Создание операционной системы на базе ядра linux. С нуля

Если подходить по существу...

ОС - это такая штука, которая реализует многозадачность (обычно) и заведует распределением ресурсов между этими задачами и вообще. Нужно следить, чтобы задачи друг другу не могли вредить и работали в разных областях памяти и с устройствами работали по очереди, это хотя бы. А ещё надо предоставить возможность передавать сообщения от одной задачи к другой.

Ещё ОС, ежели имеется долговременная память, должна предоставлять доступ к ней: то есть предоставлять все функции для работы с файловой системой. Это минимум.

Почти везде самый первый загрузочный код должен писаться на ассемблере - там бывает куча правил, где оно должно быть, как должно выглядеть, что должно делать, и какой размер не превышать.

Для РС надо на асме писать бутлоадер, который будет вызываться BIOS и кой должен, не превышая четырёх с копейками сотен байт, что-то сделать и запустить основную ОС - передать управление основному коду, который в ближайшей же перспективе можно писать уже и на С.

Для ARM надо на асме делать таблицу прерываний (сброс, ошибки разные, прерывания IRQ, FIQ и пр.) и передачу управления в основной код. Хотя, во многих средах разработки такой код для почти любого контроллера имеется.

То есть, необходимо для этого:

Знать ассемблер целевой платформы.
Знать архитектуру процессора и всякие служебные команды и регистры, чтобы настроить его для работы в нужном режиме. В РС это переход в защищённый режим, например, или в 64битный режим... В ARM - настройка тактирования ядра и периферии.
Знать, как именно будет запускаться ОС, куда и как нужно пихать свой код.
Знать язык С - большой код на асме написать затруднительно без опыта, поддерживать его будет ещё труднее. Посему надо ядро писать на С.
Знать принципы работы ОС. Ну, книжек на русском языке по этой теме много всяких, правда, не знаю, все ли они хорошие.
Иметь много-много терпения и усидчивости. Ошибки будут и их надо будет искать и исправлять. А ещё надо будет очень много читать.
Иметь много-много времени.

Далее. Допустим, вы что-то написали. Надо это дело тестировать. Либо надо устройство физическое, на коем будут идти эксперименты (отладочная плата, второй компьютер), либо эмулятор его. Второе обычно использовать и проще, и быстрее. Для PC, например, VMWare.

Статей по этой теме в интернете тоже достаточно, если хорошо поискать. А также есть множество примеров готовых ОС с исходниками.

Даже можно при большом желании посмотреть исходники старого ядра NT-систем (Windows), как отдельно (кое микрософтом выложено, с комментариями и разного рода справочными материалами), так и в совокупности со старыми же ОС (утекло).

Книга «Операционная система с 0 до 1» опубликована на GitHub и имеет более 2 000 звездочек и 100 форков. Как понятно из названия, прочитав её, вы сможете создать свою собственную операционную систему - и, пожалуй, мало что в мире программистов может быть круче.

Благодаря этой книге вы научитесь следующему:

Узнаете, как создать операционную систему на основе технической документации железа. В реальном мире это так и работает, вы не сможете использовать Google для быстрых ответов.
Поймёте, как компьютерные компоненты взаимодействуют друг с другом, от софта к железу.
Научитесь писать код самостоятельно. Слепое копирование кода не есть обучение, вы действительно научитесь решать проблемы. Кстати, слепое копирование еще и опасно.
Освоите всем привычные инструменты для низкоуровневой разработки.
Познакомитесь с языком ассемблера.
Выясните, из чего состоят программы и как операционная система запускает их. Небольшой обзор этой темы для любознательных мы давали в .
Разберётесь, как проводить отладку программы прямо на железе с GDB и QEMU.

Язык программирования C. Быстро освоить его можно, следуя .
Базовые знания Linux. Достаточно изучить на нашем сайте.
Базовые знания в физике: атомы, электроны, протоны, нейтроны, напряжение.
Закон Ома о соотношении напряжения, силы тока и сопротивления.

