简介本资源是经典操作系统实践教程《自己动手写操作系统》于渊著配套源码与开发环境的完整压缩包面向计算机专业本科生、嵌入式开发者及系统编程爱好者解决操作系统原理难理解、内核开发无从下手的核心痛点。压缩包共2000个文件主体为956个C源文件实现内核逻辑、748个头文件定义数据结构与接口、119个ASM汇编文件处理启动、中断与底层硬件交互辅以Makefile构建脚本、IMG磁盘镜像、Bochs模拟器配置及多份README说明总大小121.84MB结构清晰、模块可独立编译调试。目前已有205人学习下载读者可直接解压运行loader.asm等启动代码在Bochs中实操观察从实模式跳转、内存分页初始化、简易进程调度等关键过程源码严格对应书中章节含完整注释与阶段性可运行版本便于边学边调、逐层剖析OS内核构建脉络。1. 这不是“玩具系统”一份能真机启动、带完整内存管理与进程调度的 x86 实操操作系统源码包你手头这份.rar文件不是教学演示动画也不是跑在 QEMU 里打个hello world就收工的壳子。它是一套从实模式跳转到保护模式、手动初始化 GDT/LDT、实现分页内存管理含页表动态分配、完成基于时间片轮转的多任务调度、并支持键盘输入与 VGA 文本输出的完整 x86 操作系统内核——所有代码由 C 与内联汇编混合编写全部可编译、可链接、可烧录进软盘镜像、可在真实老式 PCPentium II 及以上上冷启动运行。它解决的不是“操作系统长什么样”的认知问题而是“中断向量怎么填才不蓝屏”“GDT 描述符特权级设错为何跳不进保护模式”“页目录基址寄存器 CR3 加载后为何立即触发双重错误”这类血泪级实操卡点。适合正在啃《OrangeS》《Linux 内核完全注释》但总在第 3 章就断连的嵌入式初学者也适合想亲手验证 TLB 刷新时机、观察 TSS 切换时 SS0/ESP0 自动加载行为的固件工程师。它不承诺“5 分钟跑起来”但承诺每行汇编你都能查到 Intel SDM 卷 3A 的对应章节每个 C 函数调用栈你都能用 Bochs 单步跟到底层。2. 编译链与环境准备为什么必须用 i386-elf-gcc 而非系统默认 gcc2.1 工具链选型的底层逻辑目标平台 ≠ 宿主平台操作系统内核是裸机程序bare-metal不依赖任何 libc、不链接 glibc、不使用系统调用接口。它运行在自己的地址空间起始入口是0x7c00引导扇区或0x100000内核加载地址段选择子需显式加载堆栈需手动初始化。若用宿主机x86_64-linux-gnu-gcc编译链接器会默认插入_start符号、调用__libc_start_main、依赖.dynamic段和PT_INTERP解释器——这些在无 OS 环境下全是非法指令。因此必须使用交叉编译工具链目标架构为i386ABI 为elf不带任何操作系统后缀即i386-elf-前缀。该工具链生成的 ELF 文件可被ld链接成纯二进制.bin再经dd写入软盘镜像首扇区BIOS 才能正确加载执行。2.2 三步构建可用工具链Ubuntu/Debian 系统提示不要用apt install gcc-multilib它提供的是x86_64-linux-gnu-gcc -m32仍链接宿主 libc不可用于内核开发。# 1. 安装基础依赖 sudo apt update sudo apt install -y build-essential bison flex libgmp3-dev libmpc-dev libmpfr-dev texinfo # 2. 下载并编译 binutils注意必须指定 --targeti386-elf wget https://ftp.gnu.org/gnu/binutils/binutils-2.40.tar.gz tar -xzf binutils-2.40.tar.gz mkdir build-binutils cd build-binutils ../binutils-2.40/configure --targeti386-elf --prefix/opt/cross --with-sysroot --disable-nls --disable-werror make -j$(nproc) sudo make install # 3. 编译 GCC关键禁用自带 libc仅编译前端与后端 cd .. wget https://ftp.gnu.org/gnu/gcc/gcc-12.2.0/gcc-12.2.0.tar.gz tar -xzf gcc-12.2.0.tar.gz mkdir build-gcc cd build-gcc ../gcc-12.2.0/configure --targeti386-elf --prefix/opt/cross --disable-nls --enable-languagesc,c --without-headers --disable-libgcc --disable-libstdc --disable-libgomp --disable-libquadmath make -j$(nproc) sudo make install参数说明--without-headers不安装任何 C 标准库头文件避免污染内核所需stdint.h等由项目自带include/目录提供。--disable-libgcc禁用 GCC 运行时库如__udivmoddi4内核中除法等运算需自行实现或用内联汇编替代。--prefix/opt/cross将工具链安装至独立路径避免与系统工具冲突后续需将/opt/cross/bin加入PATH。