个故事
以后，bootstrap这个词就有了“自力更生完成任务”这种意思（大家如果对详情感
兴趣，可以在Google上查找，也可以在帮助和支持网页http://hrb.osask.jp上提问）。
而且，磁盘上明明装有操作系统，还要说读入操作系统的程序（即IPL）也放在磁
盘里，这就像打开宝物箱的钥匙就在宝物箱里一样，是一种矛盾的说法。这种矛
盾的操作系统自动启动机制，被称为bootstrap方式。boot这个说法就来源于此。如
果是笔者来命名的话，肯定不会用bootstrap 这么奇怪的名字，笔者大概会叫它“多
级火箭式”吧。

寄存器

AX——accumulator，累加寄存器
CX——counter，计数寄存器
DX——data，数据寄存器
BX——base，基址寄存器
SP——stack pointer，栈指针寄存器
BP——base pointer，基址指针寄存器
SI——source index，源变址寄存器
DI——destination index，目的变址寄存器

大家所用的电脑里配置的，大概都是64MB，甚至512MB这样非常大的内存。那是不是这些
内存我们想怎么用就能怎么用呢？也不是这样的。比如说，内存的0号地址，也就是最开始的部
分，是BIOS程序用来实现各种不同功能的地方，如果我们随便使用的话，就会与BIOS发生冲突，
结果不只是BIOS会出错，而且我们的程序也肯定会问题百出。另外，在内存的0xf0000号地址附
近，还存放着BIOS程序本身，那里我们也不能使用。

0x00007c00-0x00007dff ：启动区内容的装载地址

看到这，大家可能会问：“为什么是0x7c00呢？ 0x7000不是更简单、好记吗？”其实笔者也
是这么想的，不过没办法，当初规定的就是0x7c00。做出这个规定的应该是IBM的大叔们，不过
估计他们现在都成爷爷了。

通过以上的尝试，最终证明，不管是CPU还是内存，它们根本就不关心所处理的电信号
到底代表什么意思。这么一来，说不定我们拿数码相机拍一幅风景照，把它作为磁盘映像文
件保存到磁盘里，就能成为世界上最优秀的操作系统！这看似荒谬的情况也是有可能发生的。
但从常识来看，这样做成的东西肯定会故障百出。反之，我们把做出的可执行文件作为一幅
画来看，也没准能成为世界上最高水准的艺术品。不过可以想象的是，要么文件格式有错，
要么显示出来的图是乱七八糟的。

INT 13

 MOV AX,0x0820 
 MOV ES,AX 
 MOV CH,0 ; 柱面0 
 MOV DH,0 ; 磁头0 
 MOV CL,2 ; 扇区2 
 MOV AH,0x02 ; AH=0x02 : 读盘
 MOV AL,1 ; 1个扇区
 MOV BX,0 
 MOV DL,0x00 ; A驱动器
 INT 0x13 ; 调用磁盘BIOS 
 JC error
 

说明

AH=0x02;（读盘）
AH=0x03;（写盘）
AH=0x04;（校验）
AH=0x0c;（寻道）
AL=处理对象的扇区数;（只能同时处理连续的扇区）
CH=柱面号 &0xff; 
CL=扇区号（0-5位）|（柱面号&0x300）>>2; 
DH=磁头号; 
DL=驱动器号；
ES:BX=缓冲地址；(校验及寻道时不使用) 
返回值：
FLACS.CF==0：没有错误，AH==0 
FLAGS.CF==1：有错误，错误号码存入AH内（与重置（reset）功能一样）

以前我们用的“MOV CX,[1234]”，其实是“MOV CX,[DS:1234]”的意思。“MOV AL,[SI]”，
也就是“MOV AL,[DS:SI]”的意思。在汇编语言中，如果每回都这样写就太麻烦了，所以可以
省略默认的段寄存器DS。

上面虽然写着486用，但并不是说会出现仅能在486中执行的机器语言，这只是单纯的词语解
释的问题。所以486用的模式下，如果只使用16位寄存器，也能成为在8086中亦可执行的机器语言。
“纸娃娃操作系统”也支持386，所以虽然这里指定的是486，但并不是386中就不能用。可能会有
人问，这里的386，486都是什么意思啊？我们来简单介绍一下电脑的CPU（英特尔系列）家谱

8086→80186→286→386→486→Pentium→PentiumPro→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→…

中断

首先是CLI和STI。所谓CLI，是将中断标志（interrupt flag）置为0的指令（clear interrupt flag）。
STI是要将这个中断标志置为1的指令（set interrupt flag）。而标志，是指像以前曾出现过的进位标
志一样的各种标志，也就是说在CPU中有多种多样的标志。更改中断标志有什么好处呢？正如其
名所示，它与CPU的中断处理有关系。当CPU遇到中断请求时，是立即处理中断请求（中断标志为1），还是忽略中断请求（中断标志为0），就由这个中断标志位来设定。

