【一个操作系统的设计与实现】第1章 什么是操作系统

1.1 引言

什么是操作系统呢？

有些读者可能会像曾经的笔者一样，认为操作系统是"一种图形界面"；在学习了Linux操作系统后，认为操作系统也可以是"一种命令行"。而不同种类，不同版本的操作系统，则是"不同的图形界面"，或是"不同的命令行语法"。

那么，以Linux操作系统为例，读者是否想过这些问题呢？

• 为什么输入ls命令，屏幕上就显示了文件列表？
• 什么是"文件"？
• 为什么在键盘上按一下l键，屏幕上就会显示一个字母l，而不是别的字母，或者没反应？s键也是一样
• 计算机怎么知道键盘被按下了？又怎么知道按的是什么键？
• 怎么在屏幕上显示一个字符？

这一系列越来越底层的问题乍一看都问的莫名其妙，尤其是最后一个：学过C语言的读者都知道，用C语言的printf函数，不就行了吗？

那么，printf函数又是怎么实现的呢？

看来，事情并没有这么简单。这些看似莫名其妙的问题，都指向了一个词：操作系统。

上述所有问题的答案，都可以用一句比较笼统的话来回答：由操作系统对这些功能提供支持。而其中原理，正是本系列要向读者讲述的。

欢迎来到操作系统的实现之旅！

1.2 准备工作

想要实现一个操作系统，需要进行一些准备工作。

首先是一台安装有Linux操作系统的物理机或虚拟机，且带有GCC编译器。

然后，需要下载并安装汇编编译器nasm，其官网为https://nasm.us/。使用./configure --prefix=... && make -jN && make install命令即可完成安装。

然后，需要安装bochs虚拟机，其官网为https://bochs.sourceforge.io/。bochs拥有强大的硬件模拟及调试功能，其用于运行我们的操作系统。

bochs的安装比较复杂，首先，需要使用普通的./configure --prefix=... && make -jN && make install命令将其编译一次，此时得到的bochs程序是用于运行的版本，此外，还会得到一个名为bximage的程序，其用于创建虚拟硬盘。然后，需要使用./configure --prefix=xxx --enable-debugger --enable-debugger-gui && make -jN && make install再编译一次（注意两次编译的--prefix应不同，否则就覆盖了），这一次，得到的是bochs的调试器版本，当操作系统出现问题时，就依靠它了。由于这两个版本的bochs名字一样，所以，读者应将第二个bochs更名，笔者使用的名称是bochsdbg。

然后，需要构建虚拟硬盘。运行bximage命令，然后输入1，回车；接下来一直回车，直至命令结束。此时，当前目录下出现了名为c.img的文件，其大小接近10M，这个文件就是创建好的虚拟硬盘了。

接下来，需要为两个版本的bochs分别构造一个配置文件。第一个配置文件需要放在~/.bochsrc处，其内容为：

romimage: file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latest
boot: disk
ata0-master: type=disk, path="c.img", mode=flat
megs: 32

此配置文件中，第4行设定的是虚拟硬盘信息；第5行设定的是内存容量，单位是M；其他配置无需关注。

第二个配置文件需要放在~/.bochsdbgrc处，其内容较上一个文件多了最后一行：

romimage: file=$BXSHARE/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=$BXSHARE/VGABIOS-lgpl-latest
boot: disk
ata0-master: type=disk, path="c.img", mode=flat
megs: 32
display_library: x, options="gui_debug"

第6行用于启动bochs调试器的GUI。

最后，需要在~/.bashrc中将两个版本的bochs与其配置文件分别对应起来：

alias bochs="bochs -q"
alias bochsdbg="bochsdbg -q -f ~/.bochsdbgrc"

至此，所有的准备工作就都完成了。

如果现在运行bochs命令，bochs会显示："No bootable device"（没有可引导的设备），这是正常的，因为现在什么都还没有实现。在下一章中，我们将正式开始实现操作系统。

本系列源码可从https://github.com/yingyulou/Published-Articles/tree/master/code/os获得。