# os

**Repository Path**: gsool/os

## Basic Information

- **Project Name**: os
- **Description**: 从零开始写一个操作系统
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 0
- **Created**: 2026-06-07
- **Last Updated**: 2026-07-10

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 从零开始写一个操作系统 — Turbo C 界面演示

> 一个运行在 x86 实模式下的 Turbo C 2.01 风格界面演示程序，从引导扇区开始，完全用 NASM 汇编编写，展示两阶段引导和 VGA 文本模式界面绘制技术。

---

## 1. 项目简介

本项目实现了一个可以在计算机启动时直接运行的 Turbo C 2.01 风格界面演示程序。按下电源键后，经过 BIOS 引导 → 加载第二阶段代码 → 绘制完整界面，无需任何操作系统。

### 1.1 项目目标

- 理解计算机从按下电源键到执行自定义代码的完整流程
- 掌握 BIOS 中断调用（视频、磁盘）
- 理解 MBR 引导扇区结构和二级引导原理
- 学习 NASM 汇编语言和 16 位实模式编程
- 实践 VGA 文本模式界面绘制和 CP437 边框字符

### 1.2 项目文件结构

```
os/
├── boot.asm              # 引导加载器（512 字节，MBR）
├── boot.bin              # 编译后的引导扇区
├── sprite_720x400.asm      # 第二阶段代码（1024 字节，界面绘制）
├── sprite.bin            # 编译后的第二阶段代码
├── sprite.img            # 最终可启动镜像（boot.bin + sprite.bin）
├── build.bat             # 编译脚本
├── run.bat               # 编译 + QEMU 运行
├── flash-boot.c          # 磁盘烧录工具（支持多扇区写入）
├── flash-boot.exe        # 编译后的烧录工具
├── nasm.exe              # NASM 汇编器
└── Turbo C 2.01.png      # 参考界面图片
```

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## 2. 预备知识

### 2.1 x86 实模式

- 计算机刚开机时处于 **16 位实模式**（Real Mode）
- 只能访问 1MB 内存（地址线 20 位）
- 使用 16 位寄存器：`AX`, `BX`, `CX`, `DX`, `SI`, `DI`, `BP`, `SP`

### 2.2 BIOS 中断

BIOS 提供了基本的硬件操作接口，通过 `int` 指令调用：

| 中断号 | 用途 | 本项目中的使用 |
|--------|------|---------------|
| `int 0x10` | 视频服务 | 设置文本模式、移动光标 |
| `int 0x13` | 磁盘服务 | 加载第二阶段代码到内存 |

### 2.3 MBR 引导扇区

- **大小**：正好 512 字节
- **签名**：最后两个字节必须是 `0x55` `0xAA`
- **加载地址**：BIOS 会把它加载到内存地址 `0x7C00`

### 2.4 VGA 文本模式

- **分辨率**：80×25 字符
- **显存地址**：`0xB8000`
- **每个字符**：2 字节（低字节=字符码，高字节=属性）
- **属性字节**：低 4 位前景色，高 4 位背景色

### 2.5 CP437 边框字符

使用扩展 ASCII 字符集绘制界面边框：

| 字符码 | 显示 | 用途 |
|--------|------|------|
| `0xCD` | ═ | 标题栏横线 |
| `0xD5` | ╒ | 标题栏左上角 |
| `0xB8` | ╕ | 标题栏右上角 |
| `0xB3` | ┃ | 竖线 |
| `0xC4` | ─ | 横线（消息行） |
| `0xC3` | ├ | T型连接（消息行左边框） |
| `0xB4` | ┤ | T型连接（消息行右边框） |
| `0xC0` | └ | 左下角（消息区） |
| `0xD9` | ┘ | 右下角（消息区） |

