1、重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告 院（系）:_電氣與信息工程學(xué)院_ 專業(yè)班級: 計(jì)科普 2008-02學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 設(shè)計(jì)地點(diǎn)（單位）_ _ i515_ _ _ 設(shè)計(jì)題目:_ 微型操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)_ _ 完成日期： 2011 年 6 月 19 日 指導(dǎo)教師評語: _ _ _ _ _ 成績（五級記分制）:_ _ _ 指導(dǎo)教師（簽字）:_ _ _ 重慶科技學(xué)院重慶科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：微型操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名課程名稱操作系統(tǒng)原理課程設(shè)計(jì)專業(yè)班級計(jì)科普 08地 點(diǎn) i515起止時間2011 年 6 月 12 日-2011 年 6 月 16日設(shè)計(jì)內(nèi)容及要

2、求(1) 配置操作系統(tǒng)編寫的所需的環(huán)境（虛擬機(jī)的建立和相應(yīng)環(huán)境建立） ，以準(zhǔn)備相關(guān)的必須工具的準(zhǔn)備，并學(xué)會相關(guān)工具的使用，為以后編寫一個微操作系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)和準(zhǔn)備平臺。(2) 學(xué)習(xí) nasm 匯編器在本次設(shè)計(jì)中的使用。(3) 學(xué)習(xí)裸機(jī)啟動的過程，消化操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，完成在實(shí)模式下從軟盤引導(dǎo)計(jì)算機(jī)的程序編寫。(4) 學(xué)習(xí)本次設(shè)計(jì)需要的實(shí)模式到保護(hù)模式切換的相關(guān)知識。理解 gdt 在保護(hù)模式的工作機(jī)理(5) 編寫在保護(hù)模式下的引導(dǎo)程序，并用 c 語言模擬寫一個“內(nèi)核” ，并實(shí)現(xiàn)在保護(hù)模下通過引導(dǎo)程序啟動計(jì)算機(jī)并將該“內(nèi)核”加載到內(nèi)存中。最后切換到內(nèi)核。設(shè)計(jì)參數(shù)（1）寫出編寫一個操

3、作系統(tǒng)所需的環(huán)境和操作說明書。（2）總結(jié)計(jì)算機(jī)啟動順序和具體過程。（3）實(shí)現(xiàn)在實(shí)模式下系統(tǒng)引導(dǎo)程序的編寫。（4）理解消化實(shí)模式到保護(hù)模式切換原理以及相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工作過程，并實(shí)現(xiàn)之。（5）完成保護(hù)模式下的引導(dǎo)程序，并完成“內(nèi)核”的加載，并使“內(nèi)核”運(yùn)行起來。附加要求：請?jiān)谠O(shè)計(jì)的課后完成具有進(jìn)程調(diào)度和管理的內(nèi)核的編寫。進(jìn)度要求6 月 12 日布置任務(wù)，對各個任務(wù)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行講解6 月 12 日 安裝環(huán)境，并熟悉相關(guān)工具的使用。6 月 13 日完成實(shí)模式下引導(dǎo)程序的編寫。6 月 14 日完成實(shí)模式與保護(hù)模式的切換代碼的設(shè)計(jì)。6 月 15 日完成實(shí)模式引導(dǎo)程序和內(nèi)核加載程序編寫。6 月 16 日

4、完成答辯和報(bào)告撰寫。參考資料隨任務(wù)布置的相關(guān)電子文檔。其它說明.本表應(yīng)在每次實(shí)施前一周由負(fù)責(zé)教師填寫二份，院系審批后交院系辦備案，一份由負(fù)責(zé)教師留用。.若填寫內(nèi)容較多可另紙附后。3.一題多名學(xué)生共用的，在設(shè)計(jì)內(nèi)容、參數(shù)、要求等方面應(yīng)有所區(qū)別。教研室主任： 指導(dǎo)教師： i摘要操作系統(tǒng)（operating system，簡稱 os）是一管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核與基石，它為用戶執(zhí)行程序提供方便、最有效的環(huán)境。 本設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一個微型操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)首先需要搭建虛擬機(jī)環(huán)境，為編寫一個微操作系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。裸機(jī)啟動的過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)模式下從軟盤引導(dǎo)計(jì)算機(jī)的啟動。完成保護(hù)模式

