通用寄存器大多数都可以混着用的
通用寄存器:
EAX：累加器寄存器，用于算术和逻辑运算。
EBX：基址寄存器，通常用于基址寻址。
ECX：计数器寄存器，通常用于循环计数。
EDX：数据寄存器，用于 I/O 操作和扩展乘法除法运算。
ESI：源索引寄存器，通常用于指向数据源。
EDI：目的索引寄存器，通常用于指向数据目的。
EBP：基址指针寄存器，通常用于栈操作。
ESP：栈指针寄存器，指向栈的顶部。
段寄存器寻址: 段基址 << 4 + 偏移
段寄存器:
- CS（代码段寄存器，Code Segment Register）
- 功能：CS 存储当前代码段的基址，指向正在执行的代码段。所有指令都是通过 CS 来定位其在内存中的物理地址。
- 用途：当 CPU 执行指令时，CS 中的值与 EIP（指令指针寄存器）配合使用来确定下一条指令的物理地址。
- DS（数据段寄存器，Data Segment Register）
- 功能：DS 存储当前数据段的基址，指向数据存储的内存段。
- 用途：所有数据操作，除非另有指定，默认都通过 DS 来定位数据的物理地址。
- SS（堆栈段寄存器，Stack Segment Register）
- 功能：SS 指向堆栈段的基址，管理堆栈操作。
- 用途：堆栈操作（如 PUSH 和 POP 操作）使用 SS 和 ESP（栈指针寄存器）来确定堆栈在内存中的位置。
- ES（额外段寄存器，Extra Segment Register）
- 功能：ES 是一个额外的段寄存器，通常在字符串操作指令中与 EDI（目的索引寄存器）配合使用。
- 用途：在执行字符串复制指令（如
MOVS）时，ES 通常用于指向目标内存段。
- FS（附加段寄存器，Additional Segment Register）
- 功能：FS 是一个额外的段寄存器，通常用于存储特殊数据结构的基址，如线程本地存储（Thread Local Storage, TLS）。
- 用途：FS 可用于高级操作系统结构，或是为了提供额外的段访问。
- GS（全局段寄存器，Global Segment Register）
- 功能：GS 是另一个附加段寄存器，类似于 FS，但通常在不同场合下使用。
- 用途：GS 也可以用于存储特殊数据结构的基址，或为操作系统提供扩展段访问。
在保护模式案例中64K内存空间足够使用了，所以所有段寄存器的值都设置成0即可。
调用BIOS中断0x13就可以读取硬盘数据到内存中
AH: 设置为 02h 来读取扇区。
AL: 要读取的扇区数量（最多可以为 FFh，即 255）。
CH: 磁头的柱面号（Cylinder）。
CL: 扇区号（Sector），范围从 01h 到 3Fh。
DH: 磁头号（Head）。
BX: 指向存储数据的缓冲区的段:偏移地址。
read_disk_all:
; 从0x7e00开始读, 0x7c00 + 512引导扇区 = 0x7e00
mov $0x7e00, %bx
mov $0x02 , %cx
; 读取64个扇区
mov $0x240, %ax
mov $0x80, %dx
int $0x13
jc read_disk_all实模式是直接根据数据段和代码段寄存器来访问指定内存区域，所有的程序都可以修改段寄存器来访问内存中的任意区域，这样会使系统安全性降低，没有任何限制。
在保护模式中，程序访问内存数据时会校验权限以及是否越界，这样就会过滤掉恶意代码对计算机操作系统进行修改。
保护模式编程模型如下图所示:
在实模式中寻址方式是根据段基地址:偏移来进行寻址的，而保护模式是根据段寄存器中保存的段下标找到GDT段信息，在段信息中有段的起始地址以及权限信息，然后根据段信息再进行寻址访问的。
16位段属性，access_right的高四位表示扩展访问权限：
- G: 段界限为20位。如果为0时以字节方式寻址，段的寻址范围1B-1M; 如果为1则是以4k为单位寻址，段的寻址访问为4k-4G。一般32位模式设置成1，很明显，1M根本不够日常使用的。