---

## 3. 启动流程

```
按下电源键
    ↓
BIOS 自检（POST），初始化硬件
    ↓
读取磁盘第一个扇区（boot.bin，512 字节）→ 内存 0x7C00
    ↓
boot.asm（引导加载器）用 int 0x13 加载扇区 2-3 → 内存 0x7E00
    ↓
设置 80×25 文本模式（int 0x10）
    ↓
跳转到 0x7E00 执行第二阶段代码
    ↓
sprite_720x400.asm：绘制完整界面
    ├── fill_screen：填充背景色
    ├── draw_menu_text：绘制菜单栏
    ├── draw_title_bar：绘制标题栏
    ├── draw_status_text：绘制状态栏
    ├── draw_editor_borders：绘制编辑区边框（含消息区）
    └── draw_function_keys：绘制功能键提示
    ↓
显示 Turbo C 风格界面，暂停
```

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## 4. boot.asm — 引导加载器

`boot.asm` 是 BIOS 加载的第一个程序，运行在 `0x7C00`，职责是加载第二阶段代码并跳转执行。

```asm
[org 0x7C00]
[bits 16]

    xor  ax, ax          ; 设置段寄存器
    mov  ds, ax
    mov  es, ax
    mov  ss, ax
    mov  sp, 0x7C00
    mov  [drive], dl

    ; 用 int 0x13 从磁盘读取扇区 2-3 到内存 0x7E00
    mov  ah, 0x02         ; AH=0x02: 磁盘读取
    mov  al, 2            ; 读 2 个扇区
    mov  ch, 0            ; 柱面 0
    mov  cl, 2            ; 从扇区 2 开始
    mov  dh, 0            ; 磁头 0
    mov  dl, [drive]
    mov  bx, 0x7E00
    int  0x13

    jnc  .ok
    ; 读取失败：显示 "Error"
    ...
.ok:
    mov  ax, 0x0003       ; 设置 80×25 文本模式
    int  0x10

    jmp  0x7E00           ; 跳转到第二阶段代码
```

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## 5. sprite_720x400.asm — 第二阶段代码

第二阶段代码（1024 字节）包含所有界面绘制函数：

| 函数 | 功能 |
|------|------|
| `fill_screen` | 填充背景色（行0和行24灰色，其余蓝色） |
| `draw_menu_text` | 绘制菜单栏（8个菜单项，快捷键红字） |
| `draw_title_bar` | 绘制标题栏（边框+Edit文字） |
| `draw_status_text` | 绘制状态栏（Line 1 Col 1...） |
| `draw_editor_borders` | 绘制编辑区边框（竖线+底线+消息区） |
| `draw_function_keys` | 绘制功能键提示（F1-F10） |

### 界面布局

| 行号 | 区域 | 背景色 | 内容 |
|------|------|--------|------|
| 0 | 菜单栏 | 灰色 | File、Edit、Run、Compile、Project、Options、Debug、Break/watch |
| 1 | 标题栏 | 蓝色 | 边框+Edit标题 |
| 2 | 状态栏 | 蓝色 | Line、Col、Insert、Indent、Tab、Fill、Unindent、文件名 |
| 3-20 | 编辑区 | 蓝色 | 代码编辑区域，带左右竖边框 |
| 21 | 底部边框行 | 蓝色 | 水平边框线，中间显示"Message" |
| 22 | 分隔行 | 蓝色 | 只有左右竖边框 |
| 23 | 消息行 | 蓝色 | 水平边框线 |
| 24 | 功能键提示 | 灰色 | F1-Help、F5-Zoom、F6-Switch 等 |

---

## 6. 颜色方案

| 属性字节 | 前景色 | 背景色 | 用途 |
|----------|--------|--------|------|
| `0x70` | 黑色 | 灰色 | 菜单栏、功能键行背景 |
| `0x74` | 红色 | 灰色 | 功能键数字高亮 |
| `0x17` | 白色 | 蓝色 | 编辑区、标题栏、状态栏背景和边框 |
| `0x1F` | 白色 | 蓝色（高亮） | 标题栏"Edit"文字 |

