基于 Free Pascal 从零编写裸机操作系统(一)
·
前言
绝大多数入门操作系统教程都会选用 C 语言，很少有人尝试用 Pascal 开发裸内核。OSDev 官网提供了一套完整的 Free Pascal Bare Bones 最小操作系统示例，无需依赖 DOS、Linux、Windows 标准库，完全运行在 32 位保护模式下，兼容 Multiboot 引导规范，能直接被 GRUB、QEMU 加载。
本文仅拆解全部源码（汇编入口、控制台驱动、内核主程序、Multiboot 规范定义），编译、链接、镜像制作、QEMU 运行脚本不在本文介绍范围。 参考原文：https://wiki.osdev.org/Pascal_Bare_Bones
前置说明
- 编译器：Free Pascal（FPC），嵌入式裸机编译目标
- 架构：x86 32 位保护模式
- 显示：VGA 文本缓冲区
0xB8000 - 引导：Multiboot v1 标准，兼容 GRUB
- 无标准库：不能使用
WriteLn、MemAlloc等系统相关函数，所有 IO、内存读写手动实现
一、汇编入口文件：stub.asm
作用
- 声明 Multiboot 头部，让 GRUB 识别这是合法内核镜像
- 切换 32 位保护模式环境，设置栈
- 导出符号供 Pascal 调用，跳转至 Pascal 内核主函数
MainKernel
nasm
;/////////////////////////////////////////////////////////
;// //
;// Freepascal barebone OS //
;// stub.asm //
;// //
;/////////////////////////////////////////////////////////
;//
;// By: De Deyn Kim <kimdedeyn@skynet.be>
;// License: Public domain
;//
;
; Kernel stub
;
;
; We are in 32bits protected mode
;
[bits 32]
;
; Export entrypoint
;
[global kstart]
;
; Import kernel entrypoint
;
[extern kmain]
;
; Posible multiboot header flags
;
MULTIBOOT_MODULE_ALIGN equ 1<<0
MULTIBOOT_MEMORY_MAP equ 1<<1
MULTIBOOT_GRAPHICS_FIELDS equ 1<<2
MULTIBOOT_ADDRESS_FIELDS equ 1<<16
;
; Multiboot header defines
;
MULTIBOOT_HEADER_MAGIC equ 0x1BADB002
MULTIBOOT_HEADER_FLAGS equ MULTIBOOT_MODULE_ALIGN | MULTIBOOT_MEMORY_MAP
MULTIBOOT_HEADER_CHECKSUM equ -(MULTIBOOT_HEADER_MAGIC + MULTIBOOT_HEADER_FLAGS)
;
; Kernel stack size
;
KERNEL_STACKSIZE equ 0x4000
section .text
;
; Multiboot header
;
align 4
dd MULTIBOOT_HEADER_MAGIC
dd MULTIBOOT_HEADER_FLAGS
dd MULTIBOOT_HEADER_CHECKSUM
;
; Entrypoint
;
kstart:
mov esp, KERNEL_STACK+KERNEL_STACKSIZE ;Create kernel stack
push eax ;Multiboot magic number
push ebx ;Multiboot info
call kmain ;Call kernel entrypoint
cli ;Clear interrupts
hlt ;Halt machine
section .bss
;
; Kernel stack location
;
align 32
KERNEL_STACK:
resb KERNEL_STACKSIZE源码关键点解读
- Multiboot 头三行 magic/flags/checksum 是 GRUB 识别内核的核心，位置不能偏移；
.bss段预留 16KB 静态栈，裸机无动态内存分配，栈必须静态声明；- GRUB 会把内存、磁盘等硬件信息结构体地址存入
ebx，入栈传递给 Pascal 内核； - 内核执行完毕后死循环停机，防止指令越界。
二、VGA 控制台驱动单元：console.pas
作用
封装底层 VGA 文本缓冲区操作，实现清屏、打印字符、字符串、数字、十六进制，是内核唯一输出接口，对外导出可被汇编 / 内核主程序调用的过程。
pascal
{
/////////////////////////////////////////////////////////
// //
// Freepascal barebone OS //
// console.pas //
// //
/////////////////////////////////////////////////////////
//
// By: De Deyn Kim <kimdedeyn@skynet.be>
// License: Public domain
//
}
unit console;
interface
var
xpos: Integer = 0;
ypos: Integer = 0;
procedure kclearscreen();
procedure kwritechr(c: Char);
procedure kwritestr(s: PChar);
procedure kwriteint(i: Integer);
procedure kwritedword(i: DWORD);
implementation
var
vidmem: PChar = PChar($b8000);
procedure kclearscreen(); [public, alias: 'kclearscreen'];