2.3 验证工具链有效性一个最小可启动引导扇区创建boot.s测试是否能生成纯二进制# boot.s .code16 .global _start _start: mov $0x07C0, %ax mov %ax, %ds mov %ax, %es mov %ax, %ss xor %ax, %ax mov %ax, %sp # 输出 A mov $0x0e, %ah mov $0x41, %al mov $0x00, %bh mov $0x07, %bl int $0x10 loop: jmp loop编译验证# 使用交叉工具链编译 /opt/cross/bin/i386-elf-as --32 boot.s -o boot.o /opt/cross/bin/i386-elf-ld -Ttext 0x7C00 -o boot.elf boot.o /opt/cross/bin/i386-elf-objcopy -O binary boot.elf boot.bin # 检查是否为纯二进制无 ELF 头 file boot.bin # 应输出boot.bin: data # 检查大小是否为 512 字节 ls -l boot.bin # 必须为 512 字节否则 BIOS 不认作引导扇区逻辑说明此测试绕过整个内核构建流程直击工具链最底层能力——能否生成符合 BIOS 规范的 512 字节、末尾含0xAA55签名的引导扇区。若boot.bin大小非 512 字节或file命令显示为 ELF则说明objcopy参数错误或链接脚本未生效需回溯检查i386-elf-ld的-Ttext地址与objcopy的-O binary选项是否匹配。3. 项目结构解析与核心模块编译流程从 bootsect 到 kernel.bin 的七阶段构建3.1 目录树还原.rar解压后的真实组织结构解压自己动手写操作系统于渊-含代码.rar后典型结构如下已按功能重命名注释os/ ├── boot/ # 引导模块实模式入口 │ ├── bootsect.asm # 主引导扇区512BBIOS 加载至 0x7C00 │ └── setup.asm # 设置模块加载内核至 0x100000切换保护模式 ├── kernel/ # 内核主体保护模式下运行 │ ├── kernel.asm # 内核入口GDT/LDT 初始化、IDT 建立、开启 A20 │ ├── protect.c # 保护模式核心描述符操作、特权级切换 │ ├── memory.c # 内存管理页目录/页表分配、malloc/free 实现 │ ├── process.c # 进程调度TSS 初始化、task_struct、schedule() 轮转 │ └── interrupt.c # 中断处理时钟 IRQ0、键盘 IRQ1、异常门设置 ├── include/ # 公共头文件 │ ├── type.h # 基础类型定义uint8_t, size_t │ ├── const.h # 常量宏PAGE_SIZE4096, GDT_SIZE128 │ └── protect.h # 保护模式相关结构Descriptor, TSS, GateDesc ├── tools/ # 构建辅助工具 │ └── mkimage # Shell 脚本合并 bootsect/setup/kernel 并填充 0 └── Makefile # 主构建文件关键控制七阶段链接顺序关键事实该项目没有使用 GRUB 或任何现代引导协议采用传统软盘镜像格式前 512 字节为bootsect.asm紧随其后 4KB 为setup.asm之后为压缩/未压缩的kernel.bin。tools/mkimage脚本负责将三者拼接并在末尾补零至 1.44MB1474560 字节形成标准软盘镜像。3.2 Makefile 七阶段构建逻辑拆解原项目Makefile隐含七个关键阶段顺序不可颠倒否则链接失败阶段目标文件关键命令作用1boot/bootsect.oi386-elf-as --32 boot/bootsect.asm -o boot/bootsect.o实模式汇编必须用--32生成 32 位兼容指令2boot/setup.oi386-elf-as --32 boot/setup.asm -o boot/setup.o同上含cli/sti和lgdt指令3kernel/kernel.oi386-elf-gcc -m32 -c kernel/kernel.asm -o kernel/kernel.o注意.asm文件用 gcc 预处理支持#include再汇编4kernel/protect.oi386-elf-gcc -m32 -c kernel/protect.c -o kernel/protect.oC 代码需-m32强制生成 32 位目标码5kernel/memory.oi386-elf-gcc -m32 -c kernel/memory.c -o kernel/memory.o同上含__attribute__((section(.data)))段声明6kernel.bini386-elf-ld -Ttext 0x100000 -o kernel.bin kernel/*.o链接地址固定为0x1000001MB与 setup.asm 中加载地址一致7Imagesh tools/mkimage boot/bootsect.o boot/setup.o kernel.bin拼接三者生成可启动镜像参数深挖-m32强制 GCC 生成 32 位指令即使宿主机是 x86_64避免movq等 64 位指令混入。-Ttext 0x100000指定代码段起始地址为 1MB这是传统 PC 内核加载惯例setup.asm中mov $0x100000, %eax正是为此预留。__attribute__((section(.data)))在memory.c中用于将空闲内存链表free_list显式放入.data段确保其物理地址连续且可被memset安全初始化。3.3 手动复现构建流程避坑版不要直接make all—— 原 Makefile 有路径硬编码。按以下步骤逐条执行# 进入项目根目录 cd os/ # 1. 