- D/B: 默认操作数大小, 为1表示按32位寻址，为0表示16位寻址，16位一般用于80286的CPU中，其他基本都是使用32位的寻址方式。
- L: 64位代码标识，保留给64位处理器使用。
- AVL: 自定义标志位，用于开发人员自定义或扩展。 低8位:
- P: 如果为1表示该段存在，可以正常访问，如果为0表示该段不存在，强行访问会出现异常。
- DPL: 特权级, 分为4个特权级, 0 - 3, 0权限为最高，3为最低。
- S: 0表示系统段，1表示代码段。
- TYPE: 段的访问权限。 x = 0时不可执行; x = 1时可执行; e = 0时向高地址增长; e = 1时向低地址增长; w = 0时只读; w = 1时可读可写; a = 0时段最近未被访问; a = 1时段最近被访问过。 c = 0时非特权依存段, 非特权依存段只能调用相同特权级别相同的代码段; c = 1时特权依存段, 特权依存段可以调用低权限代码段; r = 0时不可断; r = 1时可读; 当S位等于1时, 且为数据段时TYPE四位表示X, E, W, A。当S等于1时，且为代码段时，TYPE四位表示X, C, R, A; 当S位等于0时表示系统描述符，共有以下几种取值范围: TYPE = 0, 8, 10, 13：保留字段 TYPE = 1：可用的 16 位任务状态段(TSS)描述符 TYPE = 2：LDT 的段描述符 TYPE = 3：正忙的 16 位 TSS 描述符 TYPE = 4：16 位调用门 TYPE = 5：任务门 TYPE = 6：16 位中断门 TYPE = 7：16 位陷阱门 TYPE = 9：可用的 32 位 TSS 描述符 TYPE = 11：正忙的 32 位 TSS 描述符 TYPE = 12：32 位调用门 TYPE = 14：32 位中断门 TYPE = 15：32 位陷阱门
RAW 格式广义上指的是一种没有文件系统结构的原始数据存储格式，常用于直接读取和写入磁盘设备的物理扇区。这种格式非常适合数据恢复、虚拟化、嵌入式系统等场景。下面是 RAW 格式的详解，包括其原理、应用场景和使用方法。
创建RAW磁盘映像文件
qemu-img create -f raw /home/lyra/os/lyra-linux/image/disk1.img 100M
创建一个名称为disk1的100M大小的虚拟磁盘文件。
编译流程:
- 使用x86_64-linux-gnu-gcc命令将汇编文件编译输出.o文件，o文件是利用汇编器生成的目标程序。.o文件可以与其他.o文件链接一起最终输出可执行程序，例如汇编程序生成的.o文件与c语言生成的.o文件，使用链接器将它们链接在一起就能实现c语言调用汇编代码，汇编代码调用c语言了。 例：
# 将汇编程序输出为目标程序
x86_64-linux-gnu-gcc -m32 -g -c start.S -o start.o-
使用 x86_64-linux-gnu-ld链接器将目标程序进行链接并输出elf文件。-m参数用于指定输出文件指令架构,i386是Intel 32位; -Text表示将代码放置到0x7c00地址处;--section-start表示设置段的内存起始位置，与代码中的boot_end是保持一致的，a表示段会被分配到程序内存空间中，x表示代码可以被执行的。如下图所示:
x86_64-linux-gnu-ld start.o -m elf_i386 -Ttext=0x7c00 --section-start boot_end=0x7dfe -o ./boot.elf- elf文件虽然是二进制文件，但是它是一种结构化的二进制文件，包含了许多程序头、符号表信息，需要将elf文件转换为纯粹二进制文件才能被计算机进行加载。使用objcopy命令可以完成这个操作。
objcopy -O binary boot.elf boot.bin其他工具:
- objdump: 将二进制文件进行反汇编。-x: 显示目标文件头信息; -d: 机器码与汇编文件对应操作; -S反汇编的同时输出源代码信息; -m 指定指令集.
