Читая Хабр в течении последних двух лет, я видел только несколько попыток разработки ОС (если конкретно: от пользователей и (отложено на неопределённый срок) и (не заброшено, но пока больше походит на описание работы защищённого режима x86-совместимых процессоров, что бесспорно тоже необходимо знать для написания ОС под x86); и описание готовой системы от (правда не с нуля, хотя в этом нет ничего плохого, может даже наоборот)). Мне почему-то думается, что почти все системные (да и часть прикладных) программисты хотя бы раз, но задумывались о написании собственной операционной системы. В связи с чем, 3 ОС от многочисленного сообщества данного ресурса кажется смешным числом. Видимо, большинство задумывающихся о собственной ОС так никуда дальше идеи и не идёт, малая часть останавливается после написания загрузчика, немногие пишут куски ядра, и только безнадёжно упёртые создают что-то отдалённо напоминающее ОС (если сравнивать с чем-то вроде Windows/Linux). Причин для этого можно найти много, но главной на мой взгляд является то, что люди бросают разработку (некоторые даже не успев начать) из-за небольшого количества описаний самого процесса написания и отладки ОС, который довольно сильно отличается от того, что происходит при разработке прикладного ПО.
Этой небольшой заметкой хотелось бы показать, что, если правильно начать, то в разработке собственной ОС нету ничего особо сложного. Под катом находится краткое и довольно общее руководство к действию по написанию ОС с нуля.
Как не надо начинать
Просьба не воспринимать следующий ниже текст как явную критику чьих-то статей или руководств по написанию ОС. Просто слишком часто в подобных статьях под громкими заголовками акцент делается на реализации какой-то минимальной заготовки, а подаётся она как прототип ядра. На самом деле следует задумываться о структуре ядра и взаимодействии частей ОС в целом, а тот прототип рассматривать как стандартное «Hello, World!»-приложение в мире прикладного ПО. В качестве небольшого оправдания этих замечаний, следует сказать, что ниже есть подраздел «Hello, World!», которому в данном случае уделено ровно столько внимания сколько нужно, и не больше.Не надо писать загрузчик. Умные люди придумали Multiboot Specification , реализовали и подробно описали, что это такое и как его использовать. Не хочу повторяться, просто скажу, что это работает, облегчает жизнь, и его надо применять. Спецификацию, кстати, лучше прочесть полностью, она небольшая и даже содержит примеры.
Не надо писать ОС полностью на ассемблере. Это не так чтобы плохо, скорее наоборот - быстрые и маленькие программы всегда будут в почёте. Просто так как этот язык требует значительно больших усилий на разработку, то использование ассемблера приведёт только к уменьшению энтузиазма и, как следствие, к забрасыванию исходников ОС в долгий ящик.
Не надо загружать кастомный шрифт в видео память и выводить что-либо на русском. Толку от этого никакого. Гораздо проще и универсальнее использовать английский, а изменение шрифта оставить на потом, загружая его с жёсткого диска через драйвер файловой системы (заодно будет дополнительный стимул сделать больше, чем просто начать).
Подготовка
Для начала как всегда следует ознакомиться с общей теорией, дабы иметь какие-то представления о предстоящем объёме работ. Хорошими источниками по рассматриваемому вопросу являются книги Э. Таненбаума, которые уже упоминались в других статьях о написании ОС на Хабре. Также есть статьи с описанием существующих систем, и есть различные руководства/рассылки/статьи/примеры/сайты с уклоном в разработку ОС, ссылки на часть из которых приведены в конце статьи.После начального ликбеза необходимо определиться с главными вопросами:
- целевая архитектура - x86 (real/protected/long mode), PowerPC, ARM, ...
- архитектура ядра/ОС - монолит, модульный монолит, микроядро, экзоядро, разные гибриды
- язык и его компилятор - C, C++, ...
- формат файла ядра - elf, a.out, coff, binary, ...
- среда разработки (да, это тоже играет не последнюю роль) - IDE, vim, emacs, ...
- видео память и работа с ней - вывод в качестве доказательства работы необходим с самого начала
- HAL (Hardware Abstraction layer) - даже если поддержка нескольких аппаратных архитектур и не планируется грамотное отделение самых низкоуровневых частей ядра от реализации таких абстрактных вещей как процессы, семафоры и так далее лишним не будет
- управление памятью - физической и виртуальной
- управление исполнением - процессы и потоки, их планирование
- управление устройствами - драйвера
- виртуальные файловые системы - для обеспечения единого интерфейса к содержимому различных ФС
- API (Application Programming Interface) - как именно приложения будут обращаться к ядру
- IPC (Interprocess Communication) - рано или поздно процессам придется взаимодействовать
Инструменты
Учитывая выбранные язык и средства разработки следует подобрать такой набор утилит и их настроек, которые в будущем позволят путём написания скриптов, максимально облегчить и ускорить сборку, подготовку образа и запуск виртуальной машины с проектом. Остановимся немного детальнее на каждом из этих пунктов:- для сборки подойдут любые стандартные средства, как то make, cmake,… Тут в ход могут пойти скрипты для линкера и (специально написанные) утилиты для добавления Multiboot-заголовка, контрольных сумм или для каких-либо других целей.
- под подготовкой образа имеется ввиду его монтирование и копирование файлов. Соответственно, формат файла образа надо подбирать так, чтобы его поддерживала как утилита монтирования/копирования, так и виртуальная машина. Естественно, никто не запрещает совершать действия из этого пункта либо как финальную часть сборки, либо как подготовку к запуску эмулятора. Всё зависит от конкретных средств и выбранных вариантов их использования.
- запуск виртуальной машины труда не представляет, но нужно не забыть сначала отмонтировать образ (отмонтирование в этом пункте, так как до запуска виртуальной машины реального смысла в этой операции нет). Также не лишним будет скрипт для запуска эмулятора в отладочном режиме (если таковой имеется).
