Операционная система

<---------------------Читать справа налево------------------------------<<<

Сегодня Microsoft полностью заканчивают поддержку Windows 7

В США есть традиция выпуска «уродливых свитеров» (ugly sweaters) к Рождеству, которую периодически подхватывают и крупные бренды. Microsoft — в числе них. 10 декабря компания начала рассылать журналистам, сотрудникам и партнёрам рождественские свитеры в стиле операционной системы Windows XP (надпись Professional поменяли на Pro-ho-ho-fessional (намёк на традиционное «Хо хо хо» Санта Клауса). 

Хотели просто поржать, но читатели в комментах завалили компанию вопросами: а где купить?? Свитер разослали журналистам, подарок особенно пришёлся по душе олдфагам, ностальгирующим по безвременно почившей в бозе XP. Оказалось, таких много

Урок ОСдева №4: работа с RAM, адресация в 16-битном режиме, регистры процессора.

Поздравим себя. В прошлый раз мы добавили блок параметров BIOS, после чего винда перестала

ругаться на дискету. Пора начинать писать загрузчик. Но перед этим надо подробнее

разобраться в специфике программирования на ассемблере. Всё-таки он сильно отличается от языков

высокого уровня. Давайте вспомним, как выглядела программа в конце прошлого поста.

.386p

CSEG segment use16

ASSUME cs:CSEG, ds:CSEG, es:CSEG, fs:CSEG, gs:CSEG, ss:CSEG

begin:            jmp short execute                   ;Точка входа. Перейти к исполняемой части.

                     nop                                       ;Пустой оператор. Заполняет 3-й байт перед BPB.

;БЛОК ПАРАМЕТРОВ BIOS===================================================================;

;=======================================;

;Блок параметров BIOS, 33 байта.

;Здесь хранятся характеристики

;носителя. Должен быть в 3-х байтах

;от начала загрузочного сектора.

;=======================================;

BPB_OEMname    db 'BOOTDISK'    ;0-7. Имя производителя. Может быть любым.

BPB_bytespersec  dw 512              ;8-9. Размер сектора в байтаx.

BPB_secperclust   db 1                  ;10. Количество секторов в кластере.

BPB_reserved      dw 1                  ;11-12. Число зарезервированныx секторов (1, загрузочный).

BPB_numFATs     db 2                   ;13. Число FAT.

BPB_RDentries    dw 224               ;14-15. Число записей Корневой Директории.

BPB_sectotal       dw 2880             ;16-17. Всего секторов на носителе.

BPB_mediatype   db 0F0h              ;18. Тип носителя. 0F0 - 3,5-дюймовая дискета с 18 секторами в дорожке.

BPB_FATsize       dw 9                   ;19-20. Размер FAT в сектораx.

BPB_secpertrack dw 18                  ;21-22. Число секторов в дорожке.

BPB_numheads   dw 2                   ;23-24. Число головок (поверxностей).

BPB_hiddensec    dd 0                  ;25-28. Число скрытыx секторов перед загрузочным.

BPB_sectotal32    dd 0                  ;29-32. Число секторов, если иx больше 65535.

;===============================================;

;Расширенный блок параметров BIOS, 26 байт.

;Этот раздел используется в DOS 4.0.

;===============================================;

EBPB_drivenum   db 0                       ;0. Номер привода.

EBPB_NTflags      db 0                      ;1. Флаги в Windows NT. Бит 0 - флаг необxодимости проверки диска.

EBPB_extsign      db 29h                   ;2. Признак расшренного BPB по версии DOS 4.0.

EBPB_volID         dd 0                      ;3-6. "Серийный номер". Любое случайное число или ноль, без разницы.

EBPB_vollabel     db 'BOOTLOADER '  ;7-17. Название диска. Устарело.

EBPB_filesys       db 'FAT12   '           ;18-25. Имя файловой системы.

;ИСПОЛНЯЕМЫЙ БЛОК=====================================================================;

execute:                     cli

                                 hlt

           org 1FEh                              ;Заполняет память нулями до 511-го байта.

           dw 0AA55h                           ;Байты 511 и 512. Признак загрузочного сектора.

