Как создать свою ос

Как создать свою операционную систему с нуля

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 может быть 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 одном из наших материалов.
• Разберётесь, как проводить отладку программы прямо на железе с GDB и QEMU.

Если читать целую книгу у вас нет времени, но вы хотите получить краткий экскурс, прочтите две наших статьи, посвященных созданию ядра для собственной ОС: часть 1 и часть 2.

Что рекомендуется знать перед прочтением книги:

• Язык программирования C. Быстро освоить его можно, следуя нашему руководству.
• Базовые знания Linux. Достаточно изучить соответствующую рубрику 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, опубликована на GitHub и также со временем улучшается.

Пишем свою операционную систему. Давай напишем ядро! Создаем простейшее рабочее ядро операционной системы. Что нам понадобится

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.

Сразу говорю, не закрывайте статью с мыслями «Блин, еще один Попов». У него всего-то слизанная Ubuntu, а у меня все с нуля, включая ядро и приложения. Итак, продолжение под катом.

Группа ОС: вот .
Сначала я кину вам один скриншот.

Больше их нет, а теперь поподробнее о том, зачем я ее пишу.

Был теплый апрельский вечер, четверг. Я еще с детства мечтал написать ОС, как вдруг подумал: «Я же теперь знаю плюсы и асм, чего бы не воплотить мою мечту?». Загуглил сайты по этой тематике и нашел статью с Хабра: «Как начать и не бросить писать ОС «. Спасибо ее автору за ссылку на OSDev Wiki внизу. Я зашел туда и начал работу. Там были в одной статье все данные о минимальной ОС. Я начал собирать кросс-gcc и binutils, а потом все переписал оттуда. Видели вы бы мою радость, когда я увидел надпись «Hello, kernel World!» Я прямо со стула подпрыгнул и понял — я не сдамся. Я написал «консоль» (в кавычках, у меня не было доступа к клавиатуре), но потом решил написать оконную систему. В итоге она заработала, но доступа к клавиатуре у меня не было. А потом я решил придумать название, опираясь на X Window System. Загуглил Y Window System — она есть. В итоге назвал Z Window System 0.1, входящая в OS365 pre-alpha 0.1. И да, ее не видел никто, кроме меня самого. Потом я понял, как реализовать поддержку клавиатуры. Скрин самой первой версии, когда еще не было ничего, даже оконной системы:

В ней даже не двигался курсор текста, как вы видите. Затем я написал парочку простых приложений на основе Z. И вот релиз 1.0.0 alpha. Там были много вещей, даже меню системы. А файловый менеджер и калькулятор просто не работали.

Меня прямо терроризировал друг, которому важны одни красивости (Митрофан, сорри). Говорил «Запили VBE-режим 1024*768*32, запили, запили! Ну запили!». Ну я уже устал его выслушивать и все-таки запилил его. О реализации ниже.

Я сделал все моим загрузчиком, а именно GRUB»ом. С его помощью можно задать графический режим без осложнений путем добавления нескольких магических строчек в заголовок Multiboot.

Set ALIGN, 1 «, 0 load_fail_msg db 13, 10, «Not found!», 0 user_input times 256 db 0 file_list times 1024 db 0 %include «lib.asm»

Перед рассмотрением кода следует обратить внимание на последнюю строку с директивой подключения файла исходного кода lib.asm , который также находится в архиве asmschool.zip с нашего веб-сайта. Это библиотека полезных подпрограмм для работы с экраном, клавиатурой, строками и дисками, которые вы также можете использовать — в данном случае мы подключаем этот файл исходного кода в самом конце основного файла исходного кода ядра операционной системы для того, чтобы сделать последний максимально компактным и красивым. Обратитесь к разделу «Подпрограммы библиотеки lib.asm» для получения дополнительной информации обо всех доступных подпрограммах.

В первых трех строках кода ядра операционной системы мы осуществляем заполнение регистров сегментов данными для указания на сегмент 2000, в который была осуществлена загрузка бинарного кода. Это важно для гарантированной корректной работы таких инструкций, как lodsb , которые должны читать данные из текущего сегмента, а не из какого-либо другого. После этого мы не будем выполнять каких-либо дополнительных операций с сегментами; наша операционная система будет работать с 64 Кб оперативной памяти!