Если все предыдущие шаги выполнены, следует написать минимальную программу, которая будет загружаться как ядро и выводить что-нибудь на экран. В случае обнаружения неудобств или недостатков выбранных средств, необходимо их (недостатки) устранить, ну или, в худшем случае, принять как данность.На данном шаге необходимо проверить как можно больше возможностей средств разработки, которые планируется использовать в будущем. Например, загрузку модулей в GRUB или использование в виртуальной машине физического диска/раздела/флешки вместо образа.
После того как этот этап прошёл успешно, начинается настоящая разработка.
Обеспечение run-time поддержки
Так как предлагается писать на языках высокого уровня, следует позаботиться об обеспечении поддержки части средств языка, которые обычно реализуются авторами пакета компилятора. Например для C++, сюда относятся:- функция для динамического выделения блока данных на стеке
- работа с heap
- функция копирования блока данных (memcpy)
- функция-точка входа в программу
- вызовы конструкторов и деструкторов глобальных объектов
- ряд функций для работы с исключениями
- стаб для нереализованных чисто-виртуальных функций
Естественно, тут же следует упомянуть и о стандартной библиотеке. Полная реализация не является необходимой, но основное подмножество функций реализовать стоит. Тогда написание кода будет значительно привычнее и быстрее.
Отладка
Не смотрите, что об отладке говорится ближе к концу статьи. На самом деле это очень серьёзный и непростой вопрос в разработке ОС, так как обычные средства тут неприменимы (за некоторым исключением).Можно посоветовать следующее:
- само собой разумеющееся, отладочный вывод
- assert с немедленным выходом в «отладчик» (см. следующий пункт)
- некоторое подобие консольного отладчика
- проверить не позволяет ли эмулятор подключать отладчик, таблицы символов или ещё что-нибудь
- часть стандартных отладочных операций: точки останова, стек вызовов, вывод значений, печать дампа, ...
- команды вывода различной полезной информации, вроде очереди исполнения планировщика или различной статистики (она не так бесполезно как может показаться сначала)
- команды проверки непротиворечивости состояния различных структур: списков свободной/занятой памяти, heap или очереди сообщений
Развитие
Дальше необходимо написать и отладить основные элементы ОС, которые в данный момент должны обеспечить её стабильную работу, а в будущем - лёгкую расширяемость и гибкость. Кроме менеджеров памяти/процессов/(чего-нибудь ещё) очень важным является интерфейс драйверов и файловых систем. К их проектированию следует подходить с особой тщательностью, учитывая всё разнообразие типов устройств/ФС. Со временем их конечно можно будет поменять, но это очень болезненный и подверженный ошибкам процесс (а отладка ядра - занятие не из лёгких), поэтому просто запомните - минимум десять раз подумайте над этими интерфейсами прежде чем возьмётесь за их реализацию.Подобие SDK
По мере развития проекта в нём должны добавляться новые драйвера и программы. Скорее всего уже на втором драйвере (возможно определённого типа)/программе будут заметны некоторые общие черты (структура каталогов, файлы управления сборкой, спецификация зависимостей между модулями, повторяющийся код в main или в обработчиках системных запросов (например если драйвера сами проверяют их совместимость с устройством)). Если так и есть, то это признак необходимости разработки шаблонов для различного типа программ под вашу ОС.Необходимости в документации, описывающей процесс написания того или другого типа программы, нет. Но сделать заготовку из типовых элементов стоит. Это не только упростит добавление программ (что можно делать и копированием существующих программ с их последующим изменением, но это потребует больше времени), но также позволит легче их обновлять при изменениях в интерфейсах, форматах или чем-то ещё. Понятно, что таких изменений в идеале быть не должно, но так как разработка ОС - вещь нетипичная, то есть достаточно много мест для потенциально неверных решений. А вот понимание ошибочности принятых решений как всегда придёт через некоторое время после их внедрения.
Дальнейшие действия
Если кратко, то: читать про операционные системы (и в первую очередь именно про их устройство), развивать свою систему (темпы на самом деле не важны, главное - не прекращать совсем и возвращаться к проекту время от времени с новыми силами и идеями) и естественно исправлять в ней ошибки (для нахождения которых надо иногда запускать систему и «играться» с ней). Со временем процесс разработки будет становиться всё легче и легче, ошибки будут встречаться реже, а вы будете зачислены в список «безнадёжно упёртых», тех немногих, которые несмотря на некоторую абсурдность идеи разработки собственной ОС, всё же сделали это.
WikiHow работает по принципу вики, а это значит, что многие наши статьи написаны несколькими авторами. При создании этой статьи над ее редактированием и улучшением работали, в том числе анонимно, 90 человек(а).
Операционные системы, составленные из сотен тысяч строк кода, позволяют пользователям взаимодействовать с компьютерной техникой. Они обычно пишутся на языках программирования C, C++ и ассемблер.
Шаги
- Чтобы собрать ОС с помощью кодов C или C++, вы, конечно, будете использовать то один компилятор, то другой. Это означает, что вы должны прочесть руководство/инструкции/документацию для выбранного компилятора C/C++, что поставляется в комплекте с программным обеспечением или доступно на веб-сайте дистрибьютора. Вам придется узнать множество сложных вещей о компиляторе, кроме того, для совершенствования C++ предстоит изучить его схему и ABI. Вы, как ожидается, поймете различные форматы исполнительных задач (ELF, PE, COFF, обычные бинарные и т.д.) и заметите, что собственный формат Windows, PE (.exe) защищен авторским правом.
-
Выберите интерфейс программирования приложений (API). Одной из подборок хорошего API является POSIX, так как она хорошо документирован. Все системы Unix имеют, по крайней мере, частичную поддержку POSIX, так что было бы тривиально пристраивать программы Unix на вашу операционную систему.
