从零开始制作 MyOS（五）
屏幕驱动
归类项目文件
移动源码
将源码归类到各个文件夹中，修改 Makefile
├── boot
│ └── boot.asm
├── drivers
├── kernel
│ ├── entry.asm
│ └── kernel.c
├── libs
├── Makefile
└── scripts
└── linker.ld
新增 boot，drivers，kernel，libs，scripts 文件夹，将对应的源文件如上归类
Makefile 修改
CC = gcc
LD = ld
ASM = nasm
QEMU = qemu-system-x86_64
CFLAGS = -m32 -ffreestanding -nostdlib -c
ASFLAGS = -f elf32
LDFLAGS = -m elf_i386 -T scripts/linker.ld -nostdlib
OS_IMAGE = myos.img
BOOT_BIN = boot/boot.bin
BOOT_SRC = boot/boot.asm
KERNEL_ENTRY_SRC = kernel/entry.asm
KERNEL_ENTRY_OBJ = kernel/entry.o
KERNEL_C_SRC = kernel/kernel.c
KERNEL_C_OBJ = kernel/kernel.o
SCREEN_C_SRC = drivers/screen.c
SCREEN_C_OBJ = drivers/screen.o
KERNEL_BIN = kernel/kernel.bin
all: $(OS_IMAGE)
$(OS_IMAGE): $(BOOT_BIN) $(KERNEL_BIN)
dd if=/dev/zero of=$(OS_IMAGE) bs=512 count=2880
dd if=$(BOOT_BIN) of=$(OS_IMAGE) conv=notrunc
dd if=$(KERNEL_BIN) of=$(OS_IMAGE) bs=512 seek=1 conv=notrunc
$(BOOT_BIN): $(BOOT_SRC)
$(ASM) -f bin $(BOOT_SRC) -o $(BOOT_BIN)
$(KERNEL_BIN): kernel/kernel.elf
objcopy -O binary kernel/kernel.elf $(KERNEL_BIN)
kernel/kernel.elf: $(KERNEL_ENTRY_OBJ) $(KERNEL_C_OBJ)
$(LD) $(LDFLAGS) -o kernel/kernel.elf $(KERNEL_ENTRY_OBJ) $(KERNEL_C_OBJ)
$(KERNEL_C_OBJ): $(KERNEL_C_SRC)
$(CC) $(CFLAGS) $(KERNEL_C_SRC) -o $(KERNEL_C_OBJ)
$(KERNEL_ENTRY_OBJ): $(KERNEL_ENTRY_SRC)
$(ASM) $(ASFLAGS) $(KERNEL_ENTRY_SRC) -o $(KERNEL_ENTRY_OBJ)
clean:
rm -f *.o *.bin *.elf $(OS_IMAGE) $(BOOT_BIN) kernel/kernel.elf $(KERNEL_BIN) $(KERNEL_ENTRY_OBJ) $(KERNEL_C_OBJ) $(SCREEN_C_OBJ)
run: $(OS_IMAGE)
$(QEMU) -drive format=raw,file=$(OS_IMAGE)
.PHONY: all clean run
然后编译运行看是否能正确打印 kernel.c 中的日志
问题：
- 修改了 Makefile 编译报错
- 必须要加一个 elf 中间编译文件，不然保护模式切换不到 kernel.c 内核中去
实现屏幕驱动
在 drivers 目录下添加一个 screen.h 和 screen.c 文件
screen.h
#ifndef SCREEN_H
#define SCREEN_H
#include <stdint.h>
/* 屏幕颜色枚举 */
typedef enum {
BLACK = 0,
BLUE = 1,
GREEN = 2,
CYAN = 3,
RED = 4,
MAGENTA = 5,
BROWN = 6,
LIGHT_GRAY = 7,
DARK_GRAY = 8,
LIGHT_BLUE = 9,
LIGHT_GREEN = 10,
LIGHT_CYAN = 11,
LIGHT_RED = 12,
LIGHT_MAGENTA = 13,
YELLOW = 14,
WHITE = 15
} vga_color;
// extern void outb(uint16_t port, uint8_t value);
/* 端口输出函数 */
static inline void outb(uint16_t port, uint8_t value) {
asm volatile ("outb %0, %1" : : "a"(value), "Nd"(port));
}
/* 组合颜色字节 */
static inline uint8_t make_color(vga_color fg, vga_color bg) {
