操作系统是计算机的软件基础。在进行一些系统编程实验的时候，我们需要对一些系统程序进行试验，并对这些程序进行量化评测。现有的大型操作系统，如Windows和Linux过于复杂，不适合进行试验。并且由于系统本身的开销比较大，对程序的量化评测要扣除系统（如进程调度）的开销，不易把握。因此我们自行设计开发了一个基于X86的小型中文操作系统。本文介绍了在开发中采用的一些方法和技巧，探讨小型操作系统的实作过程。

二　设计

1.       微内核

微内核是内核的一种形式。在微内核中，各个独立的模块被分离出来，作为独立的实体存在（进程）。在系统运行过程中，各个模块的进程独立运行，各进程通过消息通讯机制进行通讯。由于微内核系统具有良好的结构和可移植性，且易于调试，所以在设计中我们采用了微内核作为我们的内核结构。

2.       内存布局/管理

在X86提供的保护模式（Protected Mode）中，可以采用分段和分页两种方法来对内存进行管理[1]。我们可以通过对GDT或是LDT的相应的描述符表项来对内存的相应段进行设置，如段边界、段大小、特权级等属性[2]。在一个小型的系统中，可以通过将系统的整个内存空间全部设为一个段，即一个平的内存段，来达到简化系统的目的。这样做的缺点是不能有效利用到保护模式的一些优点，如段数据的保护。在NASM中，我们通过以下的代码对GDT进行段的设置：

_gdt:

     dw 0, 0, 0, 0          ; (0)

     ; kernel cs 0x08 (1)

     dw 0x3FFF    ; base: 0, limit: 64M

     dw 0x0000

     dw 0x9A00

     dw 0x00C0

     ; kernel ds 0x10 (2)

     dw 0x3FFF    ; base: 0, limit: 64M

     dw 0x0000

     dw 0x9200

     dw 0x00C0

     ; user cs 0x1b (3)

     dw 0x3FFF    ; base: 0, limit: 64M

     dw 0x0000

     dw 0xFA00    

     dw 0x00C0

     ; user ds 0x23 (4)

     dw 0x3FFF    ; base: 0, limit: 64M

     dw 0x0000

     dw 0xF200

     dw 0x00C0

3.       进程结构

多任务是一个现代操作系统所必须的一部分。在一个任务切换到另一个任务的过程中，我们必须保存现在正在运行的这个进程的上下文，以便在下次调入运行时能够在现在断下的地方继续运行，然后再调入下一个应该运行的进程的上下文，开始下一个进程的运行。在我们的系统中，简单地保存了下面的这些信息：

struct proc_struct

{

     int           pid; // 进程id

     int           parent;

     struct proc_struct* next_proc; // 下一个进程

     struct proc_struct* prev_proc; // 上一个进程

     // 进程状态

     long eip;

     long eax;

     long ebx;

     long ecx;

     long edx;

     long esp;

     long ebp;

     long edi;

     long esi;

     long eflags;

     // 段寄存器

     short       cs;

     short       ds;

     short       es;

     short       ss;

     short       fs;

     short       gs;

     // 进程已经运行时间

     int           total_tick;

     unsigned char stack[STACK_NUM]; // 堆栈段

};

其中pid字段记录了这个进程的ID，parent记录了父进程的ID，next_proc是指向下一个要运行的进程的上下文的结构指针，以便系统调入下一个进程运行时进行快速定位，prev_proc记录了在这个进程之前运行的进程结构地址。由此可见，在我们的实现在，我们采用了双向链表对进程进行管理，既简单，又对进程的增加、删除、调序带来了方便。对于当前正在运行的进程，系统用struct proc_struct* p_proc这个指针来指向其进程结构。

在进行了以上的设置以后，我们就可以实现简单的进程管理系统了。process_schedule函数在进程双向链表中循环切换，在一个进程运行完一定的时间后，直接载入下一个进程的上下文，然后跳到下一个进程的执行点，进行执行。

int process_schedule(void)

{

     // 进行一些进进程管理

     if(p_proc->next_proc == NULL)

     {

            // 只有这一个进程运行，跳回去继续运行

            jump_to_proc(p_proc);

     }

     p_proc = p_proc->next_proc; // 转到下一个进程

     jump_to_proc(p_proc); // 切换过去   

     return 1;

}

其中，jump_to_proc这个函数在取得下一个进程的上下文后，将上下文装入CPU各寄存器中，然后运行jmp指令跳到进程的执行点中进行执行。

void jump_to_proc(struct proc_struct* p)

{

     // 跳到指定的进程中去运行

     temp_ebp = p->ebp;

     temp_eip = p->eip;

     temp_eax = p->eax;

     temp_ebx = p->ebx;

     temp_ecx = p->ecx;

     temp_edx = p->edx;

     temp_esp = p->esp;

     temp_edi = p->edi;

     temp_esi = p->esi;

     temp_eflags = p->eflags;

     __asm__("movl %0,%%ebp\n\t"                

                   "movl %2,%%ebx\n\t"

                   "movl %3,%%ecx\n\t"

                   "movl %4,%%edx\n\t"

                   "movl %5,%%esp\n\t"

                   "movl %6,%%edi\n\t"

                   "movl %7,%%esi\n\t"

                   "pushl %8\n\t"

                   "popfl\n\t"                    

                   "movl %1,%%eax\n\t"

                   "sti\n\t" 

                   ::"m"(temp_ebp),                 

                   "m"(temp_eax),

                   "m"(temp_ebx),

                   "m"(temp_ecx),

                   "m"(temp_edx),

                   "m"(temp_esp),

                   "m"(temp_edi),

                   "m"(temp_esi),

                   "m"(temp_eflags));              

                   switching = 0;              

     __asm__("jmp *%0\n\t"

                   ::"m"(temp_eip));

     // 此函数不应被返回

}

4.       文件系统

在FAT16，FAT32，EXT2等文件系统中，FAT32由于其实用性和简单性，我们选用它作为实现在文件系统。在硬盘驱动的基础上，我们简单地实现了FAT32文件系统的读功能，这样在后续的开发中，我们可以将各个功能模块作成单独的文件调入执行，增大系统的灵活性。

5.       启动设计

X86系统加电后BIOS执行完自检，将启动设备的第一个扇区读入到物理地址为0x7C00的内存单元中，然后跳到0x7C00去运行。由此可见，操作系统与BIOS的接口就在于启动设备（软驱，硬盘驱动器或是光盘驱动器）的第一个扇区。一般在这第一个扇区完成操作系统的初步载入。但我们在实践中发现，在一个扇区这么小的空间内（512个字节），将整个系统载入比较困难，且如果安装在PC上会与已经存在的操作系统发生冲突。

在这种情况下，我们想到GNU的GRUB启动装载器。GRUB能够支持多个操作系统的共存，通常我们将系统内核编译成GRUB启动装载器能够识别的文件格式，GRUB便能将系统加载到指定的内存地址中去，然后跳到我们的系统中去运行。