Определитесь с дизайном. Существуют монолитные ядра и микроядра. Монолитные ядра выполняют все службы в ядре, в то время как микроядра имеют маленькое ядро в сочетании с пользовательской реализацией сервисов. В общем, монолитные ядра быстрее, но микроядра имеют лучшую изоляцию и защиту от возможных неисправностей.
Рассмотрите вопрос о разработке и работе в команде. Таким образом, вам потребуется меньше времени на разрешение больших проблем, что позволит создать операционную систему лучшего качества за более короткие сроки.
Не стирайте ваш жесткий диск полностью. Помните, форматирование диска необратимо очистит все ваши данные! Используйте GRUB или другой менеджер для дублированной загрузки вашего компьютера с другой ОС, пока ваша версия не будет полностью готова функционально.
Начните с малого. Обратите внимание в первую очередь на мелочи, такие как отображение текста и прерывания, прежде чем переходить к сложным элементам, к примеру, к управлению памятью и многозадачности.
Сохраняйте резервную копию последней рабочей версии. Это дает определенное спокойствие в случае, если что-то пойдет абсолютно неправильно в текущей версии вашей ОС или последующих дополнениях. В случае поломки вашего компьютера и невозможности загрузки, как вы и сами понимаете, отличной возможностью станет наличие второй копии для работы, так что вы сможете устранить имеющиеся неисправности.
Протестируйте вашу новую операционную систему на виртуальной машине. Вместо перезагрузки компьютера каждый раз после внесения изменений или передачи файлов с рабочего компьютера тестовой машине вы можете использовать приложение для запуска ОС на виртуальной машине, в то время как ваша текущая ОС продолжает работать. Приложения VM включают в себя VMWare (которая также имеет сервер в свободном доступе), альтернативный открытый исходный код, Bochs, Microsoft Virtual PC (не совместим с Linux), а также XVM VirtualBox.
Выпустите релиз-версию. Это позволит пользователям рассказать вам о возможных недостатках в вашей операционной системе.
-
Операционная система также должна быть удобной для пользователя, так что не забудьте добавить полезные функции, которые станут неотъемлемой частью вашего дизайна.
- Когда разработка будет закончена, подумайте, хотите ли вы представить код в свободном доступе либо же установить частные права на него.
- Обязательно сделайте функции безопасности вашим основным приоритетом, если хотите, чтобы ваша система была жизнеспособной.
- Не начинайте проект разработки операционной системы с целью обучения программированию. Если вы не знаете C, C++, Pascal или какие-нибудь другие подходящие языки и свойства, в том числе типы указателя, операции с битами низкого уровня, переключение битов, встроенный ассемблер и т.д., – значит, еще не готовы для создания ОС.
- Просматривайте такие порталы, как OSDev и OSDever, которые помогут вам улучшить собственную операционную систему. Обратите особое внимание на то, что по большинству вопросов сообщество OSDev.org предпочитает, чтобы вы самостоятельно обращались к содержанию сайта, а не присоединялись к форуму. Если вы все же решили примкнуть к рядам форумчан, для этого должны быть определенные предпосылки. Вы обязаны досконально знать C или C++ и язык x86 ассамблер. Вы также должны понимать общие и комплексные понятия в программировании, такие как Linked Lists, Queues и т.д. Сообщество OSDev в своих правилах прямо говорит о том, что никто не собирается нянчить новых программистов. Если вы пытаетесь разработать ОС, само собой разумеется, что вы «бог» в области программирования. От вас также требуется прочесть руководство по работе с процессором касательно его архитектуры, выбранной вами; например, x86 (Intel), ARM, MIPS, PPC и т.д. Такой справочник по структуре процессора можно легко найти с помощью поиска в Google («Intel Manuals», «ARM manuals» и т.д.). Не регистрируйтесь на форуме OSDev.org, чтобы задавать очевидные вопросы. Это просто приведет к ответам вроде «Read the f*** ing Manual». Для начала вы должны попробовать почитать Википедию, пособия для различных инструментов, которые собираетесь использовать.
- Проверьте наличие потенциальных мертвых точек и других ошибок. Недочеты, тупики и другие проблемы могут повлиять на проект вашей операционной системы.
- Если вы хотите способ попроще, представьте дистрибутивы Linux - типа Fedora Revisor, Custom Nimble X, Puppy Remaster, PCLinuxOS mklivecd или SUSE Studio и SUSE KIWI. Тем не менее, создаваемая ОС принадлежит компании, которая первой представила этот сервис (хотя у вас есть права на ее свободное распространение, изменение и запуск, как вам нравится, под GPL).
- Хорошим решением будет создание совершенно нового раздела для разрабатываемой операционной системы.
Предупреждения
- Небрежное переписывание ОС на жесткий диск может повредить его полностью. Будьте осторожны
- У вас не получится полностью готовая система за две недели. Начните с загружаемой операционной системы, а затем переходите на более интересный материал.
- Если вы сделаете что-то опрометчивое, как, например, напишите беспорядочные байты в произвольных портах I/O, то уничтожите вашу ОС и можете (в теории) спалить ваше оборудование.
- Не ожидайте, что будет легко построить качественную операционную систему. Существует множество сложных взаимозависимостей. Например, для того, чтобы ОС была способна работать с несколькими процессорами, ваш диспетчер памяти должен иметь «блокирующие» механизмы для предотвращения доступа лишних процессоров в один и тот же ресурс одновременно. Используемые «блоки» предполагают наличие планировщика, чтобы убедиться, что только один процессор обращается к критическому ресурсу в любой момент времени, а все остальные находятся в режиме ожидания. Тем не менее, работа планировщика зависит от присутствия диспетчера памяти. Это пример зависимости от взаимоблокировки. Нет стандартного способа разрешить подобные проблемы; каждый создатель операционной системы, как ожидается, достаточно квалифицирован, чтобы найти свой собственный вариант их решения.