全局段号记录表

GDT是“global（segment）descriptor table”的缩写，意思是全局段号记录表。将这些数据整
齐地排列在内存的某个地方，然后将内存的起始地址和有效设定个数放在CPU内被称作GDTR①的
特殊寄存器中，设定就完成了。

中断记录表

IDT是“interrupt descriptor table”的缩写，直译过来就是“中断记录表”。当CPU遇到
外部状况变化，或者是内部偶然发生某些错误时，会临时切换过去处理这种突发事件。这就是中
断功能。

我们拿电脑的键盘来举个例子。以CPU的速度来看，键盘特别慢，只是偶尔动一动。就算是
重复按同一个键，一秒钟也很难输入50个字符。而CPU在1/50秒的时间内，能执行200万条指令
（CPU主频100MHz时）。CPU每执行200万条指令，查询一次键盘的状况就已经足够了。如果查询
得太慢，用户输入一个字符时电脑就会半天没反应。

要是设备只有键盘，用“查询”这种处理方法还好。但事实上还有鼠标、软驱、硬盘、光驱、
网卡、声卡等很多需要定期查看状态的设备。其中，网卡还需要CPU快速响应。响应不及时的话，
数据就可能接受失败，而不得不再传送一次。如果因为害怕处理不及时而靠查询的方法轮流查看
各个设备状态的话，CPU就会穷于应付，不能完成正常的处理

正是为解决以上问题，才有了中断机制。各个设备有变化时就产生中断，中断发生后，CPU
暂时停止正在处理的任务，并做好接下来能够继续处理的准备，转而执行中断程序。中断程序执
行完以后，再调用事先设定好的函数，返回处理中的任务。正是得益于中断机制，CPU可以不用
一直查询键盘，鼠标，网卡等设备的状态，将精力集中在处理任务上。

PIC

所谓PIC是“programmable interrupt controller”的缩写，意思是“可编程中断控制器”。PIC
与中断的关系可是很密切的哟。它到底是什么呢？在设计上，CPU单独只能处理一个中断，这不
够用，所以IBM的大叔们在设计电脑时，就在主板上增设了几个辅助芯片。现如今它们已经被集
成在一个芯片组里了。

PIC是将8个中断信号①集合成一个中断信号的装置。PIC监视着输入管脚的8个中断信号，只
要有一个中断信号进来，就将唯一的输出管脚信号变成ON，并通知给CPU。IBM的大叔们想要
通过增加PIC来处理更多的中断信号，他们认为电脑会有8个以上的外部设备，所以就把中断信号
设计成了15个，并为此增设了2个PIC。

与CPU直接相连的PIC称为主PIC（master PIC），与主PIC相连的PIC称为从PIC（slave PIC）。
主PIC负责处理第0到第7号中断信号，从PIC负责处理第8到第15号中断信号。master意为主人，
slave意为奴隶，笔者搞不清楚这两个词的由来，但现在结果是不论从PIC如何地拼命努力，如果
主PIC不通知给CPU，从PIC的意思也就不能传达给CPU。或许是从这种关系上考虑，而把它们一
个称为主人，一个称为奴隶。

中断屏蔽寄存器

现在简单介绍一下PIC的寄存器。首先，它们都是8位寄存器。IMR是“interrupt mask register”
的缩写，意思是“中断屏蔽寄存器”。8位分别对应8路IRQ信号。如果某一位的值是1，则该位所
对应的IRQ信号被屏蔽，PIC就忽视该路信号。这主要是因为，正在对中断设定进行更改时，如
果再接受别的中断会引起混乱，为了防止这种情况的发生，就必须屏蔽中断。还有，如果某个IRQ
没有连接任何设备的话，静电干扰等也可能会引起反应，导致操作系统混乱，所以也要屏蔽掉这
类干扰。

ICW是“initial control word”的缩写，意为“初始化控制数据”。因为这里写着word，所以
我们会想，“是不是16位”？不过，只有在电脑的CPU里，word这个词才是16位的意思，在别的
设备上，有时指8位，有时也会指32位。PIC不是仅为电脑的CPU而设计的控制芯片，其他种类的
CPU也能使用，所以这里word的意思也并不是我们觉得理所当然的16位。

ICW有4个，分别编号为1~4，共有4个字节的数据。ICW1和ICW4与PIC主板配线方式、中断
信号的电气特性等有关，所以就不详细说明了。电脑上设定的是上述程序所示的固定值，不会设
定其他的值。如果故意改成别的什么值的话，早期的电脑说不定会烧断保险丝，或者器件冒
烟①；最近的电脑，对这种设定起反应的电路本身被省略了，所以不会有任何反应。