return fg | (bg << 4);
}
/* 组合字符和颜色 */
static inline uint16_t make_vga_entry(char c, uint8_t color) {
return (uint16_t)c | ((uint16_t)color << 8);
}
/* 函数声明 */
void clear_screen(void);
void put_char(char c, uint8_t color);
void printk(const char* str);
void printf(const char* format, ...);
void printk_color(const char* str, uint8_t color);
void set_cursor_pos(uint8_t x, uint8_t y);
uint16_t get_cursor_pos(void);
#endif
screen.c
#include "screen.h"
#include <stdarg.h>
/* VGA 文本模式内存地址 */
#define VIDEO_MEMORY 0xB8000
/* 屏幕尺寸 */
#define SCREEN_WIDTH 80
#define SCREEN_HEIGHT 25
/* 当前光标位置 */
static uint16_t cursor_x = 0;
static uint16_t cursor_y = 0;
/* 清屏函数 */
void clear_screen(void) {
uint16_t* video_mem = (uint16_t*)VIDEO_MEMORY;
uint8_t color = make_color(WHITE, BLACK);
uint16_t blank = make_vga_entry(' ', color);
for (int i = 0; i < SCREEN_WIDTH * SCREEN_HEIGHT; i++) {
video_mem[i] = blank;
}
cursor_x = 0;
cursor_y = 0;
set_cursor_pos(0, 0);
}
/* 更新硬件光标位置 */
void set_cursor_pos(uint8_t x, uint8_t y) {
uint16_t pos = y * SCREEN_WIDTH + x;
/* 向 VGA 控制寄存器发送命令 */
outb(0x3D4, 0x0F);
outb(0x3D5, (uint8_t)(pos & 0xFF));
outb(0x3D4, 0x0E);
outb(0x3D5, (uint8_t)((pos >> 8) & 0xFF));
cursor_x = x;
cursor_y = y;
}
/* 获取当前光标位置 */
uint16_t get_cursor_pos(void) {
return cursor_y * SCREEN_WIDTH + cursor_x;
}
/* 滚屏 */
static void scroll(void) {
uint16_t* video_mem = (uint16_t*)VIDEO_MEMORY;
uint8_t color = make_color(WHITE, BLACK);
uint16_t blank = make_vga_entry(' ', color);
/* 将第2行到最后一行向上移动一行 */
for (int i = 0; i < (SCREEN_HEIGHT - 1) * SCREEN_WIDTH; i++) {
video_mem[i] = video_mem[i + SCREEN_WIDTH];
}
/* 清空最后一行 */
for (int i = (SCREEN_HEIGHT - 1) * SCREEN_WIDTH; i < SCREEN_HEIGHT * SCREEN_WIDTH; i++) {
video_mem[i] = blank;
}
cursor_y = SCREEN_HEIGHT - 1;
}
/* 输出单个字符 */
void put_char(char c, uint8_t color) {
uint16_t* video_mem = (uint16_t*)VIDEO_MEMORY;
/* 处理换行符 */
if (c == '\n') {
cursor_x = 0;
cursor_y++;
}
/* 处理回车符 */
else if (c == '\r') {
cursor_x = 0;
}
/* 处理制表符 */
else if (c == '\t') {
cursor_x = (cursor_x + 4) & ~(4 - 1);
}
/* 处理普通字符 */
else {
uint16_t index = cursor_y * SCREEN_WIDTH + cursor_x;
video_mem[index] = make_vga_entry(c, color);
cursor_x++;
}
/* 检查是否需要换行或滚屏 */
if (cursor_x >= SCREEN_WIDTH) {
cursor_x = 0;
cursor_y++;
}
if (cursor_y >= SCREEN_HEIGHT) {
scroll();