5、下的引導(dǎo)程序，并完成“內(nèi)核”的加載，并使“內(nèi)核”運(yùn)行起來。 “內(nèi)核”部分實(shí)現(xiàn)鍵盤中斷，中斷服務(wù)程序讀取鍵盤值并顯示出來。關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng) 虛擬機(jī) 裸機(jī)啟動 鍵盤中斷ii目目 錄錄1 系統(tǒng)需求分析.11.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容與目的 .11.2 設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案 .12.總體設(shè)計(jì).22.1 功能模塊圖 .22.2 計(jì)算機(jī)引導(dǎo)程序 .22.3 內(nèi)核鍵盤中斷實(shí)現(xiàn) .33 詳細(xì)設(shè)計(jì).63.1 啟動程序?qū)崿F(xiàn) .63.2 內(nèi)核鍵盤中斷實(shí)現(xiàn) .93.3 功能實(shí)現(xiàn) .114. 設(shè)計(jì)總結(jié).135 致謝.146 參考文獻(xiàn).1511 1 系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求分析1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容與目的 設(shè)計(jì)一個微型操作系統(tǒng)，在實(shí)模式下從軟盤引導(dǎo)

6、計(jì)算機(jī)啟動，并在保護(hù)模式下運(yùn)行“內(nèi)核” 。通過分析，該設(shè)計(jì)需要完成以下任務(wù)：（1）搭建虛擬機(jī)環(huán)境，為編寫一個微操作系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。（2）利用 nasm 匯編器編譯啟動匯編程序。（3）完成在實(shí)模式下從軟盤引導(dǎo)計(jì)算機(jī)。（4）學(xué)習(xí)本次設(shè)計(jì)需要的實(shí)模式到保護(hù)模式切換的相關(guān)知識。理解 gdt 在保護(hù)模式的工作機(jī)理。（5）編寫在保護(hù)模式下的引導(dǎo)程序，并用 c 語言模擬寫一個“內(nèi)核” ，并實(shí)現(xiàn)在保護(hù)模下通過引導(dǎo)程序啟動計(jì)算機(jī)并將該“內(nèi)核”加載到內(nèi)存中。最后切換到內(nèi)核。1.2 設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案 本設(shè)計(jì)完成一個真正意義上的操作系統(tǒng)引導(dǎo)，計(jì)算機(jī)啟動程序?qū)挠?jì)算機(jī)啟動時的 16 位的實(shí)模式轉(zhuǎn)到現(xiàn)在通用的 32 位的保護(hù)

7、模式下。現(xiàn)在的操作系統(tǒng)除了最低層的部份之外，均由高級語言完成，在本設(shè)計(jì)中也將用高級語言來編寫內(nèi)核。實(shí)現(xiàn)的一個內(nèi)核是用 c 語言編寫的。用匯編寫的引導(dǎo)程序，把 c 語言寫的內(nèi)核載入并執(zhí)行，這就是本設(shè)計(jì)將要完成的主要任務(wù)。內(nèi)核中的鍵盤中斷設(shè)計(jì) intel 8259el 8259a 可編程中斷控制器可以為 cpu 處理 8 位優(yōu)先級中斷，而且，無須額外電路即可級聯(lián)擴(kuò)展至 64 位優(yōu)先級中斷處理。通過對 8259a 的初始化和控制，可以實(shí)現(xiàn)在保護(hù)模式下的鍵盤中斷。22.2.總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) 2.1 功能模塊圖該設(shè)計(jì)的功能模塊如下圖所示：圖 2.1 功能模塊圖2.2 計(jì)算機(jī)引導(dǎo)程序本程序的主要

8、功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)模式和保護(hù)模式的切換。(1)切換到保護(hù)方式的準(zhǔn)備工作 在從實(shí)模式切換到保護(hù)模式之前，必須作必要的準(zhǔn)備。需要建立合適的全局描述符表，并使用 gdtr 指向該 gdt。因?yàn)樵谇袚Q到保護(hù)方式時，至少要把代碼段的選擇子裝載到cs，所以 gdt 中至少含有代碼段的描述符。 (2)由實(shí)模式切換到保護(hù)模式 在做好準(zhǔn)備后，從實(shí)模式切換到保護(hù)模式原則上只要把控制寄存器 cr0 中的 pe 位置1 即可。 mov eax ,cr0 ; 微型操作系統(tǒng)實(shí)模式下從軟盤引導(dǎo)計(jì)算機(jī)“內(nèi)核”實(shí)現(xiàn)鍵盤中斷并顯示鍵盤值從鍵盤輸入值中斷響應(yīng)顯示3 or eax , 1 mov cr0 ,eax 實(shí)際情況要比這復(fù)雜些。執(zhí)