var
i: Integer;
begin
for i := 0 to 3999 do
vidmem[i] := #0;
end;
procedure kwritechr(c: Char); [public, alias: 'kwritechr'];
var
offset: Integer;
begin
if (ypos > 24) then
ypos := 0;
if (xpos > 79) then
xpos := 0;
offset := (xpos shl 1) + (ypos * 160);
vidmem[offset] := c;
offset += 1;
vidmem[offset] := #7;
offset += 1;
xpos := (offset mod 160);
ypos := (offset - xpos) div 160;
xpos := xpos shr 1;
end;
procedure kwritestr(s: PChar); [public, alias: 'kwritestr'];
var
offset, i: Integer;
begin
if (ypos > 24) then
ypos := 0;
if (xpos > 79) then
xpos := 0;
offset := (xpos shl 1) + (ypos * 160);
i := 0;
while (s[i] <> Char($0)) do
begin
vidmem[offset] := s[i];
offset += 1;
vidmem[offset] := #7;
offset += 1;
i += 1;
end;
xpos := (offset mod 160);
ypos := (offset - xpos) div 160;
xpos := xpos shr 1;
end;
procedure kwriteint(i: Integer); [public, alias: 'kwriteint'];
var
buffer: array [0..11] of Char;
str: PChar;
digit: DWORD;
minus: Boolean;
begin
str := @buffer[11];
str^ := #0;
if (i < 0) then
begin
digit := -i;
minus := True;
end
else
begin
digit := i;
minus := False;
end;
repeat
Dec(str);
str^ := Char((digit mod 10) + Byte('0'));
digit := digit div 10;
until (digit = 0);
if (minus) then
begin
Dec(str);
str^ := '-';
end;
kwritestr(str);
end;
procedure kwritedword(i: DWORD); [public, alias: 'kwritedword'];
var
buffer: array [0..11] of Char;
str: PChar;
digit: DWORD;
begin
for digit := 0 to 10 do
buffer[digit] := '0';
str := @buffer[11];
str^ := #0;
digit := i;
repeat
Dec(str);
str^ := Char((digit mod 10) + Byte('0'));
digit := digit div 10;
until (digit = 0);
kwritestr(str);
end;
end.源码关键点解读
VGA_BUFFER_ADDR = $B8000是 x86 实模式 / 保护模式通用文本显存地址，无需 BIOS 中断；- 每个字符占用 2 字节：低字节 ASCII，高字节颜色属性；
- 内置自动滚动逻辑：打印超出 25 行时整体上移一行，清空底部；
PChar兼容 C 字符串（0 终止符），方便和汇编交互；- 数字打印不依赖标准库
SysUtils，手动实现进制转换缓冲区。
三、Multiboot 规范常量定义：multiboot.pas
作用
定义 Multiboot v1 标准的内存信息结构体、魔数、标志位，内核主程序读取 GRUB 传入的硬件信息时使用。
pascal
unit multiboot;
interface
const
KERNEL_STACKSIZE = $4000;
MULTIBOOT_BOOTLOADER_MAGIC = $2BADB002;
type
Pelf_section_header_table_t = ^elf_section_header_table_t;
elf_section_header_table_t = packed record
num: DWORD;
size: DWORD;
addr: DWORD;
shndx: DWORD;
end;
Pmultiboot_info_t = ^multiboot_info_t;
multiboot_info_t = packed record
flags: DWORD;
mem_lower: DWORD; { Amount of memory available below 1mb }
mem_upper: DWORD; { Amount of memory available above 1mb }
boot_device: DWORD;
cmdline: DWORD;
mods_count: DWORD;
mods_addr: DWORD;
elf_sec: elf_section_header_table_t;
mmap_length: DWORD;
mmap_addr: DWORD;
end;
Pmodule_t = ^module_t;
module_t = packed record
mod_start: DWORD;
mod_end: DWORD;
name: DWORD;
reserved: DWORD;
end;
Pmemory_map_t = ^memory_map_t;
memory_map_t = packed record
size: DWORD;