}
/* 更新光标位置 */
set_cursor_pos(cursor_x, cursor_y);
}
/* 输出字符串（默认颜色） */
void printk(const char* str) {
printk_color(str, make_color(WHITE, BLACK));
}
/* 输出字符串（指定颜色） */
void printk_color(const char* str, uint8_t color) {
while (*str) {
put_char(*str++, color);
}
}
/* 整数转字符串 */
static void itoa(int value, char* str, int base) {
char* ptr = str;
char* ptr1 = str;
char tmp_char;
int tmp_value;
// 处理0
if (value == 0) {
*ptr++ = '0';
*ptr = '\0';
return;
}
// 转换数字
while (value) {
tmp_value = value;
value /= base;
*ptr++ = "zyxwvutsrqponmlkjihgfedcba9876543210123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"[35 + (tmp_value - value * base)];
}
*ptr-- = '\0';
// 反转字符串
while (ptr1 < ptr) {
tmp_char = *ptr;
*ptr-- = *ptr1;
*ptr1++ = tmp_char;
}
}
/* 支持格式化的输出函数 */
void printf(const char* format, ...) {
va_list args;
va_start(args, format);
char buffer[32];
while (*format) {
if (*format == '%') {
format++;
switch (*format) {
case 'd': {
int num = va_arg(args, int);
itoa(num, buffer, 10);
printk(buffer);
break;
}
case 's': {
char* str = va_arg(args, char*);
printk(str);
break;
}
case 'c': {
char c = (char)va_arg(args, int);
put_char(c, make_color(WHITE, BLACK));
break;
}
case 'x': {
int num = va_arg(args, int);
itoa(num, buffer, 16);
printk(buffer);
break;
}
default:
put_char(*format, make_color(WHITE, BLACK));
break;
}
} else {
put_char(*format, make_color(WHITE, BLACK));
}
format++;
}
va_end(args);
}
Makefile
修改对应的 Makefile
CC = gcc
LD = ld
ASM = nasm
QEMU = qemu-system-x86_64
INCLUDES = -I drivers
CFLAGS = -m32 -ffreestanding -nostdlib -c $(INCLUDES)
ASFLAGS = -f elf32
LDFLAGS = -m elf_i386 -T scripts/linker.ld -nostdlib
OS_IMAGE = myos.img
BOOT_BIN = boot/boot.bin
BOOT_SRC = boot/boot.asm
KERNEL_ENTRY_SRC = kernel/entry.asm
KERNEL_ENTRY_OBJ = kernel/entry.o
KERNEL_C_SRC = kernel/kernel.c
KERNEL_C_OBJ = kernel/kernel.o
SCREEN_H = drivers/screen.h
SCREEN_C_SRC = drivers/screen.c
SCREEN_C_OBJ = drivers/screen.o
KERNEL_BIN = kernel/kernel.bin
KERNEL_ELF = kernel/kernel.elf
all: $(OS_IMAGE)
$(OS_IMAGE): $(BOOT_BIN) $(KERNEL_BIN)
dd if=/dev/zero of=$(OS_IMAGE) bs=512 count=2880
dd if=$(BOOT_BIN) of=$(OS_IMAGE) conv=notrunc
dd if=$(KERNEL_BIN) of=$(OS_IMAGE) bs=512 seek=1 conv=notrunc
$(BOOT_BIN): $(BOOT_SRC)
$(ASM) -f bin $(BOOT_SRC) -o $(BOOT_BIN)
$(KERNEL_BIN): $(KERNEL_ELF)
