用 Fable 5.2 从零造最小操作系统：四段实战

这篇能做出什么

做完这篇教程，你会得到一个能启动的最小操作系统镜像：它在 QEMU 里开机后先显示一句引导信息，接着进入 32 位内核，把文字写到屏幕上，同时通过串口往外打日志，能用键盘输入命令，最后出现一个能响应 help、echo、clear 的 Shell。

代码量不大，四个文件加一份构建脚本，但它是一条完整的链路：从 BIOS 交出控制权，到自己接管屏幕和键盘。中途每一次“改完就能看到变化”，都是可验证的，不需要一口气写几千行再祈祷它能跑。

整篇的组织方式是：把“造 OS”拆成引导、内核、驱动、Shell 四段，每段给出一个可以直接粘给 AI 编程助手（本文以 Fable 5.2 为例，具体能力与用法以官方文档当前版本为准）的提示词、一段可照抄的代码、以及明确的验收标准。四段全部通过，再合起来跑。

为什么强调“分阶段提示”？因为一次性让助手生成一个完整 OS，几乎必然得到一堆看似合理、实际跑不起来的代码。分段之后，每一段的产出小到你能自己读一遍，出错也容易定位。

前置条件清单

在动手前，把下面几样装上并确认可用：

• Linux 或 macOS 终端（Windows 建议用 WSL2，路径处理会顺一些）
• NASM：汇编器，负责把 .asm 变成二进制
• GCC（能产出 32 位目标）：gcc -m32 可用即可；如果报缺少 32 位库，装 gcc-multilib。更稳妥的做法是按 OSDev Wiki 的 “GCC Cross-Compiler” 条目自建一个 i686-elf-gcc 交叉编译器，版本以你所用发行版与官方文档为准
• GNU ld：链接器，随 binutils 一起
• GRUB 工具：grub-mkrescue、grub-file，以及它依赖的 xorriso（部分发行版还需 mtools）
• QEMU：qemu-system-i386
• GDB：调试用

一条命令检查大部分工具是否就位：

```bash

for t in nasm gcc ld grub-mkrescue grub-file qemu-system-i386 gdb objdump; do

printf '%-20s' "$t"; command -v $t >/dev/null && echo OK || echo MISSING

done

```

准备工作是第一步：能稳定复现，比能写出来更重要。 后面所有排错都依赖“我知道上一次能跑”。

阶段一：引导（Boot）

这段要做什么

先不碰 C，也不碰保护模式。只写一个 512 字节的引导扇区，让 BIOS 把它加载到内存 0x7C00 并执行，它用 BIOS 中断在屏幕上打一行字，然后死循环。

提示词

```text

你是操作系统教学助手。请写一个 512 字节的 x86 引导扇区，要求：

1. NASM 语法，16 位实模式，org 0x7C00；

2. 用 BIOS 中断 int 0x10、ah=0x0E 逐字符输出字符串 "Boot OK"；

3. 输出后 cli + hlt 死循环；

4. 结尾用 times 补齐到 510 字节，再写 0xAA55；

5. 每一行加中文注释，特别是 org 的作用；

6. 只输出一个 boot.asm 文件，不要引入任何外部依赖。

```

代码

```asm

[bits 16]

[org 0x7c00] ; BIOS 把引导扇区加载到 0x7C00，所有标号按这个基址计算

start:

mov si, msg ; si 指向字符串首地址

.print:

lodsb ; al = [si], si++

or al, al ; 遇到 0 结束

jz .hang

mov ah, 0x0e ; BIOS 电传打字输出

mov bh, 0x00 ; 页号

int 0x10

jmp .print

.hang:

cli

hlt ; 停机，等中断（这里不会再醒）

jmp .hang

msg: db "Boot OK", 13, 10, 0

times 510 - ($ - $$) db 0

dw 0xAA55 ; 引导扇区签名，缺了 BIOS 不认

```

编译与运行

```bash

nasm -f bin boot.asm -o boot.bin

ls -l boot.bin # 必须正好 512 字节

qemu-system-i386 -drive format=raw,file=boot.bin

```

验收标准

• boot.bin 大小恰好 512 字节
• QEMU 窗口里出现 Boot OK，然后光标停住不再滚动
• 反复运行结果一致

常见问题

• 屏幕上什么都不显示：多半是忘了 org 0x7c00。没有它，mov si, msg 拿到的是按 0 基址算的地址，读到的就是垃圾。
• QEMU 报 no bootable device：签名没写对，或者文件不是 512 字节。用 xxd boot.bin | tail -2 看最后两字节是不是 aa55。
• 输出了乱码或不停刷屏：字符串少了结尾的 0，lodsb 会一直往后读。