CSEG ends

end begin

Я снабдил всё подробными комментариями. Надеюсь, они помогут вам освежить память. Вкратце -

после запуска программы процессор выполняет переход к метке execute - и после этого останавливается

командами cli и hlt. Давайте добавим следующий код после execute, а потом разберём его.

execute:             mov ax,07C0h

                         mov ds,ax

                         mov es,ax

                         mov fs,ax

                         mov gs,ax

                         cli

                         mov ss,ax

                         mov sp,0FFFFh

                         sti

                         push ax

                         mov ax,offset stop

                         and ax,03FFh

                         push ax

                         retf

stop:                  cli

                         hlt

           org 1FEh                                     ;Заполняет память нулями до 511-го байта.

           dw 0AA55h                                  ;Байты 511 и 512. Признак загрузочного сектора.

Целая куча новых команд. Для того, чтобы их понять, придётся освоиться с новыми понятиями.

Регистр - ячейка памяти процессора, которая может выполнять какую-то конкретную задачу

или иметь общее назначение. Программируя на ассемблере, вы постоянно будете оперировать

регистрами: помещать в них данные, извлекать, модифицировать и т.д. В 16-битном режиме

процессор использует следующий набор регистров: AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, flags, CS, DS, ES,

FS, GS, SS. С функциями каждого из них будем разбираться по мере надобности.

Сегмент:смещение - устаревшая система адресации, применявшаяся в эпоху 16-битных процессоров.

Тем не менее, для нас она важна, так как ради обратной совместимости именно в этом

режиме BIOS оставляет систему перед запуском загрузчика.

Постараюсь объяснить. 16-битная разрядность процессора подразумевает, что за раз он может обработать

16 бит данных. Максимальное значение, которое можно передать 16 битами - 65535. Это ограничение

касается и адресации памяти. Выходит, процессору доступно всего (65536/1024) 64 килобайта RAM. Чтобы

обойти это ограничение, была придумана модель адресации segment:offset. Сегмент в ней - это базовый адрес,

от которого считается смещение. Регистры процессора CS, DS, ES, FS, GS и SS - сегментные. Они используются

для указания адреса в памяти, от какого отсчитывается смещение. Например, DS:0050h означает байт 0050h

от значения, помещённого в DS. Вернее, от значения в DS*16. Это называется гранулярностью. Единица,

помещённая в регистр DS, устанавливает основание сегмента не в 1-й байт, а в 16-й. За счёт этого нам

становится доступен целый мегабайт оперативной памяти! (или даже больше с некоторыми ухищрениями,

но рассказывать о них я большого смысла не вижу, т.к. мы всё равно скоро покинем 16-битное царство)

Стек - область памяти, через которую можно передавать параметры процедурам в си-подобных языках

или сохранять состояние регистров при вызове прерывания. В случае ассемблера в стеке можно хранить

промежуточные результаты работы процедуры, если не хватило регистров. Кроме того, стек аппаратно

используется некоторыми командами процессора.

Команда mov op1,op2 используется для того, чтобы переместить значение op2 в op1. В качестве

операнда op1 может выступать адрес ячейки памяти или регистр. В качестве op2 может быть ячейка

памяти, регистр или конкретное значение. Есть два ограничения: операнды должны совпадать по

разрядности (нельзя поместить содержимое 16-битного регистра в 32-битный, например) и в качестве

обоих операндов не могут быть адреса в памяти. Так что делает этот код?

mov ax,07C0h

mov ds,ax

mov es,ax

mov fs,ax

mov gs,ax

Правильно, он помещает значение 07С0h в регистр AX,  потом копирует AX в сегментные регистры

DS, ES, FS и GS. Зачем? Затем, что BIOS копирует загрузочный сектор в 07С0h:0000h. Так как

наш загрузчик находится по этому адресу, будет правильным установить значения сегментных регистров

так, чтобы они указывали туда же. По какой-то причине (ей-богу не помню!) присваивать значения