9、行上面的三條指令后，處理器轉(zhuǎn)入保護(hù)模式，但 cs 中的內(nèi)容還是實(shí)模式下代碼段的段值，而不是保護(hù)模式下代碼段的選擇子，所以在取指令之前得把代碼段的選擇子裝入 cs。為此，緊接著這三條指令，安排一條如下所示的段間轉(zhuǎn)移指令 jmp gdt_code_addr:code_32 ; 跳入 32 位的代碼段中 這條段間轉(zhuǎn)移指令 在實(shí)模式下被預(yù)取并在保護(hù)方式下被執(zhí)行 。利用這條段間轉(zhuǎn)移指令可把保護(hù)模式下代碼段的選擇子裝入 cs，同時也刷新指令預(yù)取隊(duì)列。從此真正進(jìn)入保護(hù)模式。2.3 內(nèi)核鍵盤中斷實(shí)現(xiàn)要使用中斷方式，就必須編寫中斷處理程序，通過 idt（中斷描述符表）讓 cpu 知道此中斷的中斷處理程序在什么地

10、方，此表的每一個表項(xiàng)對應(yīng)一個中斷，每一個表項(xiàng)都指明此中斷的中斷處理程序在什么地方。因此首要的任務(wù)是要構(gòu)造一個中斷描述符表。 中斷描述符表一共可有 256 項(xiàng)，即 256 個中斷。頭三十二項(xiàng)，也就是 031號中斷，已經(jīng)被 cpu 及硬件所占用了，因此只能從第三十三項(xiàng)即 32 號中斷開始構(gòu)造中斷及中斷服務(wù)程序 。可編程中斷控制器（pic）功能上是中斷驅(qū)動系統(tǒng)環(huán)境下的總管家，決定哪一個輸入優(yōu)先級最高，確定輸入請求是否擁有比當(dāng)前服務(wù)級別更高的優(yōu)先級，并且將決定出的中斷通知 cpu。為了使中斷系統(tǒng)起作用，需要對 pic(可編程的中斷控制器）進(jìn)行編程，pic 是可編程的中斷控制器，它可以處理硬件中斷請求，

11、當(dāng)硬件發(fā)生中斷時，pic 把中斷信號送到 cpu，然后 cpu 處理中斷。實(shí)際上有兩上 pic，第一個pic1(端口號 0 x200 x21)處理 irq0irq7 的請求，第二個 pic2(端口號0 xa00 xa1)處理 irq8irq15 的請求 cpu 只知道邏輯意義上的中斷，不區(qū)分是物理上的軟件中斷還是硬件中斷，因此必須把 cpu 不知道的物理中斷，映射為cpu 知道的邏輯意義上的中斷。在實(shí)模式下，這項(xiàng)工作由 bios 來做，在保護(hù)模4式下需要自己編程。通過發(fā)送一些 icw(初始化命令字）來實(shí)現(xiàn)對 pics 的控制和初始化。1. 發(fā)送 icw1 到 pic1(20h) 與 pic2(

12、a0h) 中 2. 發(fā)送 icw2 到 pic1(21h) 與 pic2(a1h) 中 3. 發(fā)送 icw3 到 pic1(21h) 與 pic2(a1h）中 4. 發(fā)送 icw4 到 pic1(21h) 與 pic2(a1h）中 利用內(nèi)嵌匯編發(fā)送一些 icw(初始化命令字）來實(shí)現(xiàn)對 pics 的控制和初始化，實(shí)現(xiàn)代碼如下：_asm_(mov $0 x11,%al;out %al,$0 x20 n); _asm_(mov $0 x11,%al;out %al,$0 xa0 n); _asm_(mov $0 x20,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 x28,

13、%al;out %al,$0 xa1 n); _asm_(mov $0 x04,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 x02,%al;out %al,$0 xa1 n); _asm_(mov $0 x1,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 x1,%al;out %al,$0 xa1 n); _asm_(mov $0 xfd,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 xff,%al;out %al,$0 xa1 n);初始化命令字格式初始化命令字格式icw1a0d7d6d6d4d3d2d1d00a

14、7a6a51ltimadisnglic4中斷向量地址 a7-a5（僅用于 mcs-80/85）1：電平觸發(fā)0：邊沿觸發(fā)地址調(diào)用間隔1：4 間隔0：8 間隔1：單片模式0：級聯(lián)模式1:需要icw40 不需要icw2a0d7d6d6d4d3d2d1d01a15/t7a14/t6a13/t5a12/t4a11/t3a10a9a8中斷向量地址的 a15-a8（mcs-80/85）中斷向量地址 t7-t3icw3（主片）（主片）a0d7d6d5d4d3d2d1d011：ir 輸入有從片0：ir 輸入無從片icw3（從片）（從片）5a0d7d6d5d4d3d2d1d0100000id2id1id0從片地址