objdump -x -d -S -m i8086 boot.elf - x86_64-linux-gnu-readelf：用于查看elf文件的符号信息的,
使用这个命令可以知道文件的的相关信息，例如我们之前设置的_start段的地址0x7c00就可以利用readelf命令查询到。
x86_64-linux-gnu-readelf -a boot.elf 用于配置项目的全局配置，例如cmake的版本，使用的编译器链接器等等
# ----------------公共配置--------------------------------
# cmake最低版本
cmake_minimum_required(VERSION 3.28.3)
# 开启输出编译详细过程的提示
set(CMAKE_VERBOSE_MAKEFILE on)
# 项目配置
project(lyraLinux LANGUAGES C ASM)
# c语言编译器
set(CMAKE_C_COMPILER, "x86_64-linux-gnu-gcc")
# c语言编译器编译参数
set(CMAKE_C_FLAGS "-g -c -O0 -m32 -fno-pie -fno-stack-protector -fno-asynchronous-unwind-tables")
# 汇编器
set(CMAKE_ASM_COMPILER "x86_64-linux-gnu-gcc")
# 汇编器编译参数
set(CMAKE_ASM_FLAGS "-m32 -g")
# 汇编文件后缀
set(CMAKE_ASM_SOURCE_FILE_EXTENSIONS "s")
# 链接器
set(LINKER_TOOL "x86_64-linux-gnu-ld")
# 文件转换工具，用于将elf文件转换为标准二进制文件
set(OBJCOPY_TOOL "x86_64-linux-gnu-objcopy")
# 反汇编工具
set(OBJDUMP_TOOL "x86_64-linux-gnu-objdump")
# elf文件查看器，用户查看elf文件配置信息
set(READELF_TOOL "x86_64-linux-gnu-readelf")
include_directories(
)
# 底层的若干子项目：含内核及应用程序
add_subdirectory(./boot)
add_subdirectory(./loader)boot项目的配置信息，例如编译后的结果要加载到内存的什么位置，链接器的参数什么，要编译哪些文件等等。
- ${CMAKE_SOURCE_DIR}：源文件根目录
- ${CMAKE_BINARY_DIR}: 构建结果跟目录
# ------------------------------boot工程配置------------------------------------
project(boot LANGUAGES C)
file(MAKE_DIRECTORY ${CMAKE_BINARY_DIR}/boot)
# 设置链接器配置信息
set(CMAKE_C_LINK_EXECUTABLE "${LINKER_TOOL} <OBJECTS> -m elf_i386 -Ttext=0x7c00 --section-start boot_end=0x7dfe -o boot/boot.elf")
# 设置要编译链接的文件列表
file(GLOB C_LIST "*.c" "*.h")
add_executable(${PROJECT_NAME} start.s ${C_LIST})
add_custom_command(TARGET ${PROJECT_NAME}
POST_BUILD
COMMAND ${OBJCOPY_TOOL} -O binary ${CMAKE_BINARY_DIR}/boot/boot.elf ${CMAKE_SOURCE_DIR}/image/boot.bin
COMMAND ${OBJDUMP_TOOL} -x -d -S -m i8086 ${CMAKE_BINARY_DIR}/boot/boot.elf > ${CMAKE_BINARY_DIR}/boot/boot_dis.txt
COMMAND ${READELF_TOOL} -a ${CMAKE_BINARY_DIR}/boot/boot.elf > ${CMAKE_BINARY_DIR}/boot/boot_elf.txt
)将loader加载到0x8000内存中。
project(loader LANGUAGES C)
# ------------------------------loader工程配置------------------------------------
file(MAKE_DIRECTORY ${CMAKE_BINARY_DIR}/loader)
set(CMAKE_C_FLAGS "${CMAKE_C_FLAGS} -O0")
# 设置链接器配置信息
set(CMAKE_C_LINK_EXECUTABLE "${LINKER_TOOL} <OBJECTS> -m elf_i386 -Ttext=0x8000 -o loader/loader.elf")
# 设置要编译链接的文件列表
file(GLOB C_LIST "*.c" "*.h" "${CMAKE_SOURCE_DIR}/common/*.h" "${CMAKE_SOURCE_DIR}/common/*.c")