Далее в коде расположена метка, соответствующая началу цикла. В первую очередь мы используем одну из подпрограмм из библиотеки lib.asm , а именно lib_print_string , для вывода приветствия. Байты 13 и 10 перед строкой приветствия являются символами перехода на новую строку, благодаря которым приветствие будет выводиться не сразу же после вывода какой-либо программы, а всегда на новой строке.

После этого мы используем другую подпрограмму из библиотеки lib.asm под названием lib_input_string , которая принимает введенные пользователем с помощью клавиатуры символы и сохраняет их в буфере, указатель на который находится в регистре SI. В нашем случае буфер объявляется ближе к концу кода ядра операционной системы следующим образом:

User_input times 256 db 0

Данное объявление позволяет создать буфер длиной в 256 символов, заполненный нулями — его длины должно быть достаточно для хранения команд такой простой операционной системы, как наша!

Далее мы выполняем проверку пользовательского ввода. Если первый байт буфера user_input является нулевым, то пользователь просто нажал клавишу Enter, не вводя какой-либо команды; не забывайте о том, что все строки оканчиваются нулевыми символами. Таким образом, в данном случае мы должны просто перейти к началу цикла и снова вывести приветствие. Однако, в том случае, если пользователь вводит какую-либо команду, нам придется сначала проверить, не ввел ли он команду ls . До текущего момента вы могли наблюдать в наших программах на языке ассемблера лишь сравнения отдельных байт, но не стоит забывать о том, что также имеется возможность осуществления сравнения двухбайтовых значений или машинных слов. В данном коде мы сравниваем первое машинное слово из буфера user_input с машинным словом, соответствующим строке ls и в том случае, если они идентичны, перемещаемся к расположенному ниже блоку кода. В рамках этого блока кода мы используем другую подпрограмму из библиотеки lib.asm для получения разделенного запятыми списка расположенных на диске файлов (для хранения которого должен использоваться буфер file_list), выводим этот список на экран и перемещаемся назад в цикл для обработки пользовательского ввода.

Исполнение сторонних программ

Если пользователь не вводит команду ls , мы предполагаем, что он ввел имя программы с диска, поэтому имеет смысл попытаться загрузить ее. Наша библиотека lib.asm содержит реализацию полезной подпрограммы lib_load_file , которая осуществляет разбор таблиц файловой системы FAT12 диска: она принимает указатель на начало строки с именем файла посредством регистра AX , а также значение смещения для загрузки бинарного кода из файла программы посредством регистра CX . Мы уже используем регистр SI для хранения указателя на строку с пользовательским вводом, поэтому мы копируем этот указатель в регистр AX , после чего помещаем значение 32768, используемое в качестве смещения для загрузки бинарного кода из файла программы, в регистр CX .

Но почему мы используем именно это значение в качестве смещения для загрузки бинарного кода из файла программы? Ну, это просто один из вариантов карты распределения памяти для нашей операционной системы. Из-за того, что мы работаем в одном сегменте размером в 64 Кб, а бинарный код нашего ядра загружен со смещением 0, нам приходится использовать первые 32 Кб памяти для данных ядра, а остальные 32 Кб — для данных загружаемых программ. Таким образом, смещение 32768 является серединой нашего сегмента и позволяет предоставить достаточный объем оперативной памяти как ядру операционной системы, так и загружаемым программам.

После этого подпрограмма lib_load_file выполняет крайне важную операцию: если она не может найти файл с заданным именем на диске или по какой-то причине не может считать его с диска, она просто завершает работу и устанавливает специальный флаг переноса (carry flag). Это флаг состояния центрального процессора, который устанавливается в процессе выполнения некоторых математических операций и в данный момент не должен нас интересовать, но при этом мы можем определять наличие этого флага для принятия быстрых решений. Если подпрограмма lib_load_asm устанавливает флаг переноса, мы задействуем инструкцию jc (переход при наличии флага переноса — jump if carry) для перехода к блоку кода, в рамках которого осуществляется вывод сообщения об ошибке и возврат в начало цикла обработки пользовательского ввода.

