1
# 汇编器：NASM（Netwide Assembler）
2
# NASM 是 x86 平台最流行的汇编器之一，语法简洁，支持多种输出格式
3
sudo apt install nasm
4

5
# 模拟器：QEMU（用于无需真实硬件的调试）
6
# qemu-system-x86 可以模拟完整的 x86 计算机
7
sudo apt install qemu-system-x86
8

9
# 调试器：GDB（可选，用于断点调试引导程序）
10
sudo apt install gdb
11

12
# 十六进制查看工具
13
sudo apt install hexdump

1
my-os/
2
├── boot/
3
│   ├── mbr.asm          # MBR 引导程序源码
4
│   └── loader.asm       # Loader 程序源码
5
├── kernel/
6
│   ├── entry.asm        # 内核入口（汇编，设置栈后调用 C 函数）
7
│   └── main.c           # 内核主函数
8
├── build/
9
│   ├── mbr.bin          # 编译输出的 MBR 二进制
10
│   ├── loader.bin       # 编译输出的 Loader 二进制
11
│   ├── kernel.bin       # 编译输出的内核二进制
12
│   └── os.img           # 最终的磁盘映像
13
├── Makefile             # 构建脚本
14
└── run.sh               # QEMU 运行脚本

1
# Makefile for OS development
2

3
ASM = nasm
4
QEMU = qemu-system-i386
5
CC = gcc
6
LD = ld
7

8
# 编译选项
9
ASM_FLAGS = -f bin
10
C_FLAGS = -m32 -ffreestanding -fno-pie -nostdlib -nostdinc \
11
          -fno-builtin -fno-stack-protector -nostartfiles \
12
          -nodefaultlibs -Wall -Wextra -c
13
LD_FLAGS = -m elf_i386 -Ttext 0x1000 --oformat binary
14

15
# 源文件
16
MBR_SRC = boot/mbr.asm
17
LOADER_SRC = boot/loader.asm
18
KERNEL_ENTRY = kernel/entry.asm
19
KERNEL_C = kernel/main.c
20

21
# 输出文件
22
BUILD_DIR = build
23
MBR_BIN = $(BUILD_DIR)/mbr.bin
24
LOADER_BIN = $(BUILD_DIR)/loader.bin
25
KERNEL_BIN = $(BUILD_DIR)/kernel.bin
26
OS_IMG = $(BUILD_DIR)/os.img
27

28
.PHONY: all clean run debug
29

30
all: $(OS_IMG)
31

32
$(BUILD_DIR):
33
  mkdir -p $(BUILD_DIR)
34

35
# 编译 MBR
36
$(MBR_BIN): $(MBR_SRC) | $(BUILD_DIR)
37
  $(ASM) $(ASM_FLAGS) $< -o $@
38

39
# 编译 Loader
40
$(LOADER_BIN): $(LOADER_SRC) | $(BUILD_DIR)
41
  $(ASM) $(ASM_FLAGS) $< -o $@
42

43
# 编译内核
44
$(KERNEL_BIN): $(KERNEL_ENTRY) $(KERNEL_C) | $(BUILD_DIR)
45
  $(ASM) -f elf32 $(KERNEL_ENTRY) -o $(BUILD_DIR)/entry.o
46
  $(CC) $(C_FLAGS) $(KERNEL_C) -o $(BUILD_DIR)/main.o
47
  $(LD) $(LD_FLAGS) $(BUILD_DIR)/entry.o $(BUILD_DIR)/main.o -o $@
48

49
# 生成磁盘映像
50
$(OS_IMG): $(MBR_BIN) $(LOADER_BIN) $(KERNEL_BIN) | $(BUILD_DIR)
51
  cat $(MBR_BIN) > $(OS_IMG)
52
  # 用零填充 MBR 到一个完整磁道（通常 1 磁道 = 18 扇区）
53
  dd if=/dev/zero bs=512 count=17 >> $(OS_IMG) 2>/dev/null
54
  # 写入 Loader
55
  dd if=$(LOADER_BIN) bs=512 seek=1 of=$(OS_IMG) conv=notrunc 2>/dev/null
56
  # 写入内核（从第 10 扇区开始）
57
  dd if=$(KERNEL_BIN) bs=512 seek=10 of=$(OS_IMG) conv=notrunc 2>/dev/null
58

59
# 启动 QEMU
60
run: $(OS_IMG)
61
  $(QEMU) -drive format=raw,file=$(OS_IMG) -m 128M
62

63
# 启动 QEMU 并等待 GDB 连接
64
debug: $(OS_IMG)
65
  $(QEMU) -drive format=raw,file=$(OS_IMG) -m 128M \
66
          -s -S -serial stdio
67

68
clean:
69
  rm -rf $(BUILD_DIR)

1
# 创建 1MB 的空白磁盘映像
2
dd if=/dev/zero of=os.img bs=512 count=2048
3

4
# 写入 MBR 到第 1 个扇区（扇区编号从 0 开始）
5
dd if=mbr.bin of=os.img bs=512 count=1 conv=notrunc
6

7
# 写入 Loader 从第 2 个扇区开始
8
dd if=loader.bin of=os.img bs=512 seek=1 conv=notrunc
9