add_executable(${PROJECT_NAME} start.s ${C_LIST})
include_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/common)
add_custom_command(TARGET loader
POST_BUILD
COMMAND ${OBJCOPY_TOOL} -O binary ${CMAKE_BINARY_DIR}/loader/loader.elf ${CMAKE_SOURCE_DIR}/image/loader.bin
COMMAND ${OBJDUMP_TOOL} -x -d -S -m i8086 ${CMAKE_BINARY_DIR}/loader/loader.elf > ${CMAKE_BINARY_DIR}/loader/loader_dis.txt
COMMAND ${READELF_TOOL} -a ${CMAKE_BINARY_DIR}/loader/loader.elf > ${CMAKE_BINARY_DIR}/loader/loader_elf.txt
)dd命令参数:
- if: 输入的文件路径
- of: 输出的文件路径
- bs: 块大小
- count: 读写块数
- seek: 跳指定块数
需要一个写入到磁盘映像的脚本，用于启动时将系统映像写入到磁盘中。脚本如下所示:
export PROJECT_HOME_PATH=/root/os/lyra-linux-os
export DISK1_NAME=$PROJECT_HOME_PATH/image/disk1.img
export BOOT_FILE_NAME=$PROJECT_HOME_PATH/image/boot.bin
export LOADER_FILE_NAME=$PROJECT_HOME_PATH/image/loader.bin
# 写boot区，定位到磁盘开头，写1个块：512字节
dd if=$BOOT_FILE_NAME of=$DISK1_NAME bs=512 conv=notrunc count=1
# 写loader区，定位到磁盘第2个块，写1个块：512字节
dd if=$LOADER_FILE_NAME of=$DISK1_NAME bs=512 conv=notrunc seek=1
需要有个脚本来启动qemu
参数:
-
-daemonize: 后台运行qemu。
-
-m: 内存大小
-
-drive file=/,format=raw,index=0,media=disk, 磁盘映像文件路径以及磁盘映像格式IDE磁盘索引存储设备类型
-
-s: 开启gbd调试模式
-
-S: 启动虚拟机后暂停qemu的执行，等待gdb debug连接。
-
-d: 虚拟机日志输出级别
-
pcall：记录 CPU 中断调用。 -
page：记录页面映射的相关事件。 -
mmu：记录内存管理单元（MMU）相关的事件。 -
cpu_reset：记录 CPU 重置事件。 -
guest_errors：记录虚拟机内核的错误信息。 -
trace:ps2_keyboard_set_translation：记录 PS/2 键盘翻译设置的跟踪信息。
-
export PROJECT_HOME_PATH=/root/os/lyra-linux-os
qemu-system-i386 -daemonize -m 128M -drive file=$PROJECT_HOME_PATH/image/disk1.img,format=raw,index=0,media=disk -s -S -d pcall,page,mmu,cpu_reset,guest_errors,page,trace:ps2_keyboard_set_translation在tasks.json中配置可以在终端菜单中的运行任务中进行选择执行指定的任务，不用输入繁琐的命令。
- ${workspaceFolder}: 当前项目目录
- dependsOn: 执行调试准备前需要执行写镜像文件和启动qemu任务。
- sequence: 按顺序执行任务。
{
// See https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=733558
// for the documentation about the tasks.json format
"version": "2.0.0",
"tasks": [
{
"label": "写镜像文件",
"type": "shell",
"command": "bash ${workspaceFolder}/script/write-image.sh"
},
{
"label": "启动qemu",
"type": "shell",
"command": "bash ${workspaceFolder}/script/qemu-debug.sh"
},
{
"label": "调试准备",
"type": "shell",
"dependsOrder": "sequence",
"dependsOn": [
"写镜像文件",
"启动qemu"
]
},
]
}launch.json
用于配置debug调试环境配置信息
{
// 使用 IntelliSense 了解相关属性。
// 悬停以查看现有属性的描述。