Для начала обучитесь программированию. Знание ассемблера необходимо; настоятельно рекомендуется также иметь понятие о других дополнительных языках программирования более низкого уровня, например, С.
Определитесь, на какое устройство вы хотите загрузить операционную систему. Это может быть CD-диск, DVD-диск, устройство флэш-памяти, жесткий диск или другой компьютер.
Решите, какой вы хотите видеть вашу операционную систему. Должна ли это быть полная версия ОС с графическим интерфейсом пользователя (GUI) или, может быть, что-нибудь более минималистичное? Вам необходимо знать, в каком направлении двигаться, еще перед началом процесса.
Уточните, какую платформу процессора будет поддерживать ваша операционная система. AI-32 и x86_64 являются двумя наиболее распространенными версиями для персональных компьютеров, так что их можно считать наилучшим выбором.
Определитесь, предпочитаете ли делать все самостоятельно с нуля, или же имеются ядра, на основе которых вы бы хотели надстроить систему. Linux с нуля – проект для тех, кто желает, к примеру, создать свой собственный дистрибутив Linux.
Выберите, собираетесь вы использовать свой собственный загрузчик или предварительно созданный унифицированный системный загрузчик Grand Unified Bootloader (GRUB). Поскольку кодирование своей собственной программы загрузки требует обширных знаний в области компьютерного обеспечения и BIOS, это может отодвинуть график программирования действующего ядра.
Примите решение по поводу языка программирования, который собираетесь использовать. Конечно, вполне возможно разработать ОС на таком языке, как Pascal или BASIC, но предпочтительнее писать на С или ассемблере. Ассемблер совершенно необходим, т. к. некоторые важные части операционной системы требуют знания именно этого языка. C++, с другой стороны, содержит ключевые слова, требуемые для запуска полной версии ОС.
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.
Разработка ядра по праву считается задачей не из легких, но написать простейшее ядро может каждый. Чтобы прикоснуться к магии кернел-хакинга, нужно лишь соблюсти некоторые условности и совладать с ассемблером. В этой статье мы на пальцах разберем, как это сделать.
Привет, мир!
Давай напишем ядро, которое будет загружаться через GRUB на системах, совместимых с x86. Наше первое ядро будет показывать сообщение на экране и на этом останавливаться.
Как загружаются x86-машины
Прежде чем думать о том, как писать ядро, давай посмотрим, как компьютер загружается и передает управление ядру. Большинство регистров процессора x86 имеют определенные значения после загрузки. Регистр - указатель на инструкцию (EIP) содержит адрес инструкции, которая будет исполнена процессором. Его захардкоженное значение - это 0xFFFFFFF0. То есть x86-й процессор всегда будет начинать исполнение с физического адреса 0xFFFFFFF0. Это последние 16 байт 32-разрядного адресного пространства. Этот адрес называется «вектор сброса» (reset vector).
В карте памяти, которая содержится в чипсете, прописано, что адрес 0xFFFFFFF0 ссылается на определенную часть BIOS, а не на оперативную память. Однако BIOS копирует себя в оперативку для более быстрого доступа - этот процесс называется «шедоуинг» (shadowing), создание теневой копии. Так что адрес 0xFFFFFFF0 будет содержать только инструкцию перехода к тому месту в памяти, куда BIOS скопировала себя.
Итак, BIOS начинает исполняться. Сначала она ищет устройства, с которых можно загружаться в том порядке, который задан в настройках. Она проверяет носители на наличие «волшебного числа», которое отличает загрузочные диски от обычных: если байты 511 и 512 в первом секторе равны 0xAA55, значит, диск загрузочный.
Как только BIOS найдет загрузочное устройство, она скопирует содержимое первого сектора в оперативную память, начиная с адреса 0x7C00, а затем переведет исполнение на этот адрес и начнет исполнение того кода, который только что загрузила. Вот этот код и называется загрузчиком (bootloader).
Загрузчик загружает ядро по физическому адресу 0x100000. Именно он и используется большинством популярных ядер для x86.
Все процессоры, совместимые с x86, начинают свою работу в примитивном 16-разрядном режиме, которые называют «реальным режимом» (real mode). Загрузчик GRUB переключает процессор в 32-разрядный защищенный режим (protected mode), переводя нижний бит регистра CR0 в единицу. Поэтому ядро начинает загружаться уже в 32-битном защищенном режиме.
Заметь, что GRUB в случае с ядрами Linux выбирает соответствующий протокол загрузки и загружает ядро в реальном режиме. Ядра Linux сами переключаются в защищенный режим.
Что нам понадобится
- Компьютер, совместимый с x86 (очевидно),
- Linux,
- ассемблер NASM,
- ld (GNU Linker),
- GRUB.
Входная точка на ассемблере
Нам бы, конечно, хотелось написать все на C, но совсем избежать использования ассемблера не получится. Мы напишем на ассемблере x86 небольшой файл, который станет стартовой точкой для нашего ядра. Все, что будет делать ассемблерный код, - это вызывать внешнюю функцию, которую мы напишем на C, а потом останавливать выполнение программы.
Как сделать так, чтобы ассемблерный код стал стартовой точкой для нашего ядра? Мы используем скрипт для компоновщика (linker), который линкует объектные файлы и создает финальный исполняемый файл ядра (подробнее объясню чуть ниже). В этом скрипте мы напрямую укажем, что хотим, чтобы наш бинарный файл загружался по адресу 0x100000. Это адрес, как я уже писал, по которому загрузчик ожидает увидеть входную точку в ядро.
Вот код на ассемблере.
kernel.asm
bits 32 section .text global start extern kmain start: cli mov esp, stack_space call kmain hlt section .bss resb 8192 stack_space:Первая инструкция bits 32 - это не ассемблер x86, а директива NASM, сообщающая, что нужно генерировать код для процессора, который будет работать в 32-разрядном режиме. Для нашего примера это не обязательно, но указывать это явно - хорошая практика.