сегментным регистрам напрямую нельзя, но можно через другой регистр - поэтому сначала мы загружаем

его в AX, а уже AX копируем в сегментные регистры. Вы наверое уже обратили внимание, что сегментные

регистры здесь не все. Для модификации оставшихся надо немного поплясать с бубном.

cli

mov ss,ax

mov sp,0FFFFh

sti

Что происходит здесь? Пара команд cli и sti запрещает и разрешает прерывания. Прерывания - то, при помощи

чего разные устройства в компьютере общаются с процессором. Они могут поступать от таймеров, дисковых

контроллеров и из множества других источников. Позже мы ещё поговорим о них подробно, а сейчас достаточно

знать, что команда cli вешает на процессор знак "не беспокоить". sti, соответственно, его снимает.

Дело в том, что SS - это сегментный регистр стека. При манипуляциях с ним лучше убедиться, что в

неподходящий момент не произойдёт переключение задачи. Обратите внимание: сегмент стека у нас там же,

где и загрузчик. Получается, помещая данные в стек, мы затрём часть собственного кода? Нет. Позиция стека

передаётся парой регистров SS:SP. SS - сегмент, а SP - смещение. mov sp, 0FFFFh устанавливает начало

стека в конец сегмента. Получается, ему некуда расти? Тоже нет. Стек растёт в обратном направлении.

Если мы командой push отправим в стек 16-битное слово, то указатель изменит значение на 0FFFDh. Таким

образом, загрузчик и стек находятся в разных концах 64-килобайтного сегмента, и расстояние между ними

вполне приличное.

push ax

mov ax,offset stop

and ax,03FFh

push ax

retf

Соберитесь, последний на сегодня кусок кода. Здесь мы модифицируем сегментный регистр кода, CS. К нему

тоже нужен особый подход. Кстати, самое время поговорить о том, как процессор узнаёт, какую команду выполнять

следующей. Как и в случае стека, существует указатель в виде пары регистров CS:IP. Каждый раз после

считывания из памяти инструкции IP увеличивается на её размер в байтах. Все модели BIOS помещают загрузчик

в 07C0h:0000h, но вот состояние CS:IP может быть разным: например, 07C0h:0000h и 0000h:7C00h указывают на

один и тот же байт в памяти, но во втором случае у нас могут быть проблемы. В каком именно состоянии

оказались регистры CS:IP при старте загрузчика, мы не знаем, поэтому лучше перестраховаться и установить

своё значение.

Как установить значение CS:IP? Например, при помощи инструкции дальнего возврата retf. Обычно она

используется для возврата из процедур, но подойдёт и нам, так кк делает именно то, что нужно: меняет

значения CS:IP. Сегмент и смещение для возврата должны быть в стеке. В AX у нас значение сегмента, 07C0h,

так что командой push отправляем его в стек. А вот с IP придётся повозиться. Щас объясню. CS в данный момент

может быть установлен либо в 07C0h, либо в 0000h. Значит, любое считанное нами смещение относительно его

начала будет равно или X или X+7C00h. Нам нужно однозначно привести его к X. Как это сделать? Команда

mov AX,offset stop помещает в AX смещение метки stop (то есть, конечно, команды cli, сами метки

в исполняемом файле физически не присутствуют и места не занимают). 7С00h, если его перевести в

двоичный вид, будет равно 111110000000000b. Соответственно, искомый X помещается в восьми нулях в начале

значения.  обнуление старших пяти единиц будет эквивалентно уменьшению значения на 7С00h, что нам и нужно.

Про логические операции поговорим позже, но пока знайте, что команда and AX,03FFh делает как раз это:

обнуляет все старшие разряды AX, начиная с первой единицы в 111110000000000b. 03FFh, кстати, в

двоичном виде будет выглядеть так: 1111111111b. Заметили связь? В общем, если кто-то не разбирается в

логических операциях, то ДЗ на сегодня - просветиться по этой теме.

Фух, чёрт возьми, на сегодня всё! Теперь наш загрузчик будет работать в предсказуемой среде, что сэкономит

нам море усилий.

