# os

**Repository Path**: gsool/os

## Basic Information

- **Project Name**: os
- **Description**: 从零开始写一个操作系统
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 0
- **Created**: 2026-06-07
- **Last Updated**: 2026-06-29

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 从零开始写一个操作系统 — 俄罗斯方块引导游戏

> 一个运行在 x86 实模式下的俄罗斯方块游戏，从引导扇区开始，完全用 NASM 汇编编写。

---

## 1. 项目简介

本项目实现了一个可以在计算机启动时直接运行的俄罗斯方块游戏。按下电源键后，经过 BIOS 引导 → 二级加载 → 游戏启动，无需任何操作系统。

### 1.1 项目目标

- 理解计算机从按下电源键到执行自定义代码的完整流程
- 掌握 BIOS 中断调用（视频、磁盘、键盘、时钟）
- 理解 MBR 引导扇区结构和二级引导原理
- 学习 NASM 汇编语言和 16 位实模式编程
- 实践双缓冲渲染、碰撞检测、伪随机数生成等游戏编程技术

### 1.2 项目文件结构

```
os/
├── boot.asm          # 二级引导加载器（512 字节，MBR）
├── boot.bin          # 编译后的引导扇区
├── tetris.asm        # 俄罗斯方块游戏主程序（~860 行汇编）
├── tetris.bin        # 编译后的游戏二进制
├── tetris.img        # 最终可启动镜像（boot.bin + tetris.bin）
├── build.bat         # 编译脚本
├── run.bat           # 编译 + QEMU 运行
├── flash-boot.c      # 磁盘烧录工具（支持多扇区写入）
├── flash-boot.exe    # 编译后的烧录工具
└── nasm.exe          # NASM 汇编器
```

---

## 2. 预备知识

### 2.1 x86 实模式

- 计算机刚开机时处于 **16 位实模式**（Real Mode）
- 只能访问 1MB 内存（地址线 20 位）
- 使用 16 位寄存器：`AX`, `BX`, `CX`, `DX`, `SI`, `DI`, `BP`, `SP`

### 2.2 BIOS 中断

BIOS 提供了基本的硬件操作接口，通过 `int` 指令调用：

| 中断号 | 用途 | 本项目中的使用 |
|--------|------|---------------|
| `int 0x10` | 视频服务 | 设置文本模式、隐藏光标、输出字符 |
| `int 0x13` | 磁盘服务 | 加载游戏代码到内存 |
| `int 0x16` | 键盘服务 | 读取玩家输入 |

### 2.3 MBR 引导扇区

- **大小**：正好 512 字节
- **签名**：最后两个字节必须是 `0x55` `0xAA`
- **加载地址**：BIOS 会把它加载到内存地址 `0x7C00`

---

## 3. 启动流程

```
按下电源键
    ↓
BIOS 自检（POST），初始化硬件
    ↓
读取磁盘第一个扇区（boot.bin，512 字节）→ 内存 0x7C00
    ↓
boot.asm（二级加载器）用 int 0x13 加载扇区 2-4 → 内存 0x7E00
    ↓
跳转到 0x7E00，执行 tetris.asm（游戏主程序）
    ↓
游戏初始化：设置 80×25 文本模式、隐藏光标、初始化棋盘
    ↓
进入主循环：处理输入 → 重力下落 → 渲染画面
```

### 为什么需要二级引导？

引导扇区只有 512 字节，而俄罗斯方块游戏约 3.5KB。因此 `boot.asm` 的职责是**加载更大的代码**到内存，再跳转过去执行——这就是经典的二级引导模式。