15、icw4a0d7d6d5d4d3d2d1d01000sfnmbufm/saeoimpm1：特殊全嵌套模式0：全嵌套模式0x：無緩沖模式10：緩沖模式/從片11：緩沖模式/主片1：自動eoi0：一般eoi1：8086/8088模式0：mcs-80/85模式pic1 處理的中斷有： 0 系統(tǒng)時鐘 1 鍵盤 2 重定向到 irq9 (pic2 的 irq1)3 串口 1(com2/4) 4 串口 2(com1/3) 5 聲卡 6 軟驅(qū) 7 并行端口 pic2 處理的中斷有：0 實(shí)時時鐘 1 來自 irq2 (pic1) 2 保留 3 保留 4 鼠標(biāo) 5 數(shù)學(xué)協(xié)處理器 6 硬盤 7 保留 因此，我們只

16、要打開 pic1 的 1 號鍵盤中斷就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)模式下的鍵盤中斷功能。通過這兩條內(nèi)嵌匯編：_asm_(mov $0 xfd,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 xff,%al;out %al,$0 xa1 n);就可以在保護(hù)模式下打開鍵盤中斷。 63 3 詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 啟動程序?qū)崿F(xiàn)bits 16 org 0 x7c00 jmp main ; 數(shù)據(jù)定義 bootdrive db 0 ; - ; gdt 定義，此處定義段及段描述符 gdt: gdt_null: dd 0 dd 0 ; 每個段的描述符是 64 位(8 字節(jié))，空描述符的這 64 位全是

17、0 gdt_code_addr equ $ - gdt ;求得代碼段在 gdt 表中的位置 gdt_code: dw 0 xffff ; 段大小為 4gb dw 0 ; 基地址（24 位) db 0 db 10011010b;屬性描述位，指明此是代碼段，可讀可執(zhí) db 11001111b db 0 ; gdt_data_addr equ $ - gdt;求得數(shù)據(jù)段在 gdt 表中的位置 gdt_data: dw 0 xffff dw 0 db 0 db 10010010b ; 指明此是數(shù)據(jù)段，可讀可寫 db 11001111b db 0 gdt_end: gdt_addr: dw gdt_en

18、d - gdt - 1 ;gdt 表的大小 dd gdt ; gdt 表的位置 main: ;引導(dǎo)程序從此處開始執(zhí)行 mov bootdrive , dl ; 得到啟動的驅(qū)動器號 xor ax , ax ; 設(shè)置 ds 7 mov ds , ax ; 清屏 ;mov ax , 3 ; 設(shè)置清屏功能號 ;int 0 x10 ; 調(diào)用 bios 10 號中斷清屏 .resetfloppy ; 重置磁盤，不是必須的，主要是為了安全起見 mov ax , 0 ; 設(shè)置重置磁盤的功能號 mov dl , bootdrive ; 選擇啟動磁盤 int 0 x13 ; 調(diào)用 bios 13 號中斷重置磁盤

19、jc .resetfloppy ; 如果出錯則重試 .readfloppy ; 讀內(nèi)核到內(nèi)存中 0000:9000 (es:bx)處， xor ax , ax ; 設(shè)置 es 寄存器 mov es , ax mov bx , 0 x9000 mov ah , 2 ; 設(shè)置讀磁盤功能號 mov dl , bootdrive ; 設(shè)置欲讀驅(qū)動器號 mov ch , 0 ; 磁頭號 mov cl , 2 ; 起始扇區(qū)號，從第二個扇區(qū)開始讀， ; 第一個扇區(qū)是引導(dǎo)扇區(qū)，第二個才是內(nèi)核所在 mov al , 17 ; 需讀入扇區(qū)的數(shù)量，此處讀了 17 個扇區(qū) ; 是怕內(nèi)核較大，讀少了讀不完 int 13

20、h ; 調(diào)用 bios 13 號中斷開始讀扇區(qū)， ; 此中斷會將數(shù)據(jù)讀到 es:bx 處 jc .readfloppy ; 如果出錯則重試(ah 中是錯誤號，為 0 則沒錯 mov dl , bootdrive ; 停止驅(qū)動器 mov edx , 0 x3f2 mov al , 0 x0c out dx , al cli ; 關(guān)中斷 lgdt gdt_addr ; 載入 gdt 的描述符 mov eax , cr0 ; 下面三句設(shè)置 cr0 的第 0 位（pe 位）為1， ; 表示進(jìn)入保護(hù)模式 or eax , 1 mov cr0 , eax jmp gdt_code_addr:code_32

