2022年2月13日 星期日

作業系統前的程式


我這邊寫的不一定是對的，可能有些前提條件，不過我可能還不是全懂？

一直以來都很想自己寫個 x86 作業系統來玩，相關的書也買了好多本，但一直沒有時間好好消化。終於在這星期開始來做些小嘗試，大部份書的第一個例子，都是藉由 BIOS 的幫助，來把磁區 0 的 512 Byte 資料載入到某塊記憶體，此資料是以 0xAA55 來結尾，故扣掉這兩個 magic number 後，我們應該還有 510 Byte 可以來寫些程式。

接著的例子就是會介紹如何切換到 big real mode 或是保護模式，好突破記憶體的限制，再來可能是想辦法把硬碟上的程式載入到記憶體，接著是初始化 C 語言環境，然後我們就可以有好用的 C 語言可用了。

雖然大部份的書入門都是這樣介紹，但我個人比較好奇的是 510 Byte 大概可以寫下怎樣的程式？如果把 x86 CPU 當成 MCU 來操作，在這樣的大小之下，可以寫一個猜數字或是簡單的打磚塊遊戲嗎？

故我第一個程式便是先嘗試用到 INT 0x10 和 INT 0x16 的 BIOS 中斷，這樣就可以印東西到螢幕，也可以讀取鍵盤的輸入字元。即使之後可能有很大機會就只是玩到這裡為止，但至少是個開始。

真正的程式很簡單不到 30 行，機器碼也只有 30 Byte，在 qemu 上跑起來也算順利。


但在真實的機器上跑便遇到兩個問題：

01. 在我家的板子上無法使用 INT 0x16 讀取鍵盤。
02. 在我自己的筆電上無法使用 USB 隨身碟開機。

我決定先把這兩個問題搞定就好。

2022/02/14 更新

我的程式沒有使用 org 告知組譯器開始位置 0x7C00，那是因為我並未宣告字串的空間，故沒有定址到那塊空間的需求，即使我有宣告字串，也可以自己計算 offset 的位置，當然使用 org 讓組譯器幫你計算是比較好的作法。順帶一提，這個 0x7C00 不是 INTEL 的標準，而是當初開發 IBM PC 5150 時用的，就一直延用至今，變成一個類似 BIOS 的標準。

2022/02/15 更新

Short jump—A near jump where the jump range is limited to –128 to +127 from the current EIP value.

opcode EB 是短跳轉，後面帶的是從目前的 EIP 要跳多少位置。這個位置是 -128 ~ +127。

故 section start 的最後一道指令 jmp check 轉成 opcode 是 EB E4（負數，二補數法），也就是往回跳 28 個 Byte，也就是 0x02 的位置，也就是 section check 的第一道指令 mov ah, 0x0d，也就是 opcode B4 0D。

mov 會隨著使用不同的暫存器而有不同的 opcode。


2022/03/08 更新

不懂 x86 也不懂 BIOS 的我，實在不知道為什麼 Legacy BIOS 的鍵盤中斷 INT 0x16 無法使用？沉思中 ...

2022/03/09 更新

找到原因了，從 Google 得知，某些 BIOS 中斷需要 stack 才能正常工作，故我們必須一併設定 SS 和 SP，但我只設定這兩個還是不正常，故把 DS、ES 也順便一起設定。

org 0x7c00
mov ax, cs
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0xb800

雖然現在鍵盤中斷可以正常工作，但我判斷是否按下 enter 鍵的 code 無法成功判斷，目前還要努力，至於其他鍵是沒有問題的。

2022/03/10 更新

即使是支小程式，在真實的機器上跑還是有很多眉角要注意，我終於知道為什麼我嘗試想要換行會無法成功，原因是我誤用了 BL 暫存器，0EH 的 INT 10h 中斷會用到 BL，但我嘗試在比較時對這個暫存器設值，導致 INT 10h 異常，同樣的之前我以為要設定 stack 才能正常使用鍵盤中斷也是錯的，只要我不要用到 BL 暫存器，即使不設定 stack，鍵盤中斷仍然是可以使用的。

寫組語用暫存器真的是要小心呀XD

最後版的程式

;org 0x7c00
;mov ax, cs
;mov ds, ax
;mov es, ax
;mov ss, ax
;mov sp, 0xb800

init:
    jmp start

check:
    mov cl, 0x0d
    cmp al, cl
    je nextline
    
print:
    mov ah, 0x0e  ;tty mode
    int 0x10

    jmp start

nextline:
    mov ah, 0x0e  ;tty mode
    
    mov al, 0x0d
    int 0x10
    
    mov al, 0x0a
    int 0x10
    
    jmp start

nextline1:
    mov ah, 0x03
    int 0x10
    
    inc dh
    mov dl, 0x00
    
    mov ah, 0x02
    int 0x10

start:
    mov ah, 0x10
    int 0x16
    jmp check

debug:
    ;mov al, 0x4c
    out 0x80, al
    hlt
    jmp debug

; padding and magic number
times 510 - ($-$$) db 0
dw 0xaa55
於

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