В том же случае, если флаг переноса не установлен, можно сделать вывод, что подпрограмма lib_load_asm успешно загрузила бинарный код из файла программы в оперативную память по адресу 32768. Все что нам нужно в этом случае — это инициировать исполнение бинарного кода, загруженного по этому адресу, то есть начать исполнение указанной пользователем программы! А после того, как в этой программе будет использована инструкция ret (для возврата в вызывающий код), мы должны будем просто вернуться в цикл обработки пользовательского ввода. Таким образом мы создали операционную систему: она состоит из простейших механизмов разбора команд и загрузки программ, реализованных в рамках примерно 40 строк ассемблерного кода, хотя и с большой помощью со стороны подпрограмм из библиотеки lib.asm .

Для ассемблирования кода ядра операционной системы следует использовать следующую команду:

Nasm -f bin -o mykernel.bin mykernel.asm

После этого нам придется каким-то образом добавить файл mykernel.bin в файл образа флоппи-диска. Если вы знакомы с приемом монтирования образов дисков с помощью loopback-устройств, вы можете получить доступ к содержимому образа диска floppy.img , воспользовавшись им, но существует и более простой способ, заключающийся в использовании инструментария GNU Mtools (www.gnu.org/software/mtools). Это набор программ для работы с флоппи-дисками, на которых используются файловые системы MS-DOS/FAT12, доступный из репозиториев пакетов программного обеспечения всех популярных дистрибутивов Linux, поэтому вам придется лишь воспользоваться утилитой apt-get , yum , pacman или любой другой утилитой, используемой для установки пакетов программного обеспечения в вашем дистрибутиве.

После установки соответствующего пакета программного обеспечения для добавления файла mykernel.bin в файл образа диска floppy.img вам придется выполнить следующую команду:

Mcopy -i floppy.img mykernel.bin::/

Обратите внимание на забавные символы в конце команды: двоеточие, двоеточие и слэш. Теперь мы почти готовы запуску нашей операционной системы, но какой в этом смысл, пока для нее не существует приложений? Давайте исправим это недоразумение, разработав крайне простое приложение. Да, сейчас вы будете разрабатывать приложение для своей собственной операционной системы — просто представьте, насколько поднимется ваш авторитет в рядах гиков. Сохраните следующий код в файле с именем test.asm:

Org 32768 mov ah, 0Eh mov al, «X» int 10h ret

Данный код просто использует функцию BIOS для вывода символа «X» на экран, после чего возвращает управление вызвавшему его коду — в нашем случае этим кодом является код операционной системы. Строка org , с которой начинается исходный код приложения, является не инструкцией центрального процессора, а директивой ассемблера NASM, сообщающей ему о том, что бинарный код будет загружен в оперативную память со смещением 32768, следовательно, необходимо пересчитать все смещения с учетом данного обстоятельства.

Данный код также нуждается в ассемблировании, а получившийся в итоге бинарный файл — в добавлении в файл образа флоппи-диска:

Nasm -f bin -o test.bin test.asm mcopy -i floppy.img test.bin::/

Теперь глубоко вздохните, приготовьтесь к созерцанию непревзойденных результатов собственной работы и загрузите образ флоппи-диска с помощью эмулятора ПК, такого, как Qemu или VirtualBox. Например, для этой цели может использоваться следующая команда:

Qemu-system-i386 -fda floppy.img

Вуаля: системный загрузчик boot.img , который мы интегрировали в первый сектор образа диска, загружает ядро операционной системы mykernel.bin , которое выводит приветствие. Введите команду ls для получения имен двух файлов, расположенных на диске (mykernel.bin и test.bin), после чего введите имя последнего файла для его исполнения и вывода символа X на экран.

Это круто, не правда ли? Теперь вы можете начать дорабатывать командную оболочку вашей операционной системы, добавлять реализации новых команд, а также добавлять файлы дополнительных программ на диск. Если вы желаете запустить данную операционную систему на реальном ПК, вам стоит обратиться к разделу «Запуск системного загрузчика на реальной аппаратной платформе» из предыдущей статьи серии — вам понадобятся точно такие же команды. В следующем месяце мы сделаем нашу операционную систему более мощной, позволив загружаемым программам использовать системные функции и реализовав таким образом концепцию разделения кода, направленную на сокращение его дублирования. Большая часть работы все еще впереди.

