本系列文章将一步步实现一个简单的操作系统。实验环境是在Linux系统下通过Bochs虚拟机运行我们自己写的操作系统。
在学习编写操作系统的过程中，我们需要一个虚拟机来模拟出一个虚拟的计算机硬件环境，比如cpu、内存、硬盘等，并且能够运行并且调试我们写的代码。Bochs很好的提供了以上所有功能，在它面前我们就像上帝一样随时可以让时间停止，”钻“到计算机内部，查看这个虚拟电脑的一切信息，这正是开发操作系统所需要的。
Ubuntu下我们可以直接运行以下命令以源码方式安装Bochs（注意我们之所以选择以源码方式安装，是因为通过apt install安装的Bochs是没有调试功能的）
$ sudo apt update
$ sudo apt install build-essential libx11-dev xorg-dev libgtk2.0-dev
$ wget https://sourceforge.net/projects/bochs/files/bochs/2.7/bochs-2.7.tar.gz
$ tar zxvf bochs-2.7.tar.gz
$ cd bochs-2.7/
$ ./configure --enable-debugger --enable-disasm --enable-debugger-gui
$ make
$ sudo make install
./configure后面的参数便是打开调试功能的开关
到此实验环境搭建完毕。
先简单讲一下计算机的启动流程，详细启动过程可参考我的另一篇博客 操作系统启动过程
按下开机键后，计算机首先会运行BIOS中的代码，BIOS在进行硬件检查和初始化后，会按照设置好的启动顺序（我们在使用U盘安装系统时，经常要进入BIOS设置这个启动顺序），依次寻找启动设备（比如硬盘、U盘等）。然后将第一个可用的启动设备的第一个扇区载入内存0x7c00处，并把执行权限交给它。
启动设备的第一个扇区我们称之为引导扇区（MBR），共512个字节，必须以数值0x55及0xaa结尾。包括三部分内容：引导加载程序（Boot Loader）（前446个字节，如GRUB等）、磁盘分区表（DPT，Disk Partition Table）、分区有效性标志（55AA）。其中的引导加载程序负责加载启动硬盘分区中的操作系统。
在BIOS向引导程序移交执行权之前，BIOS会对处理器进行初始化，这其中就包括处理器的代码段寄存器CS和指令指针寄存器IP。当BIOS跳转至引导程序时，CS和IP的值分别为0x0000和0x7c00。此时的处理器处于实模式下，物理地址必须经过CS寄存器和IP寄存器转换才能得到。转换公式为：物理地址=CS<<4+IP，也就是物理地址0x7c00处。
BIOS由Bochs虚拟机提供，我们接下来写的就是这个512字节的引导扇区（MBR）的汇编代码。目前它并不用加载操作系统，我们只让它在屏幕上打印出经典的“hello world”即可。
首先看一下汇编代码：
org 0x07c00
mov ax,cs
mov ds,ax
mov es,ax
mov ax,Message
mov bp,ax
mov cx, 13
mov ax,0x1301
mov bx,0x0002
mov dh,0
mov dl,0
int 0x10
jmp $
Message:
db "Hello, world!"
times 510-($-$$) db 0
dw 0xaa55
代码和数据是按汇编程序的编写顺序依次连续存放到内存的，即上面的程序在0x7c00处开始存放的是org 0x07c00的机器指令，在512字节最后放的是0xaa55数据。
BIOS程序在把引导程序加载到内存时，同时还创建了中断系统，在物理内存的前1KB空间初始化中断向量表，在物理内存最后256KB物理地址空间内保存中断处理程序。cpu运行完BIOS后，物理内存的布局如下：
本程序就是调用0x10号中断，在屏幕上打印字符串。在调用0x10号中断处理程序往显示器的屏幕上打印字符串时，所有的参数都是通过cpu中的寄存器传递的，各参数的含义如下：
代码解析：
第1行，告诉编译器程序加载到内存的0x7c00处。
第2~4行，统一数据段寄存器DS和附加段寄存器ES的值和代码段寄存器CS一致，即不论数据段还是代码段，段起始地址都是0x7c00。
第5~6行，将字符串"Hello, world!"的首地址传递给寄存器bp。注意任何不被方括号[ ]括起来的标签或变量名都被认为是地址，访问标签或变量中的内容必须使用[ ]
第7行，将字符串的长度传递给寄存器cx
第8~11行，字符串属性设置
第12行，调用0x10号中断处理程序，在屏幕上显示字符串
第13行，使cpu进入死循环
因为cpu会不停的根据寄存器[cs:ip]中的逻辑地址转换后的物理地址，从物理内存读取机器指令，然后对其解析、执行。其中，当运行完一条机器指令后，cpu自动将该机器指令的下一条机器指令的偏移地址赋值给ip。当cpu运行完可执行文件中的最后一个机器指令后，若不采取任何措施，则cpu会将下面的数据看做机器指令，进行取指、解析、执行。因此，需要一条让cpu进入死循环的机器指令作为可执行文件的最后一条机器指令。
$表示当前行被汇编后的地址，$$表示程序被汇编后的开始地址，也就是0x7c00.
