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

1. 编译器：Free Pascal（FPC），嵌入式裸机编译目标
2. 架构：x86 32 位保护模式
3. 显示：VGA 文本缓冲区0xB8000
4. 引导：Multiboot v1 标准，兼容 GRUB
5. 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

1. 声明 Multiboot 头部，让 GRUB 识别这是合法内核镜像
2. 切换 32 位保护模式环境，设置栈
3. 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

1. Multiboot 头三行 magic/flags/checksum 是 GRUB 识别内核的核心，位置不能偏移；
2. .bss段预留 16KB 静态栈，裸机无动态内存分配，栈必须静态声明；
3. 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；
4. 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

1. 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；
2. 每个字符占用 2 字节：低字节 ASCII，高字节颜色属性；
3. 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；
4. PChar兼容 C 字符串（0 终止符），方便和汇编交互；
5. 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

1. packed record禁用内存对齐，严格匹配 Multiboot 二进制布局；
2. mem_lower/mem_upper是本示例核心，用于计算整机物理内存大小；
3. 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

1. MainKernel带[public]导出，汇编call MainKernel可直接调用；
2. 入参PMultibootInfo接收 GRUB 传入的硬件信息指针；
3. 先校验 Multiboot 魔数，防止非 GRUB 引导导致内存读取崩溃；
4. 纯汇编内嵌cli+hlt关闭中断停机，裸机无操作系统异常处理；
5. 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

1. GRUB 加载镜像，识别.multiboot头部，把硬件信息存入 EBX；
2. 执行kernel_entry.asm，初始化栈，压入 EBX 指针，调用MainKernel；
3. 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；
4. 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）

1. 完善 VGA 颜色属性，实现彩色文字输出；
2. 增加键盘中断 IRQ1 驱动，实现字符输入；
3. 新增简单堆内存管理器，替代静态变量；
4. 扩展 Multiboot 模块，读取磁盘、模块加载信息；
5. 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。