objcopy -O binary $(KERNEL_ELF) $(KERNEL_BIN)
$(KERNEL_ELF): $(KERNEL_ENTRY_OBJ) $(KERNEL_C_OBJ) $(SCREEN_C_OBJ)
$(LD) $(LDFLAGS) -o $(KERNEL_ELF) $(KERNEL_ENTRY_OBJ) $(KERNEL_C_OBJ) $(SCREEN_C_OBJ)
$(KERNEL_C_OBJ): $(KERNEL_C_SRC) $(SCREEN_H)
$(CC) $(CFLAGS) $(KERNEL_C_SRC) -o $(KERNEL_C_OBJ)
$(SCREEN_C_OBJ): $(SCREEN_C_SRC) $(SCREEN_H)
$(CC) $(CFLAGS) $(SCREEN_C_SRC) -o $(SCREEN_C_OBJ)
$(KERNEL_ENTRY_OBJ): $(KERNEL_ENTRY_SRC)
$(ASM) $(ASFLAGS) $(KERNEL_ENTRY_SRC) -o $(KERNEL_ENTRY_OBJ)
clean:
rm -f $(OS_IMAGE) $(BOOT_BIN) $(KERNEL_ELF) $(KERNEL_BIN) $(KERNEL_ENTRY_OBJ) $(KERNEL_C_OBJ) $(SCREEN_C_OBJ)
run: $(OS_IMAGE)
$(QEMU) -drive format=raw,file=$(OS_IMAGE)
.PHONY: all clean run
编译运行
make clean
make run
运行结果
问题
- 添加 screen 驱动代码时 kernel.c 日志打印不出来
- boot.asm 给的扇区空间太小，修改 boot.asm 扇区大小
mov al, 4 ; 只读4个扇区（2KB）
内存空间分配策略
太好了！问题找到了。让我分析一下空间分配的问题和后续开发建议。
当前空间使用分析
你原来的设置：
mov al, 4 ; 4个扇区 = 4 × 512字节 = 2KB
实际需要的空间：
- boot.bin: 512字节 (1扇区)
- entry.asm: ~100-200字节
- kernel.c + screen.c: 随着功能增加会快速增长
- 未来模块: 内存管理、中断处理、文件系统等
空间分配策略
阶段1：基础开发（当前）
mov al, 16 ; 16个扇区 = 8KB
分配：
- entry.asm: 0.5KB
- kernel.c: 2-3KB
- screen.c: 1-2KB
- 其他驱动: 2-3KB
- 剩余: 1-2KB缓冲
阶段2：中等规模开发
mov al, 32 ; 32个扇区 = 16KB
分配：
- 基础内核: 6-8KB
- 内存管理: 3-4KB
- 中断处理: 2-3KB
- 进程管理: 3-4KB
- 剩余: 1-2KB缓冲
阶段3：完整系统
mov al, 64 ; 64个扇区 = 32KB
或者考虑二级引导加载器
实用的空间管理方案
方案A：固定大空间（推荐）
; 在boot.asm中直接分配充足空间
mov al, 32 ; 32扇区 = 16KB，足够前期开发
方案B：动态检测（高级）
; 读取内核大小信息（需要在内核开头存储大小）
mov al, [kernel_size_sectors] ; 从内核元数据读取
链接器脚本优化
确保链接器脚本正确设置内核布局：
scripts/linker.ld：
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x10000; /* 内核加载地址 */
.text : {
*(.text)
}
.data : {
*(.data)
}
.bss : {
*(.bss)
}
/* 内核大小信息，可用于引导程序检测 */
kernel_end = .;
}
开发阶段建议
阶段1：核心功能（8KB足够）
阶段2：系统服务（16KB）
阶段3：高级功能（32KB+）
实用的Makefile改进
添加大小检查：
# 在Makefile中添加内核大小检查
KERNEL_SIZE = $(shell stat -c%s $(KERNEL_BIN) 2>/dev/null || stat -f%z $(KERNEL_BIN))
KERNEL_SECTORS = $(shell echo $$(( ($(KERNEL_SIZE) + 511) / 512 )))
size-check: $(KERNEL_BIN)
@echo "Kernel size: $(KERNEL_SIZE) bytes ($(KERNEL_SECTORS) sectors)"
@if [ $(KERNEL_SECTORS) -gt 32 ]; then \
echo "WARNING: Kernel too large!"; \
fi
立即行动建议
-
修改boot.asm：
mov al, 32 ; 32扇区 = 16KB -
添加大小监控：
make size-check # 检查内核大小 -
设置安全阈值：
- 警告阈值：28扇区 (14KB)
- 错误阈值：32扇区 (16KB)
长期解决方案
当内核超过64KB时，考虑：
- 二级引导加载器
- 内核压缩
- 模块化加载
浙公网安备 33010602011771号