---

## 7. 编译与运行

### 7.1 快速开始（推荐）

双击 `run.bat` 或在命令行执行：

```cmd
run.bat
```

它会自动编译并启动 QEMU 虚拟机运行演示。

### 7.2 手动编译

```cmd
build.bat
```

执行以下步骤：
```bash
nasm boot.asm -f bin -o boot.bin           # 编译引导加载器（512字节）
nasm sprite_720x400.asm -f bin -o sprite.bin # 编译第二阶段代码（1024字节）
```

### 7.3 生成可启动镜像

```cmd
copy /b boot.bin + sprite.bin sprite.img
```

`/b` 表示二进制拼接，将 boot.bin（512 字节）和 sprite.bin（1024 字节）拼接成 sprite.img（1536 字节）。

### 7.4 QEMU 运行

```bash
qemu-system-i386 -drive file=sprite.img,format=raw,if=floppy
```

`if=floppy` 模拟软盘，BIOS 会从软盘的第一个扇区引导。

### 7.5 写入真实磁盘

> ⚠️ **警告：此操作会覆盖目标磁盘的前 N 个扇区，可能导致数据丢失！**

```cmd
:: 以管理员身份运行
flash-boot.exe sprite.img 1    # 写入磁盘 1
```

工具会列出所有磁盘供选择，自动备份原有扇区，确认后写入。

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## 8. flash-boot.c — 磁盘烧录工具

将镜像文件（如 `sprite.img`）写入物理磁盘起始位置，支持多扇区写入。

### 8.1 功能

- 列出系统所有物理磁盘（型号、大小）
- 自动验证镜像的引导签名（`0x55AA`）
- 写入前自动备份原扇区到文件
- 支持命令行参数和交互式两种模式

### 8.2 写入流程

```
读取镜像文件 → 扇区对齐 → 验证签名 → 用户确认 → 备份原扇区 → 写入磁盘
```

### 8.3 编译

```bash
gcc flash-boot.c -o flash-boot.exe
```

需要 Windows API（`CreateFileA`、`DeviceIoControl` 等），仅支持 Windows 平台。

---

## 9. 常见问题

**Q: 为什么要用 NASM 而不是 GCC？**

引导扇区和第二阶段代码都必须是**纯二进制**格式，没有 ELF/PE 等格式头。C 编译器产出的目标文件无法直接作为引导代码。

**Q: 为什么用软盘格式而不是硬盘？**

`if=floppy` 让 QEMU 将镜像视为软盘，BIOS 会从软盘引导。使用 `if=ide` 也可以模拟硬盘，但需要确保镜像的第一个扇区是有效的 MBR。

**Q: 第二阶段代码为什么是 1024 字节？**

因为所有界面绘制函数（fill_screen、draw_menu_text、draw_title_bar、draw_status_text、draw_editor_borders、draw_function_keys）和数据字符串（菜单、标题、状态栏、功能键文本）需要超过 512 字节，所以占用 2 个扇区。

**Q: 为什么 boot.asm 中 `int 0x13` 的 `al=2`？**

`al` 指定读取的扇区数。第二阶段代码是 1024 字节（2 个扇区），所以需要读取 2 个扇区。

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## 10. 学习路线

本项目涵盖的知识点可以延伸到操作系统开发的多个方向：

1. **已完成** — 引导扇区、二级加载、BIOS 中断、文本模式显示、界面绘制
2. **下一步** — 进入 32 位保护模式（设置 GDT、打开 A20 地址线）
3. **内核开发** — 用 C 语言编写内核主体，汇编作为入口
4. **内存管理** — 实现分页和内存分配器
5. **文件系统** — 实现 FAT12/ext2 等简单文件系统
6. **图形模式** — 从文本模式切换到 VGA 图形模式

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> 从一个 512 字节的引导扇区到完整的 Turbo C 风格界面——这就是底层编程的魅力。