21、 ; 跳入 32 位的代碼段中 bits 32 code_32: mov ax ,gdt_data_addr ; 以下三句設(shè)置 ds，es，ss，fs，gs ;為數(shù)據(jù)段描述表的位置 mov ds , ax mov es , ax mov ss , ax 8 mov fs , ax mov gs , ax mov esp , 0 xffff ;設(shè)置堆棧的頭指針 jmp gdt_code_addr:0 x9000 ; 跳入內(nèi)核， ; gdt_code_addr 是定義的代碼段的描述符所在的索引 ; 由于我們先前是把內(nèi)核讀到了 0 x9000 的位置， times 510-($-$) db 0 db

22、 0 x55 db 0 xaa 分析：分析：用 nasm 對匯編代碼進(jìn)行編譯：nasm load.asm -o load.bin編譯成功后的 load.bin 作為操作系統(tǒng)實(shí)模式下計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)程序。程序大體流程圖如下：圖圖 .1 引導(dǎo)程序流程圖引導(dǎo)程序流程圖 開始定義段及段描述符，并設(shè)置段及段描述符的屬性 選擇啟動磁盤 設(shè)置讀磁盤功能號第二個扇區(qū)開始讀是否出錯？ 關(guān)中斷 載入 gdt 描述符跳入 32 位的代碼段中 結(jié)束是否93.2 內(nèi)核鍵盤中斷實(shí)現(xiàn)typedef struct unsigned long dword0 ; unsigned long dword1 ; segm

23、ent_desc; unsigned char* videomem = (unsigned char*)0 xb8000; segment_desc idt256; unsigned long idt_desc2; unsigned long idt_addr; unsigned long keyboard_addr; unsigned long idt_offset =0 x8; void keyboard_interrupt(); int main() _asm_(mov $0 x11,%al;out %al,$0 x20 n); _asm_(mov $0 x11,%al;out %al,

24、$0 xa0 n); _asm_(mov $0 x20,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 x28,%al;out %al,$0 xa1 n); _asm_(mov $0 x04,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 x02,%al;out %al,$0 xa1 n); _asm_(mov $0 x1,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $0 x1,%al;out %al,$0 xa1 n); _asm_(mov $0 xfd,%al;out %al,$0 x21 n); _asm_(mov $

25、0 xff,%al;out %al,$0 xa1 n); keyboard_addr = (unsigned long)keyboard_interrupt ; idt0 x21.dword0 = (keyboard_addr&0 xffff)|(idt_offset16); idt0 x21.dword1 = (keyboard_addr&0 xffff0000)|0 x8e00; idt_addr = (unsigned long)idt ; idt_desc0 = 0 x800 + (idt_addr&0 xffff)16 ; _asm_( lidt %0n sti :=m (idt_d

26、esc); while(1);return 0; void keyboard_interrupt()*videomem+ = c; *videomem+ = 0 x1b; 10 分析分析： (1)在 linux 下編寫好此 c 語言程序，輸入以下命令進(jìn)行編譯： gcc -c xyb.c 其中 -c 表示只編譯不鏈接 ld -o xyb -ttext 0 x9000 -e main xyb.o 其中-o 表示輸出文件名，-ttex 0 x9000 表示程序基址定為 0 x9000 -e main 表示從 main()開始執(zhí)行 objcopy -r .note -r .comment -s -o

27、binary xyb xyb.bin -r .note -r .comment 表示移掉 .note 與 .comment 段 -s 表示移出所有的標(biāo)志及重定位信息 -o binary xyb xyb.bin 表示由 xyb 生成二進(jìn)制文件 xyb.bin (2)代碼用到了內(nèi)嵌匯編，如： _asm_(mov $0 x11,%al;out %al,$0 x20 n);代表的意思為：將 0 x11 的值發(fā)送到 0 x20 端口中。(3)程序流程圖：圖 3.2.1 內(nèi)核程序流程圖 實(shí)模式下引導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)入內(nèi)核 發(fā)送 4 個 icw 對 pic 初始化設(shè)定中斷屏蔽字，只許鍵盤中斷設(shè)置鍵盤中斷處理程序位置 獲得整個 idt 的位置描述 用 lidt 指令載入 idt 表 進(jìn)入 whil