Уроки ОСдева №3: блок параметров BIOS

В прошлый раз мы разобрались с физической геометрией дискеты и расположением данных. Кроме того, мы узнали, как записать программу-загрузчик в нулевой сектор носителя. Если кто-то из вас действительно пытался повторить мои действия и потом использовать дискету как загрузочную, то наверняка обнаружил два неприятных момента:

Уроки ОСдева №2: схемы адресации и твоя первая программа на ассемблере

Если кто-то решил следовать этим туторам, самое время обзавестись необходимыми инструментами. Скачайте turbo assembler (TASM) или любой другой привычный вам. Установите виртуальную машину с Windows XP. Работать с большинством используемых программ проще в ней. Я бы посоветовал Oracle VirtualBox.

CHS

В прошлый раз мы выяснили несколько важных вещей:

- для того, чтобы загрузить ОС с дискеты, нам нужна программа-загрузчик.

- программа-загрузчик должна занимать ровно 512 байт, причём последние два байта должны содержать метку загрузчика (AA55h).

- программа-загрузчик должна располагаться в первом физическом секторе носителя.

Эта информация в свою очередь ставит перед нами новый вопрос: как поместить загрузчик на полагающееся ему место? Придётся разбираться в схемах адресации данных на цифровых носителях. Тема не очень простая, но необходимая, так что крепитесь.

На картине выше - структура дискового носителя. Это может быть жёсткий диск, дискета или CD, суть не поменяется. Головка, она же лицо, - это одна сторона поверхности носителя (пластины). У жёсткого диска на рисунке 4 двусторонних пластины, то есть 8 головок. Головка в свою очередь разбита на концентрические дорожки (они же цилиндры), а те - на одинакового размера (как правило 512 байт) секторы. Независимо от радиуса цилиндра в каждом из них одинаковое число секторов, что позволяет для доступа к любому конкретному сектору использовать трёхкомпонентную координату Цилиндр-Головка-Сектор (Cylinder-Head-Sector, CHS). Важно помнить, что в системе CHS цилиндры и головки нумеруются с 0, а секторы - с 1. То есть для доступа к первому физическому сектору носителя наши координаты будут иметь значения: 0(цилиндр), 0(головка), 1(сектор).

Проблема в том, что привычные нам файловые системы скрывают физическую геометрию носителей за набором абстракций вроде файлов и папок. К счастью, есть альтернативы. Например, в Windows есть команда debug. Выглядит так:

debug boot.bin(имя файла, загружается в память по адресу 100h)

-w(запись) 100(адрес загруженного файла) 0(номер привода) 0(номер первого сектора) 1(число секторов для загрузки)

-q(выход)

Я выше писал, что секторы нумеруются с 1, но debug закон не писан. Всё остальное время правило в силе.

Само собой, для этого дискета должна быть вставлена в первый флоппи-привод. Так как большинство из вас скорее всего флоппи-привода и набора дискет не имеет, я предлагаю использовать привод вашей виртуальной машины и чистый образ дискеты.

LBA

Информацию из этого раздела мы пока использовать не будем, но позже она пригодится. Формат CHS на сегодняшний день устарел. Практически все устройства нативно поддерживают схему адресации под названием LBA (Linear Block Addressing), в которой к секторам обращаются просто по их порядковому номеру, без учёта геометрии носителя. Тем не менее, CHS поддерживается на уровне эмуляции и для работы с дискетами пользоваться мы будем именно ей.

boot.asm

Итак, мы разобрались, как поместить нашу программу в нужное место на дискете. Самое время приступать к написанию кода! Мы, конечно, не будем в этот раз писать полный загрузчик. Это будет просто небольшая вводная в турбо ассемблер. Она предназначена для людей без опыта в ассемблере и подразумевает, что вы будете пользоваться TASM. Если вы уже знаете x86 ассемблер и намерены пользоваться каким-то другим - смело пропускайте конец статьи.

Скачали TASM? Отлично, инсталлируйте его в какое-нибудь легкодоступное место на диске и в папке BIN/ создайте папки OS/boot/stage1/.