一个必须做的决定

引导扇区只有 512 字节，放不下内核。下一步有两条路：自己写二级加载器（读磁盘、开 A20、建 GDT、进保护模式），或者把这件事交给 GRUB，用 Multiboot 规范让 GRUB 直接把内核加载进 32 位环境。

教学项目建议走第二条。自写加载器很有教育意义，但会把教程的一半篇幅耗在调试 A20 和磁盘读取上，而这两件事跟“理解操作系统”关系不大。前面那个引导扇区已经让你看清了 BIOS 交权的那一刻，够了。

从这一阶段起，向助手提出新提示词：

```text

把引导方式改为 Multiboot 1 + GRUB。请生成：

1. boot.asm：.multiboot 段放 magic 0x1BADB002、flags 0x00000003、两者之和的负值校验；

2. 定义一个 16KB 的内核栈（.bss 段），_start 里设置 esp 后 call kmain，返回后 cli/hlt 死循环；

3. 说明为什么 multiboot 头必须落在文件前 8192 字节内。

```

阶段二：内核（Kernel）

这段要做什么

让内核拿到 CPU 控制权，用一个不依赖任何库的方式往屏幕写字符。VGA 文本模式显存在 0xB8000，每个字符占两字节：低字节是 ASCII，高字节是属性（前景色、背景色）。

代码

kernel.c：

```c

/* 没有 libc，全部自己来 */

static volatile unsigned short *const VGA = (unsigned short *)0xB8000;

static int cursor = 0;

static void putc_vga(char c) {

if (c == '\n') {

cursor += 80 - (cursor % 80);

return;

}

VGA[cursor++] = (unsigned short)(unsigned char)c | (0x0F << 8); /* 白字黑底 */

if (cursor >= 80 * 25) cursor = 0;

}

void kprint(const char *s) {

while (*s) putc_vga(*s++);

}

void kmain(void) {

kprint("Kernel entered\n");

kprint("Stage 2 OK\n");

for (;;) __asm__ volatile("hlt");

}

```

linker.ld：

```ld

ENTRY(_start)

SECTIONS

{

. = 1M; /* 内核加载到 1MB，避开低端内存 */

.text : { *(.multiboot) *(.text) }

.rodata : { *(.rodata*) }

.data : { *(.data) }

.bss : { *(COMMON) *(.bss) }

}

```

boot.asm 的 32 位部分（片段）：

```asm

[bits 32]

section .multiboot

align 4

dd 0x1BADB002

dd 0x00000003

dd -(0x1BADB002 + 0x00000003)

section .bss

align 16

stack_bottom:

resb 16384

stack_top:

section .text

global _start

extern kmain

_start:

mov esp, stack_top

call kmain

.hang:

cli

hlt

jmp .hang

```

编译与打包成 ISO

```bash

nasm -f elf32 boot.asm -o boot.o

gcc -m32 -c -ffreestanding -fno-pie -fno-stack-protector \

-fno-asynchronous-unwind-tables -O0 -Wall kernel.c -o kernel.o

ld -m elf_i386 -T linker.ld -o kernel.elf boot.o kernel.o

grub-file --is-x86-multiboot kernel.elf && echo "multiboot OK"

mkdir -p iso/boot/grub

cp kernel.elf iso/boot/

cat > iso/boot/grub/grub.cfg <<'EOF'

set timeout=0

set default=0

menuentry "mini-os" {

multiboot /boot/kernel.elf

boot

}

EOF

grub-mkrescue -o mini.iso iso

qemu-system-i386 -cdrom mini.iso

```

验收标准

• grub-file --is-x86-multiboot kernel.elf 返回成功
• QEMU 里跳过 GRUB 菜单，屏幕左上角出现两行字
• objdump -h kernel.elf 能看到 .multiboot 在靠前的段里

常见问题

• GRUB 报 “no multiboot header found”：multiboot 头被链接到了文件很靠后的位置，超过了前 8192 字节。把 .multiboot 放进 .text 的第一段，或者单独放最前面。
• 链接报 relocation / PIE 相关错误：编译时补 -fno-pie，链接用 ld 而不是 gcc。用 gcc 直链会带上启动文件，跟自定义 _start 冲突。
• 进去了但立刻重启：栈没设。call kmain 之前 esp 指向未知区域，第一次压栈就可能踩坏东西。
• grub-mkrescue 失败：缺 xorriso 或 grub-pc-bin，按发行版官方文档装齐。