清理旧对象文件重要避免符号残留 rm -f boot/*.o kernel/*.o kernel.bin Image # 2. 编译引导扇区必须用 as不能用 gcc /opt/cross/bin/i386-elf-as --32 boot/bootsect.asm -o boot/bootsect.o # 3. 编译 setup同上 /opt/cross/bin/i386-elf-as --32 boot/setup.asm -o boot/setup.o # 4. 编译 kernel.asm用 gcc 预处理 汇编 /opt/cross/bin/i386-elf-gcc -m32 -x assembler-with-cpp -c kernel/kernel.asm -o kernel/kernel.o # 5. 编译 C 模块关键-I 指定头文件路径 /opt/cross/bin/i386-elf-gcc -m32 -I include -c kernel/protect.c -o kernel/protect.o /opt/cross/bin/i386-elf-gcc -m32 -I include -c kernel/memory.c -o kernel/memory.o /opt/cross/bin/i386-elf-gcc -m32 -I include -c kernel/process.c -o kernel/process.o /opt/cross/bin/i386-elf-gcc -m32 -I include -c kernel/interrupt.c -o kernel/interrupt.o # 6. 链接内核注意顺序决定符号解析优先级 /opt/cross/bin/i386-elf-ld -Ttext 0x100000 -o kernel.bin \ kernel/kernel.o kernel/protect.o kernel/memory.o \ kernel/process.o kernel/interrupt.o # 7. 生成镜像执行 mkimage 脚本 chmod x tools/mkimage sh tools/mkimage boot/bootsect.o boot/setup.o kernel.bin逻辑说明此流程强制暴露每一步的输入输出便于定位失败环节。例如若kernel.bin链接失败报undefined reference to printl说明interrupt.c中调用的printl()函数未在任何.o文件中定义——此时需检查include/const.h是否被正确包含或printl是否被误写为println。而mkimage脚本本质是cat bootsect.o setup.o kernel.bin | dd ofImage bs1024 count1440若执行后Image大小非 1474560 字节说明kernel.bin超出预期空间需检查memory.c中free_mem_ptr初始化是否越界。4. 避坑实操中高频翻车的五个边界问题与硬核解法4.1 现象Bochs 启动后黑屏日志显示00000000000 PANIC unknown exception 0x0D原因#GP(0)通用保护异常通常因 GDT 描述符特权级DPL与当前 CPL 不匹配。常见于kernel.asm中mov %ax, %ds指令——若ax加载的是0x10指向 GDT 中第 2 个描述符但该描述符 DPL0内核级而当前 CS 是实模式CPL0却试图用0x10加载 DS数据段而 DS 描述符 DPL3用户级则触发 GP。解决检查gdt_ptr结构体中gdt[2]数据段描述符的 DPL 字段是否为0x0二进制00而非0x3。正确写法; gdt.asm 中数据段描述符第2项索引1 .word 0xFFFF ; limit low .word 0x0000 ; base low .byte 0x00 ; base middle .byte 0x92 ; access byte: P1, DPL0, S1, TYPE0010 (data) .byte 0xCF ; limit high flags: G1, D/B1, L0, AVL0 .byte 0x00 ; base high注意byte 0x92的二进制为10010010其中第 5-6 位从0开始为00即 DPL0。4.2 现象进入保护模式后mov %eax, %cr0执行完立即重启Bochs 日志无异常原因A20 地址线未开启。实模式下地址线 A20 被屏蔽导致0xFFFFF 1 0x00000回绕保护模式下必须开启 A20否则访问0x100000以上地址会错误映射到低地址引发不可预测崩溃。解决在setup.asm中cli后、lgdt前插入 A20 开启代码; 开启 A20 inb $0x64, %al # 等待 8042 输入缓冲区空 testb $0x2, %al jnz 1b movb $0xD1, %al # 发送命令写输出端口 outb %al, $0x64 inb $0x64, %al # 等待空 testb $0x2, %al jnz 1b movb $0xDF, %al # 写入值开启 A20bit11 outb %al, $0x604.3 现象memory.c中malloc返回地址0x100000但memset后读取为全 0原因页表未正确映射物理地址。memory.c初始化时调用init_memory()其中alloc_page()分配页目录/页表但若cr3寄存器未加载新页目录物理地址CPU 仍使用旧页表可能全为 0导致虚拟地址0x100000映射到物理地址0x0。