Вторая строка начинает текстовую секцию, также известную как секция кода. Сюда пойдет весь наш код.
global - это еще одна директива NASM, она объявляет символы из нашего кода глобальными. Это позволит компоновщику найти символ start , который и служит нашей точкой входа.
kmain - это функция, которая будет определена в нашем файле kernel.c . extern объявляет, что функция декларирована где-то еще.
Далее идет функция start , которая вызывает kmain и останавливает процессор инструкцией hlt . Прерывания могут будить процессор после hlt , так что сначала мы отключаем прерывания инструкцией cli (clear interrupts).
В идеале мы должны выделить какое-то количество памяти под стек и направить на нее указатель стека (esp). GRUB, кажется, это и так делает за нас, и на этот момент указатель стека уже задан. Однако на всякий случай выделим немного памяти в секции BSS и направим указатель стека на ее начало. Мы используем инструкцию resb - она резервирует память, заданную в байтах. Затем оставляется метка, указывающая на край зарезервированного куска памяти. Прямо перед вызовом kmain указатель стека (esp) направляется на эту область инструкцией mov .
Ядро на C
В файле kernel.asm мы вызвали функцию kmain() . Так что в коде на C исполнение начнется с нее.
kernel.c
void kmain(void) { const char *str = "my first kernel"; char *vidptr = (char*)0xb8000; unsigned int i = 0; unsigned int j = 0; while(j < 80 * 25 * 2) { vidptr[j] = " "; vidptr = 0x07; j = j + 2; } j = 0; while(str[j] != "\0") { vidptr[i] = str[j]; vidptr = 0x07; ++j; i = i + 2; } return; }Все, что будет делать наше ядро, - очищать экран и выводить строку my first kernel.
Первым делом мы создаем указатель vidptr, который указывает на адрес 0xb8000. В защищенном режиме это начало видеопамяти. Текстовая экранная память - это просто часть адресного пространства. Под экранный ввод-вывод выделен участок памяти, который начинается с адреса 0xb8000, - в него помещается 25 строк по 80 символов ASCII.
Каждый символ в текстовой памяти представлен 16 битами (2 байта), а не 8 битами (1 байтом), к которым мы привыкли. Первый байт - это код символа в ASCII, а второй байт - это attribute-byte . Это определение формата символа, в том числе - его цвет.
Чтобы вывести символ s зеленым по черному, нам нужно поместить s в первый байт видеопамяти, а значение 0x02 - во второй байт. 0 здесь означает черный фон, а 2 - зеленый цвет. Мы будем использовать светло-серый цвет, его код - 0x07.
В первом цикле while программа заполняет пустыми символами с атрибутом 0x07 все 25 строк по 80 символов. Это очистит экран.
Во втором цикле while символы строки my first kernel, оканчивающейся нулевым символом, записываются в видеопамять и каждый символ получает attribute-byte, равный 0x07. Это должно привести к выводу строки.
Компоновка
Теперь мы должны собрать kernel.asm в объектный файл с помощью NASM, а затем при помощи GCC скомпилировать kernel.c в другой объектный файл. Наша задача - слинковать эти объекты в исполняемое ядро, пригодное к загрузке. Для этого потребуется написать для компоновщика (ld) скрипт, который мы будем передавать в качестве аргумента.
link.ld
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386) ENTRY(start) SECTIONS { . = 0x100000; .text: { *(.text) } .data: { *(.data) } .bss: { *(.bss) } }Здесь мы сначала задаем формат (OUTPUT_FORMAT) нашего исполняемого файла как 32-битный ELF (Executable and Linkable Format), стандартный бинарный формат для Unix-образных систем для архитектуры x86.
ENTRY принимает один аргумент. Он задает название символа, который будет служить входной точкой исполняемого файла.
SECTIONS - это самая важная для нас часть. Здесь мы определяем раскладку нашего исполняемого файла. Мы можем определить, как разные секции будут объединены и куда каждая из них будет помещена.
В фигурных скобках, которые идут за выражением SECTIONS , точка означает счетчик позиции (location counter). Он автоматически инициализируется значением 0x0 в начале блока SECTIONS , но его можно менять, назначая новое значение.
Ранее я уже писал, что код ядра должен начинаться по адресу 0x100000. Именно поэтому мы и присваиваем счетчику позиции значение 0x100000.
Взгляни на строку.text: { *(.text) } . Звездочкой здесь задается маска, под которую подходит любое название файла. Соответственно, выражение *(.text) означает все входные секции.text во всех входных файлах.
В результате компоновщик сольет все текстовые секции всех объектных файлов в текстовую секцию исполняемого файла и разместит по адресу, указанному в счетчике позиции. Секция кода нашего исполняемого файла будет начинаться по адресу 0x100000.
После того как компоновщик выдаст текстовую секцию, значение счетчика позиции будет 0x100000 плюс размер текстовой секции. Точно так же секции data и bss будут слиты и помещены по адресу, который задан счетчиком позиции.
GRUB и мультизагрузка
Теперь все наши файлы готовы к сборке ядра. Но поскольку мы будем загружать ядро при помощи GRUB , остается еще один шаг.
Существует стандарт для загрузки разных ядер x86 с помощью бутлоадера. Это называется «спецификация мультибута ». GRUB будет загружать только те ядра, которые ей соответствуют.
В соответствии с этой спецификацией ядро может содержать заголовок (Multiboot header) в первых 8 килобайтах. В этом заголовке должно быть прописано три поля:
- magic - содержит «волшебное» число 0x1BADB002, по которому идентифицируется заголовок;
- flags - это поле для нас не важно, можно оставить ноль;
- checksum - контрольная сумма, должна дать ноль, если прибавить ее к полям magic и flags .