10
# 写入内核从第 10 个扇区开始
11
dd if=kernel.bin of=os.img bs=512 seek=10 conv=notrunc

1
# 基础启动
2
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img
3

4
# 指定内存大小（默认 128MB，建议显式指定）
5
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img -m 128M
6

7
# 启用串口输出（方便查看 print 调试信息）
8
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img -serial stdio
9

10
# 等待 GDB 远程连接（端口 1234）
11
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img -s -S
12

13
# 同时启用 GDB 和串口
14
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img -s -S -serial stdio
15

16
# 无图形界面模式（纯串口输出）
17
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img -nographic
18

19
# 使用 KVM 加速（如果宿主机支持）
20
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img -enable-kvm

1
# 查看寄存器状态
2
info registers
3

4
# 查看内存内容（x/Nx 表示以十六进制显示 N 个字）
5
x/16x 0x7c00
6

7
# 查看页表信息
8
info tlb
9
info mem
10

11
# 单步执行
12
singlestep on
13

14
# 暂停/继续
15
stop
16
cont
17

18
# 保存虚拟机快照
19
savevm snapshot_name
20

21
# 恢复快照
22
loadvm snapshot_name

1
# 终端 1：启动 QEMU，暂停等待 GDB 连接
2
qemu-system-i386 -drive format=raw,file=os.img -s -S
3

4
# 终端 2：启动 GDB 连接到 QEMU
5
gdb
6
(gdb) target remote :1234
7
(gdb) break *0x7c00          # 在 MBR 入口处设断点
8
(gdb) break *0x8000          # 在 Loader 入口处设断点
9
(gdb) continue               # 继续执行到断点
10
(gdb) info registers          # 查看寄存器
11
(gdb) x/16x $esp             # 查看栈内容
12
(gdb) si                     # 单步执行一条汇编指令
13
(gdb) ni                     # 单步执行（跳过函数调用）

1
# 设置为 16 位反汇编模式
2
set disassembly-flavor intel
3
set architecture i8086
4

5
# 实模式下查看物理内存
6
x/16xb 0x7c00
7

8
# 查看段寄存器
9
info registers cs ds es fs gs ss

1
set architecture i386

1
# 安装 Bochs（需要带调试器的版本）
2
sudo apt install bochs bochs-sdl
3

4
# 启动 Bochs 调试模式
5
bochs -dbg

1
# Bochs 调试器命令
2
info gdt            # 查看 GDT 内容
3
info idt            # 查看 IDT 内容
4
info page           # 查看页表
5
info tss            # 查看 TSS
6
creg                # 查看控制寄存器（CR0, CR2, CR3, CR4）
7
sreg                # 查看段寄存器
8
vb 0x7c00           # 在物理地址设断点

1
# 查看整个 MBR 的十六进制内容
2
hexdump -C mbr.bin
3

4
# 只看最后两个字节（应该是 0x55 0xAA，即 MBR 签名）
5
hexdump -C mbr.bin | tail -1
6

7
# 用 od 查看
8
od -A x -t x1z mbr.bin
9

10
# 检查 MBR 签名是否正确
11
# 偏移 510 和 511 处应该是 55 AA
12
xxd -s 510 -l 2 mbr.bin

1
; MBR 签名（必须位于第 510-511 字节）
2
times 510 - ($ - $$) db 0
3
dw 0xAA55            ; 小端序，磁盘上为 55 AA

1
[bits 16]
2
[org 0x7C00]
3

4
start:
5
    xor ax, ax
6
    mov ds, ax          ; DS = 0
7
    mov es, ax          ; ES = 0
8
    mov ss, ax          ; SS = 0
9
    mov sp, 0x7C00      ; 栈指针设在 MBR 下方，向下增长
10
    ; ... 后续代码

1
; 设置 CR0.PE = 1
2
mov eax, cr0
3
or eax, 1
4
mov cr0, eax
5

6
; 远跳转清空流水线，跳转到 32 位代码段
7
jmp dword 0x08:protected_mode_entry
8

9
[bits 32]
10
protected_mode_entry:
11
    ; 现在才真正在保护模式下执行
12
    mov ax, 0x10        ; 加载数据段选择子
13
    mov ds, ax
14
    mov es, ax
15
    mov ss, ax
16
    ; ...

1
; 假设页目录在 0x100000，页表在 0x101000
2
; 恒等映射：虚拟地址 = 物理地址
3

4
; 设置页目录的第 0 项，指向第一个页表
5
mov dword [0x100000], 0x101003  ; 页表地址 + Present + R/W 位
6

7
; 设置页表的各项，映射前 4MB（1024 个 4KB 页面）
8
mov ecx, 0
9
mov edi, 0x101000
10
.fill_page_table:
11
    mov eax, ecx
12
    shl eax, 12           ; eax = ecx * 4096（物理地址）
13
    or eax, 0x003         ; Present + R/W 位
14
    mov [edi], eax
15
    add edi, 4
16
    inc ecx
17
    cmp ecx, 1024
18
    jl .fill_page_table
19

20
; 加载页目录地址到 CR3
21
mov eax, 0x100000
22
mov cr3, eax
23

24
; 开启分页
25
mov eax, cr0
26
or eax, 0x80000000       ; CR0.PG = 1
27
mov cr0, eax