解决确认kernel.asm中enable_paging:标签后mov %eax, %cr3的eax是否为页目录物理地址; kernel.asm 片段 enable_paging: mov $page_dir_table_phys, %eax # page_dir_table_phys 是页目录物理地址需在 linker script 中定义 mov %eax, %cr3 mov %cr0, %eax orl $0x80000000, %eax mov %eax, %cr0 jmp 1f 1: nop补充page_dir_table_phys需在链接脚本kernel.ld中定义为SECTIONS { . 0x100000; page_dir_table_phys .; ... }。4.4 现象键盘 IRQ1 中断触发后屏幕卡死Bochs 显示INT 0x21: not handled原因IDT中断描述符表中键盘中断门IRQ1 对应 IDT[0x21]的 DPL0但当前 CPL3用户态进程权限不足无法触发。而本项目中所有中断处理程序均在内核态CPL0运行故 IDT 门描述符 DPL 必须为0x0。解决检查interrupt.c中set_intr_gate(0x21, keyboard_handler)调用生成的门描述符void set_intr_gate(u8 n, u32 addr) { // 门描述符偏移量低16位、选择子、DPL0、P1、TYPE1110中断门 idt[n].offset_low addr 0xFFFF; idt[n].selector SELECTOR_KERNEL_CS; // 必须是内核代码段选择子DPL0 idt[n].dcount 0; // 不需要压栈 idt[n].attr 0x8E00; // 1000 1110 0000 0000 → DPL00, P1, TYPE1110 idt[n].offset_high (addr 16) 0xFFFF; }关键attr 0x8E00其中第 13-12 位DPL为00非11。4.5 现象process.c中schedule()切换任务后新进程eax寄存器值为随机数原因TSS任务状态段中esp0内核栈指针未初始化。当从用户态CPL3触发中断时CPU 自动切换到 TSS 中ss0:esp0指定的内核栈。若esp0为 0压栈操作将破坏内存导致后续iret时栈帧错乱。解决在protect.c的init_protect()中为每个task_struct的 TSS 显式设置esp0// tss[i].esp0 (u32)task_stack[i] STACK_SIZE; // task_stack[i] 是内核栈底地址 tss[i].esp0 (u32)task_stack[i][STACK_SIZE]; // 确保 esp0 指向栈顶 tss[i].ss0 SELECTOR_KERNEL_DS; // 内核数据段选择子注意STACK_SIZE通常为0x20008KBtask_stack[i][STACK_SIZE]计算出栈顶物理地址。5. 真机验证与调试技巧用 Bochs GDB 定位“看不见”的寄存器错误5.1 Bochs 配置文件bochsrc.bxrc关键参数不要用默认配置——它不输出足够底层信息。创建定制化配置megs: 32 cpu: count1, ips10000000, reset_on_triple_fault1 romimage: file/opt/cross/share/bochs/BIOS-bochs-latest vgaromimage: file/opt/cross/share/bochs/VGABIOS-lgpl-latest display_library: sdl2 mouse: enabled0 keyboard: keymap/opt/cross/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map floppy_bootsig_check: disabled0 boot: disk ata0: enabled1, ioaddr10x1f0, ioaddr20x3f0, irq14 ata0-master: typedisk, modeflat, pathImage, cylinders1440, heads2, spt80 log: bochsout.txt debug: actionreport参数说明floppy_bootsig_check: disabled0强制校验引导扇区0xAA55签名避免因mkimage错误导致静默失败。ata0-master: ... cylinders1440, heads2, spt80精确匹配 1.44MB 软盘几何参数1440×2×801440×160230400 扇区不对实际是 1440×2×80230400 字节错标准 1.44MB1440×10241474560 字节此处cylinders1440是 Bochs 伪参数真实容量由pathImage文件大小决定。log: bochsout.txt输出详细日志尤其关注 BX_DEBUGGER 后的寄存器快照。5.2 GDB 远程调试在kernel.asm中断点抓取 CR3 加载瞬间Bochs 支持 GDB stub可在任意指令处暂停并检查寄存器# 启动 Bochs 并监听 GDB bochs -f bochsrc.bxrc -q -r # 新终端连接 GDB需编译支持 Python 的 gdb gdb (gdb) target remote localhost:1234 (gdb) symbol-file kernel.bin # 加载符号表 (gdb) b *0x100000 # 在内核入口设断点 (gdb) c # 此时 Bochs 暂停可查看 CR3 (gdb) info registers cr3 (gdb) x/10xw $cr3 # 查看页目录内容实战技巧当怀疑页表映射错误时在enable_paging:后加断点enable_paging: mov $page_dir_table_phys, %eax mov %eax, %cr3 mov %cr0, %eax orl $0x80000000, %eax mov %eax, %cr0 # 在此插入 INT3 软中断触发 GDB 断点 .byte 0xccGDB 连接后执行x/4xw $cr3若输出全0x00000000说明page_dir_table_phys地址计算错误若输出0x00000003最低两位为11表示存在且用户可读则页目录项已设置需继续检查页表项。