Теперь в stage1/ создайте пустой текстовый файл, переименуйте его в boot.asm и откройте текстовым редактором. В файле создайте следующий текст:

.386p

CSEG segment use16

ASSUME cs:CSEG, ds:CSEG, es:CSEG, fs:CSEG, gs:CSEG, ss:CSEG

begin:

CSEG ends

end begin

Сделали? Сохраните и давайте разбираться. Сразу скажу, что собственно программы здесь пока нет. Всё, что вы видите - набор инструкций для компилятора, в исполняемый файл они не попадут.

.386p - указание компилятору сверять инструкции с набором для 386 процессора в защищённом (protected, отсюда p) режиме. Соответственно, если компилятор встретит инструкцию, которую данный процессор не поддерживает, он выдаст ошибку.

CSEG - название сегмента, в котором будет содержаться код нашей программы.

Следующую строчку будет сложно объяснить, т.к. мы пока не касались устройства процессора, так что просто примите как есть: это указание компилятору считать, что все сегментные регистры процессора указывают на сегмент CSEG.

begin - метка начала программы. Отсюда будет начинаться собственно код.

CSEG ends - конец сегмента CSEG.

end begin - метка конца программы.

Скомпилировать программу в таком виде не выйдет, так как в ней нет ни одной инструкции. Давайте добавим парочку.

.386p

CSEG segment use16

ASSUME cs:CSEG, ds:CSEG, es:CSEG, fs:CSEG, gs:CSEG, ss:CSEG

begin:                    cli

                             hlt

CSEG ends

end begin

Мы добавили 2 команды: cli и hlt. Первая запрещает прерывания, то есть не даёт устройствам отправить сигнал процессору, а вторая останавливает сам процессор. Таким образом, сейчас наша программа при запуске просто "вешает" компьютер. Тем не менее, её уже можно превратить в исполняемый файл.

Откройте командную строку, перейдите в папку BIN/ и введите: tasm OS/boot/stage1/boot.asm. После нажатия enter в папке BIN/ появится файл BOOT.OBJ. Это ещё не конец. Файл .obj - это инструкция для линкера, так что пишите: tlink boot.obj. Теперь у вас добавились два новых файла, BOOT.MAP и BOOT.EXE, последний из которых - и есть исполняемый файл, который нам нужен! Незадача в том, что мы пишем не приложение под DOS, а операционную систему, которая должна будет работать на голом железе. exe-формат содержит таблицы релокации и всякие прочие данные, которые нам будут мешать. В нашем исполняемом файле должны быть только инструкции программы и больше ничего. К счастью, и тут есть готовое решение. Пишите в командной строке exe2bin boot.exe и жмите enter. Появился файл boot.bin. Проверьте его размер, он должен занимать ровно 2 байта, по одному байту на инструкции cli и hlt. Успех!

В качестве ДЗ предлагаю всем желающим самостоятельно загнать файл в первый сектор дискеты, вся нужная информация в тексте статьи есть.

Уроки ОСдева №1

В прошлом посте я представил свою операционку и игру, которую пишу под неё в свободное время. Там же я сделал несколько заявок на будущие посты. Среди прочего я сказал, что, возможно, сделаю серию образовательных постов про разработку операционных систем и низкоуровневое программирование. Сегодня будет первый такой пост. Для понимания материала не нужно знать ассемблер или разбираться в устройстве ОС - про всё это я буду рассказывать. Нужно иметь представление об архитектуре компьютера в общих чертах: понимать, что такое BIOS, процессор, материнская плата, оперативная память, видео-, звуковая и сетевая карты, жёсткий диск, оптические и флоппи-приводы и как примерно всё это между собой скрепляется. Неплохо бы знать, что такое бит, байт и слово. Вообще супер, если вы в курсе, чем десятичная система счисления отличается от двоичной и шестнадцатеричной и умеете переводить из одной в другую. Поехали.

P.S.: если знаете английский, советую зайти сюда. Это довольно старая серия уроков по ОСдеву для новичков. Я в своё время почерпнул там очень много и в своих постах наверняка буду невольно цитировать оттуда.