Книга совершенствуется и редактируется почти каждый день: вы и сами можете внести изменения или исправить опечатку. Операционная система, разработка которой послужила «сюжетом» для этой книги,

Данный цикл статей посвящён низкоуровневому программированию, то есть архитектуре компьютера, устройству операционных систем, программированию на языке ассемблера и смежным областям. Пока что написанием занимаются два хабраюзера - iley и pehat . Для многих старшеклассников, студентов, да и профессиональных программистов эти темы оказываются весьма сложными при обучении. Существует много литературы и курсов, посвящённых низкоуровневому программированию, но по ним сложно составить полную и всеохватывающую картину. Сложно, прочитав одну-две книги по ассемблеру и операционным системам, хотя бы в общих чертах представить, как же на самом деле работает эта сложная система из железа, кремния и множества программ - компьютер.

Каждый решает проблему обучения по-своему. Кто-то читает много литературы, кто-то старается поскорее перейти к практике и разбираться по ходу дела, кто-то пытается объяснять друзьям всё, что сам изучает. А мы решили совместить эти подходы. Итак, в этом курсе статей мы будем шаг за шагом демонстрировать, как пишется простая операционная система. Статьи будут носить обзорный характер, то есть в них не будет исчерпывающих теоретических сведений, однако мы будем всегда стараться предоставить ссылки на хорошие теоретические материалы и ответить на все возникающие вопросы. Чёткого плана у нас нет, так что многие важные решения будут приниматься по ходу дела, с учётом ваших отзывов.

Возможно, мы умышленно будем заводить процесс разработки в тупик, чтобы позволить вам и себе полностью осознать все последствия неверно принятого решения, а также отточить на нем некоторые технические навыки. Так что не стоит воспринимать наши решения как единственно верные и слепо нам верить. Еще раз подчеркнём, что мы ожидаем от читателей активности в обсуждении статей, которая должна сильно влиять на общий процесс разработки и написания последующих статей. В идеале хотелось бы, чтобы со временем некоторые из читателей присоединились к разработке системы.

Мы будем предполагать, что читатель уже знаком с основами языков ассемблер и Си, а также элементарными понятиями архитектуры ЭВМ. То есть, мы не будем объяснять, что такое регистр или, скажем, оперативная память. Если вам не будет хватать знаний, вы всегда можете обратиться к дополнительной литературе. Краткий список литературы и ссылки на сайты с хорошими статьями есть в конце статьи. Также желательно уметь пользоваться Linux, так как все инструкции по компиляции будут приводиться именно для этой системы.

А теперь - ближе к делу. В оставшейся части статьи мы с вами напишем классическую программу «Hello World». Наш хеллоуворлд получится немного специфическим. Он будет запускаться не из какой-либо операционной системы, а напрямую, так сказать «на голом железе». Перед тем, как приступить непосредственно к написанию кода, давайте разберёмся, как же конкретно мы пытаемся это сделать. А для этого надо рассмотреть процесс загрузки компьютера.

Итак, берем свой любимый компьютер и нажимаем самую большую кнопочку на системном блоке. Видим веселую заставку, системный блок радостно пищит спикером и через какое-то время загружается операционная система. Как вы понимаете, операционная система хранится на жёстком диске, и вот тут возникает вопрос: а каким же волшебным образом операционная система загрузилась в ОЗУ и начала выполняться?

Знайте же: за это отвечает система, которая есть на любом компьютере, и имя ей - нет, не Windows, типун вам на язык - называется она BIOS. Расшифровывается ее название как Basic Input-Output System, то есть базовая система ввода-вывода. Находится BIOS на маленькой микросхемке на материнской плате и запускается сразу после нажатия большой кнопки ВКЛ. У BIOS три главных задачи:

Обнаружить все подключенные устройства (процессор, клавиатуру, монитор, оперативную память, видеокарту, голову, руки, крылья, ноги и хвосты…) и проверить их на работоспособность. Отвечает за это программа POST (Power On Self Test – самотестирование при нажатии ВКЛ). Если жизненно важное железо не обнаружено, то никакой софт помочь не сможет, и на этом месте системный динамик пропищит что-нибудь зловещее и до ОС дело вообще не дойдет. Не будем о печальном, предположим, что у нас есть полностью рабочий компьютер, возрадуемся и перейдем к рассмотрению второй функции BIOS:
Предоставление операционной системе базового набора функций для работы с железом. Например, через функции BIOS можно вывести текст на экране или считать данные с клавиатуры. Потому она и называется базовой системой ввода-вывода. Обычно операционная система получает доступ к этим функциям посредством прерываний.
Запуск загрузчика операционной системы. При этом, как правило, считывается загрузочный сектор - первый сектор носителя информации (дискета, жесткий диск, компакт-диск, флэшка). Порядок опроса носителей можно задать в BIOS SETUP. В загрузочном секторе содержится программа, иногда называемая первичным загрузчиком. Грубо говоря, задача загрузчика - начать запуск операционной системы. Процесс загрузки операционной системы может быть весьма специфичен и сильно зависит от её особенностей. Поэтому первичный загрузчик пишется непосредственно разработчиками ОС и при установке записывается в загрузочный сектор. В момент запуска загрузчика процессор находится в реальном режиме.

Печальная новость: размер начального загрузчика должен быть всего 512 байт. Почему так мало? Для этого нам надо ознакомиться с устройством дискеты. Вот познавательная картинка:

На картинке изображена поверхность дискового накопителя. У дискеты 2 поверхности. На каждой поверхности есть кольцеобразные дорожки (треки). Каждый трек делится на маленькие дугообразные кусочки, называемые секторами. Так вот, исторически сложилось, что сектор дискеты имеет размер 512 байт. Самый первый сектор на диске, загрузочный сектор, читается BIOS"ом в нулевой сегмент памяти по смещению 0x7С00, и дальше по этому адресу передается управление. Начальный загрузчик обычно загружает в память не саму ОС, а другую программу-загрузчик, хранящуюся на диске, но по каким-то причинам (скорее всего, эта причина - размер) не влезающую в один сектор. А поскольку пока что роль нашей ОС выполняет банальный хеллоуворлд, наша главная цель - заставить компьютер поверить в существование нашей ОС, пусть даже и на одном секторе, и запустить её.

Как устроен загрузочный сектор? На PC единственное требование к загрузочному сектору - это содержание в двух его последних байтах значений 0x55 и 0xAA - сигнатуры загрузочного сектора. Итак, уже более-менее понятно, что нам нужно делать. Давайте же писать код! Приведённый код написан для ассемблера yasm .

section . text

use16

org 0x7C00 ; наша программа загружается по адресу 0x7C00

start:

mov ax , cs

mov ds , ax ; выбираем сегмент данных

mov si , message

cld ; направление для строковых команд

mov ah , 0x0E ; номер функции BIOS

mov bh , 0x00 ; страница видеопамяти

puts_loop:

lodsb ; загружаем очередной символ в al

test al , al ; нулевой символ означает конец строки

jz puts_loop_exit

int 0x10 ; вызываем функцию BIOS

jmp puts_loop

puts_loop_exit:

jmp $ ; вечный цикл

message:

db "Hello World!" , 0

finish:

times 0x1FE - finish+ start db 0

db 0x55 , 0xAA ; сигнатура загрузочного сектора

Эта короткая программа требует ряда важных пояснений. Строка org 0x7C00 нужна для того, чтобы ассемблер (имеется в виду программа, а не язык) правильно рассчитал адреса для меток и переменных (puts_loop, puts_loop_exit, message). Вот мы ему и сообщаем, что программа будет загружена в память по адресу 0x7C00.
В строках

mov ax , cs

mov ds , ax

происходит установка сегмента данных (ds) равным сегменту кода (cs), поскольку в нашей программе и данные, и код хранятся в одном сегменте.

Далее в цикле посимвольно выводится сообщение «Hello World!». Для этого используется функция 0x0E прерывания 0x10 . Она имеет следующие параметры:
AH = 0x0E (номер функции)
BH = номер видеостраницы (пока не заморачиваемся, указываем 0)
AL = ASCII-код символа

В строке « jmp $ » программа зависает. И правильно, незачем ей выполнять лишний код. Однако чтобы компьютер опять заработал, придется перезагрузиться.