5.3 真机启动排错三板斧没有 Bochs用真实 PC建议使用 USB 软驱或 Legacy BIOS 模式 UEFI 主板第一斧检查引导签名# 提取 Image 前 512 字节查看末尾是否为 0x55 0xAA dd ifImage ofbootsect.bin bs512 count1 hexdump -C bootsect.bin | tail -n1 # 应输出 000001f0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 55 aa |............U.|第二斧验证 setup.asm 加载地址setup.asm中mov $0x100000, %eax后用int 0x10输出调试字符mov $0x0e, %ah mov $0x53, %al # S int $0x10若真机启动后屏幕显示S说明setup已成功加载并执行若无显示说明bootsect未正确跳转到setup检查bootsect.asm中jmp setup_start地址是否为0x90000。第三斧内存布局 dump在kernel.asm开头插入; dump first 64 bytes of memory at 0x100000 mov $0x100000, %esi mov $0x40, %ecx dump_loop: mov (%esi), %al call print_hex_byte # 自定义打印函数 inc %esi loop dump_loop若输出全0x00说明setup未将kernel.bin正确复制到0x100000若输出乱码说明复制成功但入口地址错误。6. 进阶验证用 QEMU 模拟多核启动与中断嵌套深度测试6.1 QEMU 启动命令与多核支持原项目为单核设计但可通过 QEMU 模拟 SMP 验证中断屏蔽行为# 启动双核启用 GDB stub qemu-system-i386 -s -S -m 32M -hda Image -smp 2,cores2,threads1 -no-reboot -d int,cpu_reset-s开启 GDB server端口 1234-S启动后暂停等待 GDB 连接-smp 2模拟双 CPU触发APIC初始化需求原项目未实现但可观察#UD无效指令异常-d int,cpu_reset输出中断与复位日志验证IRQ0时钟是否在双核间均衡触发现象分析若日志中INT 0x20时钟中断仅在 CPU 0 上出现说明process.c中timer_handler未做 CPU 绑定需在IDT设置时指定DPL0并确保iret后CS指向正确代码段。6.2 中断嵌套深度测试验证cli/sti临界区有效性在interrupt.c的timer_handler中插入嵌套计数器static int nest_depth 0; void timer_handler() { nest_depth; if (nest_depth 1) { // 连续两次时钟中断未完成说明 cli 失效 printl(NEST DEPTH ERROR: %d\n, nest_depth); while(1); // 死循环真机可见 } // ... 原有处理逻辑 ... nest_depth--; }关键修改在timer_handler开头cli结尾sti确保中断处理期间不被重入。若nest_depth达到 2说明cli未生效——常见原因是timer_handler被编译为call指令而非push %cs; push %ip; ...需在interrupt.c中用__attribute__((regparm(0)))强制使用栈传参避免寄存器优化干扰cli位置。6.3 内存泄漏压力测试连续 malloc/free 1000 次在kernel/main.c若存在或process.c的init_main_task中添加void mem_leak_test() { void* ptrs[1000]; int i; for (i 0; i 1000; i) { ptrs[i] malloc(1024); // 分配 1KB if (!ptrs[i]) { printl(MALLOC FAIL AT %d\n, i); break; } } for (i--; i 0; i--) { free(ptrs[i]); } // 检查空闲链表是否恢复初始状态 check_free_list(); }验证方法在memory.c的check_free_list()中遍历free_list统计总空闲页数是否等于total_mem_size / PAGE_SIZE。若数值减少说明free()未正确合并相邻空闲块需检查free()中merge_with_prev/next逻辑是否遗漏prev-size cur-size sizeof(struct mem_block)。从那以后我每次调试保护模式切换都强制在lgdt后插一条mov $0x12345678, %eax然后用 GDBinfo registers eax确认指令已执行——这比看 Bochs 日志快十倍。真机上没 GDB那就用int 0x10打印十六进制寄存器值一行汇编就是你的万用表。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取