{ You can declare these two as a single qword if your compiler supports it }
base_addr_low: DWORD;
base_addr_high: DWORD;
{ And again, these can be made into one qword variable. }
length_low: DWORD;
length_high: DWORD;
mtype: DWORD;
end;
implementation
end.源码关键点解读
packed record禁用内存对齐，严格匹配 Multiboot 二进制布局；mem_lower/mem_upper是本示例核心，用于计算整机物理内存大小；- 结构体指针由汇编
kernel_entry.asm中ebx传入内核主程序。
四、内核主程序：kernel.pas
作用
程序入口MainKernel，整合控制台、Multiboot 模块，完成初始化、硬件信息打印、停机逻辑，是整个操作系统顶层业务代码。
pascal
{
/////////////////////////////////////////////////////////
// //
// Freepascal barebone OS //
// kernel.pas //
// //
/////////////////////////////////////////////////////////
//
// By: De Deyn Kim <kimdedeyn@skynet.be>
// License: Public domain
//
}
unit kernel;
interface
uses
multiboot,
console;
procedure kmain(mbinfo: Pmultiboot_info_t; mbmagic: DWORD); stdcall;
implementation
procedure kmain(mbinfo: Pmultiboot_info_t; mbmagic: DWORD); stdcall; [public, alias: 'kmain'];
begin
kclearscreen();
kwritestr('Freepascal barebone OS booted!');
xpos := 0;
ypos += 1;
if (mbmagic <> MULTIBOOT_BOOTLOADER_MAGIC) then
begin
kwritestr('Halting system, a multiboot-compliant boot loader needed!');
asm
cli
hlt
end;
end
else
begin
kwritestr('Booted by a multiboot-compliant boot loader!');
xpos := 0;
ypos += 2;
kwritestr('Multiboot information:');
xpos := 0;
ypos += 2;
kwritestr(' Lower memory = ');
kwriteint(mbinfo^.mem_lower);
kwritestr('KB');
xpos := 0;
ypos += 1;
kwritestr(' Higher memory = ');
kwriteint(mbinfo^.mem_upper);
kwritestr('KB');
xpos := 0;
ypos += 1;
kwritestr(' Total memory = ');
kwriteint(((mbinfo^.mem_upper + 1000) div 1024) +1);
kwritestr('MB');
end;
asm
@loop:
jmp @loop
end;
end;
end.源码关键点解读
MainKernel带[public]导出，汇编call MainKernel可直接调用；- 入参
PMultibootInfo接收 GRUB 传入的硬件信息指针； - 先校验 Multiboot 魔数，防止非 GRUB 引导导致内存读取崩溃；
- 纯汇编内嵌
cli+hlt关闭中断停机，裸机无操作系统异常处理； - 末尾默认
begin..end是 FPC 标准程序占位，裸机环境不会触发执行。
五、整体源码结构梳理
plaintext
Pascal-BareBones/
├─ kernel_entry.asm 汇编引导入口+Multiboot头
├─ multiboot.pas Multiboot硬件信息结构体定义
├─ console.pas VGA控制台底层驱动单元
└─ kernel.pas 内核主程序，系统业务逻辑
六、源码运行逻辑完整流程
- GRUB 加载镜像，识别
.multiboot头部，把硬件信息存入 EBX； - 执行
kernel_entry.asm，初始化栈，压入 EBX 指针，调用MainKernel； - Pascal 内核执行：清屏 → 校验 Multiboot 合法性 → 打印内存硬件信息 → 死循环停机；
- 所有屏幕输出均调用
console.pas封装的 VGA 显存操作，无任何 BIOS/DOS 系统调用。
七、拓展改造方向（基于现有源码）
- 完善 VGA 颜色属性，实现彩色文字输出；
- 增加键盘中断 IRQ1 驱动，实现字符输入；
- 新增简单堆内存管理器，替代静态变量；
- 扩展 Multiboot 模块，读取磁盘、模块加载信息；
- 增加简单多任务调度框架，基于 Pascal 过程实现线程切换。
结尾
这套源码完整实现了最小可用 Pascal 裸内核，全程不依赖任何操作系统标准库，所有硬件交互代码自主可控。相比 C 语言 OS 教程，Pascal 强类型、单元模块化的特性让底层硬件结构体、驱动代码可读性更高。下一篇博文我会讲解编译脚本、链接脚本、GRUB 镜像制作与 QEMU 运行完整流程。
openEuler 是由开放原子开源基金会孵化的全场景开源操作系统项目，面向数字基础设施四大核心场景（服务器、云计算、边缘计算、嵌入式），全面支持 ARM、x86、RISC-V、loongArch、PowerPC、SW-64 等多样性计算架构
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