В строке « times 0x1FE-finish+start db 0 » производится заполнение остатка кода программы (за исключением последних двух байт) нулями. Делается это для того, чтобы после компиляции в последних двух байтах программы оказалась сигнатура загрузочного сектора.

С кодом программы вроде разобрались, давайте теперь попробуем скомпилировать это счастье. Для компиляции нам понадобится, собственно говоря, ассемблер - выше упомянутый

Одним из лучших способов сэкономить время в любой деятельности является создание системы для нее. Ее преимущество в том, что автоматизировав и оптимизировав работу, вы становитесь более продуктивным и получаете больше времени на другие важные для вас задачи.

Система - это метод, процедура или рутинный процесс, который создается для выполнения повторяющейся деятельности при помощи стратегии. Системы позволяют управлять своей работой и жизнью более эффективно.

Вот несколько сфер жизни, для которых можно создать собственную систему:

Систематизация .
Систематизация .
Систематизация задач для ведения блога.
Систематизация уборки дома.
Систематизация утренней и вечерней рутины.
Систематизация обработки электронной почты.
Систематизация рабочих задач.

Следующие пять шагов позволят вам создать собственную систему почти для любой деятельности.

Проведите инвентаризацию

Начните с определения действий, которые вы регулярно предпринимаете, как дома, так и на работе. Проанализируйте свой день и взгляните на все дела, которые составляют ваше ежедневное расписание. Например: утренняя подготовка к работе/учебе, подготовка детей к школе, поездка на работу, ответы на электронные письма и телефонные звонки, написание отчетов, вечерняя пробежка, приготовление ужина, написание поста в блоге, маркетинг вашей книги и т.п.

Перейдите к списку конкретных дел для выбранного пункта и спросите себя следующее:

Как вы делаете это сейчас?
Считаете ли вы, что делаете это максимально эффективно?
Где вы теряете много времени?
Где вы теряете деньги?
Какие действия вас больше всего расстраивают?
Что не делается в настоящее время так быстро, как может?
Что нужно оптимизировать?

На основе своей инвентаризации, выберите одну деятельность для систематизации.

Проанализируйте, чем на данный момент занимаетесь

Выполняйте действия, которые вы хотите систематизировать, используя обычную процедуру (то есть ведите себя, как обычно). Документируйте процесс, записав все из следующих действий:

Какие шаги вы предпринимаете?
Какие инструменты вы используете?
Где «узкие» места (где теряется время, постоянно происходят проволочки, что-то идет не так)?
Что вас разочаровывает?
Сколько времени требуется для завершения этой деятельности?
Сколько это стоит?
Какие результаты вы получаете?

После этого просмотрите полученный документ и изучите его.

Спланируйте новый процесс

Система, как мы указали ранее - это процесс, который вы создаете для оптимизации задач и повышения эффективности. Взгляните на свой документ и деятельность, которую хотите оптимизировать, и задайте себе следующие вопросы:

Какого результата вы хотите достичь, занимаясь этой деятельностью? Какой цели вы пытаетесь достичь? Каков идеальный результат?
Все ли шаги, которые вы предпринимаете, являются необходимыми? Можно ли некоторые из них устранить?
Вы выполняете шаги в наиболее эффективной последовательности? Получились бы иные результаты, если бы вы изменили порядок шагов?
Как это все можно сделать быстрее?
Можете ли вы создать чек-лист, диаграмму, ментальную карту или сценарий для этой деятельности?
Можно ли автоматизировать некоторые шаги или весь процесс? Есть ли программа, которую можно для этого использовать?
Можно ли делегировать некоторые шаги или весь процесс?
Нужно ли обновить инструменты, которыми вы пользуетесь?

Теперь запишите свою новую систему, подробно перечислив каждый шаг.

Выполняйте план

Когда у вас будет план, его тут же нужно приводить в действие. Возможно, вам предварительно понадобится помощь других людей, нужно будет приобрести программное обеспечение или обновить инструменты.