// 欲了解更多信息，请访问: https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=830387
"version": "0.2.0",
"configurations": [
{
// 配置名称
"name": "gdb debug",
// debug类型
"type": "cppdbg",
// 调试请求类型"launch"（启动调试）或 "attach"（附加到已运行的进程）
"request": "launch",
// 指定要调试的程序路径
"program": "${workspaceRoot}/build/boot/boot.elf",
// 工作目录
"cwd": "${workspaceRoot}",
// 外部控制台运行程序
"externalConsole": false,
// debug开始前是否需要暂停
"stopAtEntry": false,
// 调试器
"MIMode": "gdb",
// 调试器路径
"miDebuggerPath": "/usr/bin/gdb",
// gdb debug远程端口以及地址信息
"miDebuggerServerAddress": "127.0.0.1:1234",
// 远程机器架构
// "targetArchitecture": "x86"
// 链接器链接后停止
"stopAtConnect": true,
// GDB启动参数
"setupCommands": [
{
"description": "为 gdb 启用整齐打印",
"text": "-enable-pretty-printing",
"ignoreFailures": true
},
{
"description": "将反汇编风格设置为 Intel",
"text": "-gdb-set disassembly-flavor intel",
"ignoreFailures": true
},
],
"linux": {
"preLaunchTask": "调试准备", // 仅在windows下可自动运行
"miDebuggerPath": "gdb", // linux下的特殊配置
},
// 加载符号文件便于debug时展示汇编指令与c语言代码的映射关系
"postRemoteConnectCommands": [
{
"description": "加载boot符号文件",
"text": "-file-symbol-file ./build/boot/boot.elf",
"ignoreFailures": false
},
{
"description": "加载loader符号文件",
"text": "-file-symbol-file ./build/loader/loader.elf",
"ignoreFailures": false
},
{
"description": "运行至0x7c00",
"text": "-exec-until *0x7c00",
"ignoreFailures": false
},
]
}
]
}- BOOT: 加载loader程序。
- LOADER: 读取内存信息，设置系统配置，加载kernel程序。
- kernel: 执行我们的操作系统。
计算机引导流程:
-
通电
按下开机键，CPU会从ROM中读取BIOS系统并加载到内存中。
-
执行BIOS程序
加载完成后会执行BIOS程序。
-
BIOS自检
在BIOS执行过程中会对计算机硬件进行自检避免运行出错
-
运行引导代码
之后会读取硬盘扇区末尾为0x55aa的扇区并加载到内存0x7c00中，一个扇区大小为512字节。我们的操作系统512字节肯定是不够用的，所以我们需要利用这个512字节读取我们的操作系统并加载到内存中。
-
进入操作系统
执行我们的操作系统的代码。
如下图所示，灰色部分表示我们可以正常使用的区域,0x400~0x7c00表示我们的栈区域。0x7c00-0x7e00表示我们的boot程序。
#include "boot.h"
.code16
.text
.global _start
// 标识.extern才能调用c语言函数
.extern boot_entry
_start:
// 初始化寄存器配置 将寄存器设置为0，并将栈底指针设置为0x7c00, 0x500-0x7c00表示我们的栈存储区域, 0x400-0x4ff是bios数据存储区
mov $0, %ax
mov %ax, %ds
mov %ax, %ss
mov %ax, %es
mov %ax, %fs
mov %ax, %gs
mov $0x7c00, %esp
// 读取loader分区信息
mov $0x8000, %bx
mov $0x2, %ah
mov $0x2, %cx
mov $64, %al
mov $0x0080, %dx
int $0x13
jmp boot_entry
.section boot_end, "ax"
boot_sig: .byte 0x55, 0xaaATA模式可以读取SATA硬盘和IDE硬盘 硬盘接口分为 SATA、IDE、M.2，ATA模式可以读取SATA、IDE接口的硬盘，无法读取ATA模式的硬盘
IDE接口有两个通道，一个主通道，一个从通道，每个通道都可以连接2块硬盘，2个通道可以连接4块硬盘。
IDE接口如下所示:
LBA48读取硬盘参考文档: https://wiki.osdev.org/ATA_PIO_Mode