ICW3是有关主—从连接的设定，对主PIC而言，第几号IRQ与从PIC相连，是用8位来设定的。
如果把这些位全部设为1，那么主PIC就能驱动8个从PIC（那样的话，最大就可能有64个IRQ），
但我们所用的电脑并不是这样的，所以就设定成00000100。另外，对从PIC来说，该从PIC与主PIC
的第几号相连，用3位来设定。因为硬件上已经不可能更改了，如果软件上设定不一致的话，只
会发生错误，所以只能维持现有设定不变。

因此不同的操作系统可以进行独特设定的就只有ICW2了。这个ICW2，决定了IRQ以哪一号
中断通知CPU。“哎？怎么有这种事？刚才不是说中断信号的管脚只有1根吗？”嗯，话是那么说，
但PIC还有个挺有意思的小窍门，利用它就可以由PIC来设定中断号了

大家可能会对此有兴趣，所以再详细介绍一下。中断发生以后，如果CPU可以受理这个
中断，CPU就会命令PIC发送2个字节的数据。这2个字节是怎么传送的呢？CPU与PIC用IN
或OUT进行数据传送时，有数据信号线连在一起。PIC就是利用这个信号线发送这2个字节数
据的。送过来的数据是“0xcd 0x??”这两个字节。由于电路设计的原因，这两个字节的数据
在CPU看来，与从内存读进来的程序是完全一样的，所以CPU就把送过来的“0xcd 0x??”作
为机器语言执行。这恰恰就是把数据当作程序来执行的情况。这里的0xcd就是调用BIOS时
使用的那个INT指令。我们在程序里写的“INT 0x10”，最后就被编译成了“0xcd 0x10”。所
以，CPU上了PIC的当，按照PIC所希望的中断号执行了INT指令

下面要讲的内容可能有点偏离主题，但笔者还是想介绍一下“纸娃娃系统”的内存分布图。
0x00000000 - 0x000fffff : 虽然在启动中会多次使用，但之后就变空。（1MB）
0x00100000 - 0x00267fff : 用于保存软盘的内容。（1440KB）
0x00268000 - 0x0026f7ff : 空（30KB）
0x0026f800 - 0x0026ffff : IDT （2KB）
0x00270000 - 0x0027ffff : GDT （64KB）
0x00280000 - 0x002fffff : bootpack.hrb（512KB）
0x00300000 - 0x003fffff : 栈及其他（1MB）
0x00400000 - : 空
这个内存分布图当然是笔者所做出来的。为什么要做成这呢？其实也没有什么特别的理由，
觉得这样还行，跟着感觉走就决定了。另外，虽然没有明写，但在最初的1MB范围内，还有BIOS，
VRAM等内容，也就是说并不是1MB全都空着。

禁止高速缓存

为了禁止缓存，需要对CR0寄存器的某一标志位进行操作。对哪里操作，怎么操作，大家一
看程序就能明白。这时，需要用到函数load_cr0和store_cr0，与之前的情况一样，这两个函数不
能用C语言写，只能用汇编语言来写，存在naskfunc.nas里。

可编程的间隔型定时器

要在电脑中管理定时器，只需对PIT进行设定就可以了。PIT是“ Programmable Interval Timer”
的缩写，翻译过来就是“可编程的间隔型定时器”。我们可以通过设定PIT，让定时器每隔多少秒
就产生一次中断。因为在电脑中PIT连接着IRQ（interrupt request，参考第6章）的0号，所以只要
设定了PIT就可以设定IRQ0的中断间隔。……在旧机种上PIT是作为一个独立的芯片安装在主板
上的，而现在已经和PIC（programmable interrupt controller，参考第6章）一样被集成到别的芯片
里了。

分辨率

其实说起来也很简单。给AX赋值0x4f02，给BX赋值画面模式号码，这样就可以切换到高分
辨率画面模式了。为什么呢？这个笔者也答不上来，原本就是这样的。这次我们只是正好使用到
了这个功能。以前画面是320×200的时候，我们用的是“AH=0； AL=画面模式号码；”。现在切换
到新画面时就使用“AX = 0x4f02；”。

有鉴于此，多家显卡公司经过协商，成立了VESA协会（Video Electronics Standards
Association，视频电子标准协会）。此后，这个协会制定了虽然不能说完全兼容、但几乎可以通
用的设定方法，制作了专用的BIOS。这个追加的BIOS被称作“VESA BIOS extension”（VESA-BIOS
扩展，简略为VBE）。利用它，就可以使用显卡的高分辨率功能了。