Настало время запустить процесс и протестировать его работу. Проведите его и обратите внимание на полученные результаты. Задайте себе следующие вопросы:

Получили ли вы желаемые результаты?
Что работает?
Что не работает?
Сколько времени вы сэкономили?
Сколько все это стоит? Учитывая результаты, эффективна ли система?
Вы достигаете своей цели самым простым способом?
Есть ли пробелы в процессе?
Можно ли еще оптимизировать процесс?

Внесите необходимые корректировки и изменения. Обновляйте свою систему, пока не получите желаемые результаты.

Непрерывно совершенствуйте систему

Следить за своей системой стоит постоянно, потому что в мире, который быстро меняется, она может так же быстро устаревать. Всегда спрашивайте себе, нужны ли улучшения.

Система работает так, как должна?
Можете ли вы снизить стоимость системы?
Можете ли вы сделать систему еще более эффективной?
Можете ли вы упростить систему, чтобы получать лучшие результаты?

Настройка системы всегда требует инвестиций времени. Но изначально потратив его больше, чем тратите привычно, вы в конечном итоге значительно его сэкономите. И минимизируете влияние операционного стресса.

Желаем вам удачи!

Данный цикл статей посвящён низкоуровневому программированию, то есть архитектуре компьютера, устройству операционных систем, программированию на языке ассемблера и смежным областям. Пока что написанием занимаются два хабраюзера - и . Для многих старшеклассников, студентов, да и профессиональных программистов эти темы оказываются весьма сложными при обучении. Существует много литературы и курсов, посвящённых низкоуровневому программированию, но по ним сложно составить полную и всеохватывающую картину. Сложно, прочитав одну-две книги по ассемблеру и операционным системам, хотя бы в общих чертах представить, как же на самом деле работает эта сложная система из железа, кремния и множества программ - компьютер.

Обнаружить все подключенные устройства (процессор, клавиатуру, монитор, оперативную память, видеокарту, голову, руки, крылья, ноги и хвосты…) и проверить их на работоспособность. Отвечает за это программа POST (Power On Self Test – самотестирование при нажатии ВКЛ). Если жизненно важное железо не обнаружено, то никакой софт помочь не сможет, и на этом месте системный динамик пропищит что-нибудь зловещее и до ОС дело вообще не дойдет. Не будем о печальном, предположим, что у нас есть полностью рабочий компьютер, возрадуемся и перейдем к рассмотрению второй функции BIOS:
Предоставление операционной системе базового набора функций для работы с железом. Например, через функции BIOS можно вывести текст на экране или считать данные с клавиатуры. Потому она и называется базовой системой ввода-вывода. Обычно операционная система получает доступ к этим функциям посредством прерываний.
Запуск загрузчика операционной системы. При этом, как правило, считывается загрузочный сектор - первый сектор носителя информации (дискета, жесткий диск, компакт-диск, флэшка). Порядок опроса носителей можно задать в BIOS SETUP. В загрузочном секторе содержится программа, иногда называемая первичным загрузчиком. Грубо говоря, задача загрузчика - начать запуск операционной системы. Процесс загрузки операционной системы может быть весьма специфичен и сильно зависит от её особенностей. Поэтому первичный загрузчик пишется непосредственно разработчиками ОС и при установке записывается в загрузочный сектор. В момент запуска загрузчика процессор находится в реальном режиме.

section . text

use16

org 0x7C00 ; наша программа загружается по адресу 0x7C00

start:

mov ax , cs

mov ds , ax ; выбираем сегмент данных

mov si , message

cld ; направление для строковых команд

mov ah , 0x0E ; номер функции BIOS

mov bh , 0x00 ; страница видеопамяти

puts_loop:

lodsb ; загружаем очередной символ в al

test al , al ; нулевой символ означает конец строки

jz puts_loop_exit

int 0x10 ; вызываем функцию BIOS

jmp puts_loop

puts_loop_exit:

jmp $ ; вечный цикл

message:

db "Hello World!" , 0

finish:

times 0x1FE - finish+ start db 0

db 0x55 , 0xAA ; сигнатура загрузочного сектора

mov ax , cs

mov ds , ax