---

## 4. boot.asm — 二级加载器

`boot.asm` 是 BIOS 加载的第一个程序，运行在 `0x7C00`，职责很简单：

```asm
[org 0x7C00]
[bits 16]

    xor  ax, ax          ; 设置段寄存器
    mov  ds, ax
    mov  es, ax
    mov  ss, ax
    mov  sp, 0x7C00      ; 栈向下生长
    mov  [drive], dl      ; 保存 BIOS 传入的驱动器号

    ; 用 int 0x13 从磁盘读取扇区 2-4 到内存 0x7E00
    mov  ah, 0x02         ; AH=0x02: 磁盘读取
    mov  al, 3            ; 读 3 个扇区
    mov  ch, 0            ; 柱面 0
    mov  cl, 2            ; 从扇区 2 开始（扇区 1 是自身）
    mov  dh, 0            ; 磁头 0
    mov  dl, [drive]      ; 驱动器号
    mov  bx, 0x7E00       ; 目标地址
    int  0x13

    jnc  .ok              ; 读取成功则跳转
    ; 读取失败：在屏幕上显示 "EO" 提示错误
    ...
.ok:
    jmp  0x0000:0x7E00    ; 跳转到游戏代码
```

关键点：
- `int 0x13, AH=0x02`：磁盘读取功能，通过寄存器指定读取位置和目标地址
- 加载地址 `0x7E00` 紧接在引导扇区之后（`0x7C00 + 512 = 0x7E00`）
- 最后两字节填充 `dw 0xAA55` 形成 512 字节的引导签名

---

## 5. tetris.asm — 俄罗斯方块游戏

游戏主程序运行在 `0x7E00`，是一个完整的 16 位汇编俄罗斯方块。

### 5.1 核心特性

| 特性 | 说明 |
|------|------|
| 棋盘 | 10×20 格，每格占 2 个字符宽 |
| 方块 | 7 种标准方块（I/O/T/S/Z/J/L），每种 4 个旋转状态 |
| 渲染 | 双缓冲技术，无闪烁 |
| 计分 | 1行=100, 2行=300, 3行=500, 4行=800 |
| 定时 | 基于 BIOS tick 计数器（~18.2Hz）的自动下落 |

### 5.2 操作方式

| 按键 | 功能 |
|------|------|
| `← →` | 左右移动 |
| `↑` | 旋转（含墙踢：尝试左移/右移后旋转） |
| `↓` | 软降（加速下落） |
| `空格` | 硬降（直接落底） |
| `Q` | 重新开始 |

### 5.3 程序架构

```
start（初始化）
    ↓
loop（主循环）──→ input（键盘输入）──→ gravity（重力下落）──→ render（渲染）──→ loop
                     │                        │
                     │                        ├── 检测碰撞 → place（固定方块）→ clear_lines（消行）→ new_piece
                     │                        │
                     │                        └── 非碰撞 → 方块下移一格
                     │
                     ├── ← → 移动
                     ├── ↑ 旋转（4 种方案尝试）
                     ├── ↓ 软降
                     ├── 空格 硬降（循环下落直到碰撞）
                     └── Q 重开
```

### 5.4 关键技术模块

**方块表示**：每种方块用 16 位掩码表示 4×4 矩阵，从高位到低位，1=有块，0=空。存储在 `pieces` 表中，共 7 种 × 4 旋转 × 2 字节 = 56 字节。

**碰撞检测**（`check_col`）：将掩码的每一位映射到棋盘坐标，检查是否越界或与已有方块重叠。

**双缓冲渲染**（`render`）：先将显存 `0xB800` 复制到缓冲区 `0x0600`，在缓冲区中绘制全部内容后，一次性写回显存，避免画面闪烁。

**消行处理**（`clear_lines`）：两遍扫描——第一遍从底向上标记满行为 `0xFF`，第二遍压缩非满行下移并清零顶部空行。

**随机数生成**：线性同余法 `rng = rng × 25173 + 13849`，种子取自 BIOS tick 计数器。

### 5.5 内存布局

```
0x00000 - 0x003FF   中断向量表 + BIOS 数据区
0x06000 - 0x06FFF   双缓冲区（BUFFER，4KB）
0x7C000 - 0x7C1FF   引导扇区（boot.asm）
0x7E000 - 0x7Exxx   游戏代码（tetris.asm）
0x8C000 - 0x8CD00   棋盘数据（BOARD，400 字节）
0xB8000 - 0xB8F9F   显存（VIDEO，80×25 文本模式）
```