Наш файл kernel.asm теперь будет выглядеть следующим образом.
kernel.asm
bits 32 section .text ;multiboot spec align 4 dd 0x1BADB002 ;magic dd 0x00 ;flags dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;checksum global start extern kmain start: cli mov esp, stack_space call kmain hlt section .bss resb 8192 stack_space:Инструкция dd задает двойное слово размером 4 байта.
Собираем ядро
Итак, все готово для того, чтобы создать объектный файл из kernel.asm и kernel.c и слинковать их с применением нашего скрипта. Пишем в консоли:
$ nasm -f elf32 kernel.asm -o kasm.o
По этой команде ассемблер создаст файл kasm.o в формате ELF-32 bit. Теперь настал черед GCC:
$ gcc -m32 -c kernel.c -o kc.o
Параметр -c указывает на то, что файл после компиляции не нужно линковать. Мы это сделаем сами:
$ ld -m elf_i386 -T link.ld -o kernel kasm.o kc.o
Эта команда запустит компоновщик с нашим скриптом и сгенерирует исполняемый файл под названием kernel .
WARNING
Хакингом ядра лучше всего заниматься в виртуалке. Чтобы запустить ядро в QEMU вместо GRUB, используй команду qemu-system-i386 -kernel kernel .
Настраиваем GRUB и запускаем ядро
GRUB требует, чтобы название файла с ядром следовало конвенции kernel-<версия> . Так что переименовываем файл - я назову свой kernel-701 .
Теперь кладем ядро в каталог /boot . На это понадобятся привилегии суперпользователя.
В конфигурационный файл GRUB grub.cfg нужно будет добавить что-то в таком роде:
Title myKernel root (hd0,0) kernel /boot/kernel-701 ro
Не забудь убрать директиву hiddenmenu, если она прописана.
GRUB 2
Чтобы запустить созданное нами ядро в GRUB 2, который по умолчанию поставляется в новых дистрибутивах, твой конфиг должен выглядеть следующим образом:
Menuentry "kernel 701" { set root="hd0,msdos1" multiboot /boot/kernel-701 ro }
Благодарю Рубена Лагуану за это дополнение.
Перезагружай компьютер, и ты должен будешь увидеть свое ядро в списке! А выбрав его, ты увидишь ту самую строку.
Это и есть твое ядро!
Пишем ядро с поддержкой клавиатуры и экрана
Мы закончили работу над минимальным ядром, которое загружается через GRUB, работает в защищенном режиме и выводит на экран одну строку. Настала пора расширить его и добавить драйвер клавиатуры, который будет читать символы с клавиатуры и выводить их на экран.
Мы будем общаться с устройствами ввода-вывода через порты ввода-вывода. По сути, они просто адреса на шине ввода-вывода. Для операций чтения и записи в них существуют специальные процессорные инструкции.
Работа с портами: чтение и вывод
read_port: mov edx, in al, dx ret write_port: mov edx, mov al, out dx, al retДоступ к портам ввода-вывода осуществляется при помощи инструкций in и out , входящих в набор x86.
В read_port номер порта передается в качестве аргумента. Когда компилятор вызывает функцию, он кладет все аргументы в стек. Аргумент копируется в регистр edx при помощи указателя на стек. Регистр dx - это нижние 16 бит регистра edx . Инструкция in здесь читает порт, номер которого задан в dx , и кладет результат в al . Регистр al - это нижние 8 бит регистра eax . Возможно, ты помнишь из институтского курса, что значения, возвращаемые функциями, передаются через регистр eax . Таким образом, read_port позволяет нам читать из портов ввода-вывода.
Функция write_port работает схожим образом. Мы принимаем два аргумента: номер порта и данные, которые будут записаны. Инструкция out пишет данные в порт.
Прерывания
Теперь, прежде чем мы вернемся к написанию драйвера, нам нужно понять, как процессор узнает, что какое-то из устройств выполнило операцию.
Самое простое решение - это опрашивать устройства - непрерывно по кругу проверять их статус. Это по очевидным причинам неэффективно и непрактично. Поэтому здесь в игру вступают прерывания. Прерывание - это сигнал, посылаемый процессору устройством или программой, который означает, что произошло событие. Используя прерывания, мы можем избежать необходимости опрашивать устройства и будем реагировать только на интересующие нас события.
За прерывания в архитектуре x86 отвечает чип под названием Programmable Interrupt Controller (PIC). Он обрабатывает хардверные прерывания и направляет и превращает их в соответствующие системные прерывания.
Когда пользователь что-то делает с устройством, чипу PIC отправляется импульс, называемый запросом на прерывание (Interrupt Request, IRQ). PIC переводит полученное прерывание в системное прерывание и отправляет процессору сообщение о том, что пора остановить то, что он делает. Дальнейшая обработка прерываний - это задача ядра.
Без PIC нам бы пришлось опрашивать все устройства, присутствующие в системе, чтобы посмотреть, не произошло ли событие с участием какого-то из них.
Давай разберем, как это работает в случае с клавиатурой. Клавиатура висит на портах 0x60 и 0x64. Порт 0x60 отдает данные (когда нажата какая-то кнопка), а порт 0x64 передает статус. Однако нам нужно знать, когда конкретно читать эти порты.
Прерывания здесь приходятся как нельзя более кстати. Когда кнопка нажата, клавиатура отправляет PIC сигнал по линии прерываний IRQ1. PIС хранит значение offset , сохраненное во время его инициализации. Он добавляет номер входной линии к этому отступу, чтобы сформировать вектор прерывания. Затем процессор ищет структуру данных, называемую «таблица векторов прерываний» (Interrupt Descriptor Table, IDT), чтобы дать функции - обработчику прерывания адрес, соответствующий его номеру.
Затем код по этому адресу исполняется и обрабатывает прерывание.