阶段三：驱动（Driver）

这段要做什么

两个最小外设：串口（COM1）和键盘（PS/2）。串口的意义不只是输出，它让你能在纯文本终端里看日志，也让后面接 GDB 调试更顺。

提示词

```text

在已有 32 位 freestanding 内核上增加两个驱动，不要引入 libc：

1. io.h：内联汇编实现 inb/outb；

2. serial.c：初始化 COM1(0x3F8) 为 8N1、关闭中断、轮询发送，提供 serial_init 和 serial_write；

3. keyboard.c：轮询 0x64 状态端口，确认输出缓冲区满且不是鼠标数据后读 0x60，返回扫描码；

4. 给出扫描码集 1 到 ASCII 的映射表（至少字母、数字、回车、退格）；

5. 说明 0x64 状态寄存器各标志位的含义。

```

关键代码：

```c

/* io.h */

static inline void outb(unsigned short port, unsigned char v) {

__asm__ volatile("outb %0, %1" :: "a"(v), "Nd"(port));

}

static inline unsigned char inb(unsigned short port) {

unsigned char r;

__asm__ volatile("inb %1, %0" : "=a"(r) : "Nd"(port));

return r;

}

```

```c

/* serial.c */

#define COM1 0x3F8

void serial_init(void) {

outb(COM1 + 1, 0x00); /* 关中断 */

outb(COM1 + 3, 0x80); /* 打开 DLAB */

outb(COM1 + 0, 0x03); /* 分频低字节 */

outb(COM1 + 1, 0x00); /* 分频高字节 */

outb(COM1 + 3, 0x03); /* 8 位、无校验、1 停止位 */

outb(COM1 + 2, 0xC7); /* 使能 FIFO */

outb(COM1 + 4, 0x0B); /* 置 DTR/RTS，允许发送 */

}

void serial_write(char c) {

while (!(inb(COM1 + 5) & 0x20)) { } /* 等发送保持寄存器空 */

outb(COM1, (unsigned char)c);

}

void serial_print(const char *s) { while (*s) serial_write(*s++); }

```

```c

/* keyboard.c */

static unsigned char keyboard_poll(void) {

unsigned char status = inb(0x64);

if (!(status & 0x01)) return 0; /* 输出缓冲区空 */

if (status & 0x20) return 0; /* 这是鼠标数据，丢掉 */

return inb(0x60);

}

```

验收标准

• QEMU 加 -serial stdio 启动后，终端里能看到内核打的串口日志
• 按键后能在屏幕上看到对应字符（把 keyboard_poll 接到 putc_vga 上做临时验证）
• 按下的键不会“吞掉”或重复两次

常见问题

• 串口终端一片空白：-serial stdio 与 -nographic 同时用会打架，二选一；另外检查 serial_init 里 DLAB 的开关顺序，顺序错了分频值会写进错误寄存器。
• 键盘读到的全是 0 或乱码：只判断了 0x01 没判断 0x20，把鼠标字节当键盘吃了。
• 按键出现两个字符：松键时还会发一个“断开码”（扫描码 + 0x80），要么过滤最高位为 1 的字节，要么单独处理。

阶段四：Shell

这段要做什么

一个行编辑器加几个内置命令。功能很小，但它是第一个“你的 OS 在跟你对话”的时刻。

提示词

```text

在已有内核上实现一个最小 Shell：

1. 维护 128 字节行缓冲和长度，支持可打印字符、退格删除、回车提交；

2. 提示符 "> "，提交后按空格切分第一个词作为命令名；

3. 内置命令：help 列出命令，echo 原样回显参数，clear 清屏（直接写 0xB8000 填满空格），halt 停机；

4. 未知命令输出 "unknown: <cmd>"；

5. 不要用任何 libc 函数，字符串比较自己写。

```

命令分发核心：

```c

static int streq(const char *a, const char *b) {

while (*a && *a == *b) { a++; b++; }

return *a == *b;

}

static void run(char *line) {

char *cmd = line;

while (*cmd == ' ') cmd++;

char *arg = cmd;

while (*arg && *arg != ' ') arg++;

if (*arg) { *arg++ = 0; while (*arg == ' ') arg++; }

if (streq(cmd, "help")) kprint("help echo clear halt\n");

else if (streq(cmd, "echo")) { kprint(arg); kprint("\n"); }

else if (streq(cmd, "clear")) clear_screen();

else if (streq(cmd, "halt")) { kprint("halted\n"); for (;;) __asm__ volatile("hlt"); }

else if (*cmd) { kprint("unknown: "); kprint(cmd); kprint("\n"); }

}