---

## 6. 编译与运行

### 6.1 快速开始（推荐）

双击 `run.bat` 或在命令行执行：

```cmd
run.bat
```

它会自动编译并启动 QEMU 虚拟机运行游戏。

### 6.2 手动编译

```cmd
build.bat
```

执行以下步骤：
```bash
nasm boot.asm -f bin -o boot.bin       # 编译引导加载器
nasm tetris.asm -f bin -o tetris.bin   # 编译游戏程序
```

### 6.3 生成可启动镜像

```cmd
copy /b boot.bin + tetris.bin tetris.img
```

`/b` 表示二进制拼接，将 boot.bin（512 字节）和 tetris.bin 拼接成 tetris.img。

### 6.4 QEMU 运行

```bash
qemu-system-i386 -drive file=tetris.img,format=raw,if=floppy
```

`if=floppy` 模拟软盘，BIOS 会从软盘的第一个扇区引导。

### 6.5 写入真实磁盘

> ⚠️ **警告：此操作会覆盖目标磁盘的前 N 个扇区，可能导致数据丢失！**

```cmd
:: 以管理员身份运行
flash-boot.exe tetris.img 1    # 写入磁盘 1
```

工具会列出所有磁盘供选择，自动备份原有扇区，确认后写入。

---

## 7. flash-boot.c — 磁盘烧录工具

将镜像文件（如 `tetris.img`）写入物理磁盘起始位置，支持多扇区写入。

### 7.1 功能

- 列出系统所有物理磁盘（型号、大小）
- 自动验证镜像的引导签名（`0x55AA`）
- 写入前自动备份原扇区到文件
- 支持命令行参数和交互式两种模式

### 7.2 写入流程

```
读取镜像文件 → 扇区对齐 → 验证签名 → 用户确认 → 备份原扇区 → 写入磁盘
```

### 7.3 编译

```bash
gcc flash-boot.c -o flash-boot.exe
```

需要 Windows API（`CreateFileA`、`DeviceIoControl` 等），仅支持 Windows 平台。

---

## 8. 常见问题

**Q: 为什么要用 NASM 而不是 GCC？**

引导扇区和游戏都必须是**纯二进制**格式，没有 ELF/PE 等格式头。C 编译器产出的目标文件无法直接作为引导代码。

**Q: 为什么用软盘格式而不是硬盘？**

`if=floppy` 让 QEMU 将镜像视为软盘，BIOS 会从软盘引导。使用 `if=ide` 也可以模拟硬盘，但需要确保镜像的第一个扇区是有效的 MBR。

**Q: 512 字节的引导扇区能做什么？**

引导扇区本身只做一件事——**加载后续代码**。真正的游戏逻辑在 tetris.bin 中，通过二级引导加载到内存后执行。这是所有现代操作系统引导的基础模式。

**Q: 为什么需要双缓冲？**

直接写显存会导致画面撕裂和闪烁。先在内存中绘制完整的一帧，再一次性复制到显存，画面过渡更平滑。

**Q: 游戏卡顿怎么办？**

调整 `DROP_INIT` 值可以改变初始下落速度。值越大，下落间隔越长（速度越慢）。

---

## 9. 学习路线

本项目涵盖的知识点可以延伸到操作系统开发的多个方向：

1. **已完成** — 引导扇区、二级加载、BIOS 中断、文本模式显示、键盘输入、定时器
2. **下一步** — 进入 32 位保护模式（设置 GDT、打开 A20 地址线）
3. **内核开发** — 用 C 语言编写内核主体，汇编作为入口
4. **内存管理** — 实现分页和内存分配器
5. **文件系统** — 实现 FAT12/ext2 等简单文件系统
6. **图形模式** — 从文本模式切换到 VGA 图形模式

---

> 从一个 512 字节的引导扇区到一个可玩的俄罗斯方块——这就是底层编程的魅力。