第15、17行，分别以字节和字的形式存放的数据
第16行，表示将0这个字节重复510-($-$$)遍，也就是在剩下的空间不停填充0，直到第510个字节为止。这样加上结束标志0xaa55占用的两个字节，恰好是512个字节。
在运行代码之前我们需要将其转换成计算机能读懂的机器指令形式，这就需要编译器。我们编译c代码使用GCC，编译汇编程序使用nasm编译器。
把上面的代码保存成boot.asm，然后使用nasm编译一下，生成二进制可执行文件boot.bin
$ nasm boot.asm -o boot.bin
下面我们将制作一个虚拟硬盘并将已经生成的可执行文件boot.bin放到虚拟硬盘的第一个磁盘块（引导扇区MBR）中。Bochs虚拟机将使用这块“硬盘”引导启动。
首先选择合适的地方创建一个工程目录
$ mkdir projectest
$ cd projectest
将可执行文件boot.bin拷贝到该工程目录中
然后在本层目录中创建一个大小为1MB的硬盘镜像文件b.img的命令如下：
$ dd if=/dev/zero of=b.img bs=512 count=2048
dd是文件拷贝命令，其中：
由bs和count参数可知，硬盘镜像文件的大小为：2048*512B=1MB，硬盘镜像文件制作好后，将可执行文件boot.bin拷贝到硬盘镜像文件b.img（硬盘）的引导扇区的命令如下：
$ dd if=boot.bin of=b.img bs=512 seek=0 conv=notrunc
其中：
这样一个写入了引导程序的“硬盘”就制作好了。
"硬盘”制作好后，要想启动bochs还需要一个配置文件——bochsrc.bxrc。为什么需要配置文件呢？因为你需要告诉bochs你希望的虚拟机是什么样的，比如，内存多大，使用哪个硬盘启动等等。在下载bochs的源码包中有一个.bochsrc，就是官方提供的配置文件示例，我们可以根据这个更改。
下面是本实验用到的bochs配置文件代码
romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/local/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest
ata0-master: type-disk, path="b.img"
megs: 16
cpu: count=1
boot: disk
其中：
将上面的代码保存为bochsrc.bxrc，也存到工程目录下。
现在一切准备就绪，启动bochs的命令如下：
$ bochs -q -f bochsrc.bxrc
其中：
.bochsrc
bochsrc
bochsrc.txt
bochsrc.bxrc (windows only)
/home/.bochsrc (Unix only)
/etc/bochsrc(Unix only)
运行bochs后会在终端出现bochs调试命令行，等待我们输入调试命令，这里输入c继续执行
可以看到在虚拟机中我们的引导程序已成功运行，在屏幕上打印出了hello world。
| 常用调试命令 | 作用 |
|---|---|
| b | 使用物理地址打断点 |
| vb | 使用逻辑地址打断点 |
| blist | 查看所有断点信息 |
| n | 单步执行（遇到函数跳过） |
| s | 单步执行（遇到函数进入函数内部） |
| c | 继续执行 |
| r | 查看所有通用寄存器的值 （eax、ebx、ecx、edx、esp、ebp、esi、edi、eip、eflags） |
| sreg | 查看所有段寄存器的值 |
| u /5 | 打印CPU接下来将执行的5条指令 |
| xp | 查看物理内存中指定物理地址的内容xp /2bx 物理地址：打印两个字节，以十六进制格式输出。xp /13c 物理地址：打印13个字节，以ASCII码对应的字符显示 |
| watch 变量名 | 运行时，若某一行代码修改了变量，则中断，并打印修改前后的值。 |
| q | 退出调试继续执行 |