```

验收标准

• 输入 help 回车，列出四条命令
• 输入 echo hello world，回显 hello world
• 退格能删掉刚打的字，且屏幕上同步擦除
• 输入 clear 后屏幕干净、提示符回到左上角
• 空行回车不报错

常见问题

• 退格只删数据不删屏幕：光标位置得自己维护，退格时既要 len--，也要把显存对应位置写成空格并把光标移回来。
• 输入一串字符后突然不响应：行缓冲越界写坏了相邻变量。加长度上限判断，这是最容易忽略的一行。
• echo 把命令名也回显了：切分时忘了在命令名后写 0 终止符。

合起来在 QEMU 里跑

四段都过了验收，用一份 Makefile 串起来：

```makefile

CFLAGS = -m32 -ffreestanding -fno-pie -fno-stack-protector \

-fno-asynchronous-unwind-tables -O0 -Wall

OBJS = boot.o kernel.o serial.o keyboard.o shell.o

kernel.elf: $(OBJS) linker.ld

ld -m elf_i386 -T linker.ld -o $@ $(OBJS)

%.o: %.c

gcc $(CFLAGS) -c $< -o $@

%.o: %.asm

nasm -f elf32 $< -o $@

mini.iso: kernel.elf

mkdir -p iso/boot/grub

cp kernel.elf iso/boot/

grub-mkrescue -o $@ iso

run: mini.iso

qemu-system-i386 -cdrom mini.iso -serial stdio

clean:

rm -f *.o kernel.elf mini.iso

```

```bash

make clean && make run

```

调试三件套

1. 看 CPU 异常。 内核一启动就重启，通常是三重故障。用这行抓现场：

```bash

qemu-system-i386 -cdrom mini.iso -no-reboot -no-shutdown \

-d int,cpu_reset -D qemu.log

```

打开 qemu.log，找最后一次异常向量号和当时的 EIP，再 objdump -d kernel.elf 对照地址，基本能定位到函数。

2. 用 GDB 单步。 加 -s -S 让 QEMU 停在起点等调试器：

```bash

qemu-system-i386 -cdrom mini.iso -s -S

```

另开一个终端：

```bash

gdb

(gdb) set architecture i386

(gdb) file kernel.elf

(gdb) target remote localhost:1234

(gdb) break kmain

(gdb) continue

```

命中断点后 layout src 或 layout asm，单步看寄存器。注意在 GRUB 阶段是没有内核符号的，断点要设在 kmain 这类内核符号上，等 GRUB 跳转过去才会命中。

3. 用串口当日志。 在没有成熟调试器的环境里，serial_print 往往比 GDB 更快定位问题。养成在关键分支前后各打一行的习惯。

常见坑与排错速查

一条经验：每次只改一个阶段，改完立刻跑那一段的验收。 造 OS 的痛苦几乎全部来自“同时改了三处，不知道是哪一处坏的”。

下一步建议

四段跑通之后，可以按兴趣挑一个方向往下走，每个方向都仍然适合用分阶段提示推进：

• 内存管理：先做物理页帧分配器（用 GRUB 给的 memory map），再做分页。验收标准是“能分配、能释放、重复分配不泄漏”。
• 中断：搭 IDT，接 PIC，把键盘从轮询改成中断驱动。验收标准是“按键时中断计数递增，且系统不崩”。
• 定时器：用 PIT 产生周期性中断，做一个 sleep。这是第一个“和时间有关”的内核功能。
• 文件系统：先做一个只读的、内存里的简单结构，再考虑落到磁盘上。

给 AI 助手的提示词模板可以固定成四段式，长期有效：

```text

背景：一个 32 位 freestanding 内核，已有 <列出当前能力>。

任务：<一句话说清要加什么>。

约束：不用 libc；不引入外部库；给出完整可编译文件；关键处加中文注释。

验收：<写出你能亲手验证的现象，例如“执行 X 后屏幕上出现 Y”>。

排错：列出这一步最可能出的三个问题和判断方法。

```

最后提醒一句：这个项目的价值不在于最终那个 Shell 有多强，而在于你亲手把“机器启动”这件事拆开看过一遍。以后遇到任何“系统起不来”的问题，你的排查顺序会比别人清楚得多。