Задаем IDT
struct IDT_entry{ unsigned short int offset_lowerbits; unsigned short int selector; unsigned char zero; unsigned char type_attr; unsigned short int offset_higherbits; }; struct IDT_entry IDT; void idt_init(void) { unsigned long keyboard_address; unsigned long idt_address; unsigned long idt_ptr; keyboard_address = (unsigned long)keyboard_handler; IDT.offset_lowerbits = keyboard_address & 0xffff; IDT.selector = 0x08; /* KERNEL_CODE_SEGMENT_OFFSET */ IDT.zero = 0; IDT.type_attr = 0x8e; /* INTERRUPT_GATE */ IDT.offset_higherbits = (keyboard_address & 0xffff0000) >> 16; write_port(0x20 , 0x11); write_port(0xA0 , 0x11); write_port(0x21 , 0x20); write_port(0xA1 , 0x28); write_port(0x21 , 0x00); write_port(0xA1 , 0x00); write_port(0x21 , 0x01); write_port(0xA1 , 0x01); write_port(0x21 , 0xff); write_port(0xA1 , 0xff); idt_address = (unsigned long)IDT ; idt_ptr = (sizeof (struct IDT_entry) * IDT_SIZE) + ((idt_address & 0xffff) << 16); idt_ptr = idt_address >> 16 ; load_idt(idt_ptr); }IDT - это массив, объединяющий структуры IDT_entry. Мы еще обсудим привязку клавиатурного прерывания к обработчику, а сейчас посмотрим, как работает PIC.
Современные системы x86 имеют два чипа PIC, у каждого восемь входных линий. Будем называть их PIC1 и PIC2. PIC1 получает от IRQ0 до IRQ7, а PIC2 - от IRQ8 до IRQ15. PIC1 использует порт 0x20 для команд и 0x21 для данных, а PIC2 - порт 0xA0 для команд и 0xA1 для данных.
Оба PIC инициализируются восьмибитными словами, которые называются «командные слова инициализации» (Initialization command words, ICW).
В защищенном режиме обоим PIC первым делом нужно отдать команду инициализации ICW1 (0x11). Она сообщает PIC, что нужно ждать еще трех инициализационных слов, которые придут на порт данных.
Эти команды передадут PIC:
- вектор отступа (ICW2),
- какие между PIC отношения master/slave (ICW3),
- дополнительную информацию об окружении (ICW4).
Вторая команда инициализации (ICW2) тоже шлется на вход каждого PIC. Она назначает offset , то есть значение, к которому мы добавляем номер линии, чтобы получить номер прерывания.
PIC разрешают каскадное перенаправление их выводов на вводы друг друга. Это делается при помощи ICW3, и каждый бит представляет каскадный статус для соответствующего IRQ. Сейчас мы не будем использовать каскадное перенаправление и выставим нули.
ICW4 задает дополнительные параметры окружения. Нам нужно определить только нижний бит, чтобы PIC знали, что мы работаем в режиме 80x86.
Та-дам! Теперь PIC проинициализированы.
У каждого PIC есть внутренний восьмибитный регистр, который называется «регистр масок прерываний» (Interrupt Mask Register, IMR). В нем хранится битовая карта линий IRQ, которые идут в PIC. Если бит задан, PIC игнорирует запрос. Это значит, что мы можем включить или выключить определенную линию IRQ, выставив соответствующее значение в 0 или 1.
Чтение из порта данных возвращает значение в регистре IMR, а запись - меняет регистр. В нашем коде после инициализации PIC мы выставляем все биты в единицу, чем деактивируем все линии IRQ. Позднее мы активируем линии, которые соответствуют клавиатурным прерываниям. Но для начала все же выключим!
Если линии IRQ работают, наши PIC могут получать сигналы по IRQ и преобразовывать их в номер прерывания, добавляя офсет. Нам же нужно заполнить IDT таким образом, чтобы номер прерывания, пришедшего с клавиатуры, соответствовал адресу функции-обработчика, которую мы напишем.
На какой номер прерывания нам нужно завязать в IDT обработчик клавиатуры?
Клавиатура использует IRQ1. Это входная линия 1, ее обрабатывает PIC1. Мы проинициализировали PIC1 с офсетом 0x20 (см. ICW2). Чтобы получить номер прерывания, нужно сложить 1 и 0x20, получится 0x21. Значит, адрес обработчика клавиатуры будет завязан в IDT на прерывание 0x21.
Задача сводится к тому, чтобы заполнить IDT для прерывания 0x21. Мы замапим это прерывание на функцию keyboard_handler , которую напишем в ассемблерном файле.
Каждая запись в IDT состоит из 64 бит. В записи, соответствующей прерыванию, мы не сохраняем адрес функции-обработчика целиком. Вместо этого мы разбиваем его на две части по 16 бит. Нижние биты сохраняются в первых 16 битах записи в IDT, а старшие 16 бит - в последних 16 битах записи. Все это сделано для совместимости с 286-ми процессорами. Как видишь, Intel выделывает такие номера на регулярной основе и во многих-многих местах!
В записи IDT нам осталось прописать тип, обозначив таким образом, что все это делается, чтобы отловить прерывание. Еще нам нужно задать офсет сегмента кода ядра. GRUB задает GDT за нас. Каждая запись GDT имеет длину 8 байт, где дескриптор кода ядра - это второй сегмент, так что его офсет составит 0x08 (подробности не влезут в эту статью). Гейт прерывания представлен как 0x8e. Оставшиеся в середине 8 бит заполняем нулями. Таким образом, мы заполним запись IDT, которая соответствует клавиатурному прерыванию.
Когда с маппингом IDT будет покончено, нам надо будет сообщить процессору, где находится IDT. Для этого существует ассемблерная инструкция lidt, она принимает один операнд. Им служит указатель на дескриптор структуры, которая описывает IDT.