Часть 1, теоретическая.

С чего начать? Вопрос, который возникает в голове любого, кто собрался писать ОС с нуля. В интернете полно тематических ресурсов, но не так много обучающих, где бы задача написания операционной системы разбивалась на небольшие последовательные этапы-уроки. Например, на OSDev.org очень много информации, распределённой по тематическим разделам, но составить на её основе у себя в голове необходимую последовательность действий для новичка будет очень сложно.

Я думаю, стоит начать с включения компьютера. Это не шутка: чтобы создать свою операционную систему, надо до определённой степени понимать как работает компьютер. Что происходит, когда вы нажимаете кнопку POWER на системном блоке и как у вас на экране оказывается ваш заваленный ярлыками и "новыми папками" рабочий стол? Для того, чтобы программа (а наша ОС - это, конечно же, программа) начала исполняться, она должна сначала попасть в оперативную память. Содержимое оперативной памяти же на момент включения пусто. Если среди читающих есть инженеры, советую зажмуриться и пропустить до следующего абзаца: сейчас будет упрощённая модель.

1. Нажатая кнопка POWER посылает электрический сигнал на материнскую плату.

2. Сигнал доходит до материнской платы и отправляется к блоку питания.

3. Блок питания просыпается и начинает подавать энергию подключенным устройствам.

4. Блок питания посылает сигнал на материнскую плату, начинает исполняться программа BIOS.

5. BIOS проводит POST (power-on self-test), посылая сигналы разным устройствам и получая (или не получая) от них ответ. Если устройство не отправило ответ, оно помечается как нерабочее или отсутствующее. Тут же BIOS определяет количество оперативной памяти и некоторые другие параметры системы.

6. Если POST окончен и никаких критических поломок не выявлено, BIOS сверяется со списком загрузочных устройств. Наверняка вы хоть раз его видели, если устанавливали Windows: его обычно можно настроить через интерфейс BIOS, выбрав, с чего загружать ОС (floppy, HDD, USB, ...).

Вот тут начинается часть, которая интересует нас. Предположим, мы вставили дискету с нашей ОС в привод и настроили приоритет загрузки следующим образом: CD-ROM, флоппи-привод, жёсткий диск, USB. Как BIOS определит, что на одном из носителей есть операционная система для загрузки? Физическое устройство цифровых носителей и способы доступа к информации на них это тема для отдельного урока или даже нескольких, так что пока удовольствуемся упрощённой схемой: BIOS считывает с 0 по 511 байты носителя и проверяет, чему равны байты 510 и 511. Если они равны 170 и 85 (AAh и 55h в шестнадцатеричной системе), BIOS считает, что нашёл программу-загрузчик. После этого считанный участок носителя размером в 512 байт загружается в оперативную память и запускается центральный процессор компьютера, который начинает выполнять загруженную программу. Программа-загрузчик догружает остальные файлы ОС и располагает их в памяти нужным образом, а потом говорит процессору, откуда нужно начать выполнение ОС.

Какие выводы можно сделать из полученной информации?

1. Помимо операционной системы на носителе должна быть программа-загрузчик, т.к. компьютер не знает, как именно структурированы файлы ОС и куда их надо загружать. Загрузка ОС - тоже задача разработчика.

2. Загрузчик должен быть не больше 510 байт, ведь BIOS считывает 512 и последние два из них заняты меткой загрузчика.

3. Последние два байта программы-загрузчика должны быть равны AA55h.

3. Загрузчик должен занимать строго определённое место на носителе: с 0 по 511 байты. Думаю, вы замечали, что когда копируете файлы на носитель обычными методами, никто не спрашивает вас, в какой именно участок памяти вы хотите их поместить. Значит, копировать загрузчик нужно каким-то особенным способом.

Это была короткая вводная, но теперь мы имеем представление о том, как операционная система попадает в оперативную память и начинает исполняться при включении компьютера. Предлагаю пока помедитировать над этим. В следующий раз наверное будем говорить об устройстве цифровых носителей и потихоньку погружаться в волшебный мир ассемблера.