С дескриптором никаких сложностей. Он содержит размер IDT в байтах и его адрес. Я использовал массив, чтобы вышло компактнее. Точно так же можно заполнить дескриптор при помощи структуры.
В переменной idr_ptr у нас есть указатель, который мы передаем инструкции lidt в функции load_idt() .
Load_idt: mov edx, lidt sti ret
Дополнительно функция load_idt() возвращает прерывание при использовании инструкции sti .
Заполнив и загрузив IDT, мы можем обратиться к IRQ клавиатуры, используя маску прерывания, о которой мы говорили ранее.
Void kb_init(void) { write_port(0x21 , 0xFD); }
0xFD - это 11111101 - включаем только IRQ1 (клавиатуру).
Функция - обработчик прерывания клавиатуры
Итак, мы успешно привязали прерывания клавиатуры к функции keyboard_handler , создав запись IDT для прерывания 0x21. Эта функция будет вызываться каждый раз, когда ты нажимаешь на какую-нибудь кнопку.
Keyboard_handler: call keyboard_handler_main iretd
Эта функция вызывает другую функцию, написанную на C, и возвращает управление при помощи инструкций класса iret. Мы могли бы тут написать весь наш обработчик, но на C кодить значительно легче, так что перекатываемся туда. Инструкции iret/iretd нужно использовать вместо ret , когда управление возвращается из функции, обрабатывающей прерывание, в программу, выполнение которой было им прервано. Этот класс инструкций поднимает флаговый регистр, который попадает в стек при вызове прерывания.
Void keyboard_handler_main(void) { unsigned char status; char keycode; /* Пишем EOI */ write_port(0x20, 0x20); status = read_port(KEYBOARD_STATUS_PORT); /* Нижний бит статуса будет выставлен, если буфер не пуст */ if (status & 0x01) { keycode = read_port(KEYBOARD_DATA_PORT); if(keycode < 0) return; vidptr = keyboard_map; vidptr = 0x07; } }
Здесь мы сначала даем сигнал EOI (End Of Interrupt, окончание обработки прерывания), записав его в командный порт PIC. Только после этого PIC разрешит дальнейшие запросы на прерывание. Нам нужно читать два порта: порт данных 0x60 и порт команд (он же status port) 0x64.
Первым делом читаем порт 0x64, чтобы получить статус. Если нижний бит статуса - это ноль, значит, буфер пуст и данных для чтения нет. В других случаях мы можем читать порт данных 0x60. Он будет выдавать нам код нажатой клавиши. Каждый код соответствует одной кнопке. Мы используем простой массив символов, заданный в файле keyboard_map.h , чтобы привязать коды к соответствующим символам. Затем символ выводится на экран при помощи той же техники, что мы применяли в первой версии ядра.
Чтобы не усложнять код, я здесь обрабатываю только строчные буквы от a до z и цифры от 0 до 9. Ты с легкостью можешь добавить спецсимволы, Alt, Shift и Caps Lock. Узнать, что клавиша была нажата или отпущена, можно из вывода командного порта и выполнять соответствующее действие. Точно так же можешь привязать любые сочетания клавиш к специальным функциям вроде выключения.
Теперь ты можешь собрать ядро, запустить его на реальной машине или на эмуляторе (QEMU) так же, как и в первой части.
Что нужно знать, чтобы написать операционную систему
Создание операционной системы - одна из сложнейших задач в программировании, поскольку требует обширных и комплексных знаний о работе компьютера. Каких именно? Разбираемся ниже.
Что такое ОС
Операционная система (ОС) - это программное обеспечение, которое работает с компьютерным железом и его ресурсами и является мостом между аппаратной и программной частью компьютера.
Компьютеры первого поколения не имели операционных систем. Программы на первых ЭВМ включали в себя код для непосредственной работы системы, связи с периферийными устройствами и вычислений, для выполнения которых эта программа и писалась. Из-за такого расклада даже простые по логике работы программы были сложны в программной реализации.
По мере того как компьютеры становились более разнообразными и сложными, писать программы, которые работали и как ОС, и как приложение, стало попросту неудобно. Поэтому, чтобы программы было легче писать, владельцы компьютеров начали разрабатывать программное обеспечение. Так и появились операционные системы.
ОС предоставляет всё необходимое для работы пользовательских программ. Их появление означало, что теперь программам не нужно контролировать весь объём работ компьютера (это отличный пример инкапсуляции). Теперь программам нужно было работать именно с операционной системой, а система уже сама заботилась о ресурсах и работе с периферией (клавиатура, принтер).
Кратко об истории операционных систем
Язык Cи
Как уже упоминалось выше, для написания ОС есть несколько высокоуровневых языков программирования. Однако самый популярный из них - Си.
Начать изучать этот язык можно отсюда . Этот ресурс ознакомит вас с базовыми понятиями и подготовит к более сложным задачам.
«Learn C the Hard Way » - название ещё одной книги. Кроме привычной теории в ней собрано много практических решений. Этот учебник расскажет обо всех аспектах языка.
Либо же можете выбрать одну из этих книг:
- «The C Programming Language » Кернигхана и Ритчи;
- «C Programming Absolute Beginner’s Guide » Пэрри и Миллера.
Разработка ОС
После освоения всего необходимого, что касается информатики, языка ассемблера и Cи, вам стоит прочесть хотя бы одну или две книги про непосредственную разработку ОС. Вот несколько ресурсов для этого:
«Linux From Scratch ». Здесь рассматривается процесс сборки операционной системы Linux (учебник переведён на много языков, в том числе и на русский). Тут, как и в остальных учебниках, вам предоставят все необходимые базовые знания. Полагаясь на них можно попробовать себя в создании ОС. Чтобы сделать программную часть ОС более профессиональной, присутствуют дополнения к учебнику: «