Подпрограммы библиотеки lib.asm

Как говорилось ранее, библиотека lib.asm предоставляет большой набор полезных подпрограмм для использования в рамках ваших ядер операционных систем и отдельных программ. Некоторые из них используют инструкции и концепции, которые пока не затрагивались в статьях данной серии, другие (такие, как подпрограммы для работы с дисками) тесно связаны с особенностями устройства файловых систем, но если вы считаете себя компетентным в данных вопросах, вы можете самостоятельно ознакомиться с их реализациями и разобраться в принципе работы. При этом более важно разобраться с тем, как вызывать их из собственного кода:

• lib_print_string — принимает указатель на завершающуюся нулевым символом строку посредством регистра SI и выводит эту строку на экран.
• lib_input_string — принимает указатель на буфер посредством регистра SI и заполняет этот буфер символами, введенными пользователем с помощью клавиатуры. После того, как пользователь нажимает клавишу Enter, строка в буфере завершается нулевым символом и управление возвращается коду вызывающей программы.
• lib_move_cursor — перемещает курсор на экране в позицию с координатами, передаваемыми посредством регистров DH (номер строки) и DL (номер столбца).
• lib_get_cursor_pos — следует вызывать данную подпрограмму для получения номеров текущей строки и столбца посредством регистров DH и DL соответственно.
• lib_string_uppercase — принимает указатель на начало завершающейся нулевым символом строки посредством регистра AX и переводит символы строки в верхний регистр.
• lib_string_length — принимает указатель на начало завершающейся нулевым символом строки посредством регистра AX и возвращает ее длину посредством регистра AX .
• lib_string_compare — принимает указатели на начала двух завершающихся нулевыми символами строк посредством регистров SI и DI и сравнивает эти строки. Устанавливает флаг переноса в том случае, если строки идентичны (для использования инструкции перехода в зависимости от флага переноса jc) или убирает этот флаг, если строки различаются (для использования инструкции jnc).
• lib_get_file_list — принимает указатель на начало буфера посредством регистра SI и помещает в этот буфер завершающуюся нулевым символом строку, содержащую разделенный запятыми список имен файлов с диска.
• lib_load_file — принимает указатель на начало строки, содержащей имя файла, посредством регистра AX и загружает содержимое файла по смещению, переданному посредством регистра CX . Возвращает количество скопированных в память байт (то есть, размер файла) посредством регистра BX или устанавливает флаг переноса, если файл с заданным именем не найден.

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.

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:

1. 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:
2. 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.
3. 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.

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 yasm . Он есть в большинстве репозиториев Linux. Программу можно откомпилировать следующим образом:

$ yasm -f bin -o hello.bin hello.asm

Полученный файл hello.bin нужно записать в зарузочный сектор дискеты. Делается это примерно так (разумеется, вместо fd нужно подставить имя своего дисковода).

$ dd if=hello.bin of=/dev/fd

Поскольку далеко не у всех остались дисководы и дискеты, можно воспользоваться виртуальной машиной, например, qemu или VirtualBox . Для этого придётся сделать образ дискеты с нашим загрузчиком и вставить его в «виртуальный дисковод».
Создаём образ диска и заполняем его нулями:

$ dd if=/dev/zero of=disk.img bs=1024 count=1440

Записываем в самое начало образа нашу программу:
$ dd if=hello.bin of=disk.img conv=notrunc

Запускаем полученный образ в qemu:
$ qemu -fda disk.img -boot a

После запуска вы должны увидеть окошко qemu с радостной строчкой «Hello World!». На этом первая статья заканчивается. Будем рады увидеть ваши отзывы и пожелания.

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: «

Как создать свою операционную систему для телефона самостоятельно?

Чтобы понять, как создать свою операционную систему для телефона, нужно быть основательно подготовленным. Ведь операционная система для смартфона входит в область сложнейших задач по программированию, так как требует довольно обширных знаний, связанных не только с конкретным языком программирования.

Как создать свою операционную систему для телефона

Операционная система для телефона — это комплексное программное обеспечение, работающее непосредственно с системными ресурсами телефона, плю с является связующим звеном между телефоном и его пользователем. ОС полностью контролирует работу устройства, поэтому любая написанная программа пишется не под конкретное устройство, а под конкретную ОС.

Из чего состоит ОС телефона

1. Ядро — это «сердечная мышца» любой ОС, которая всегда запускается первой при включении устройства. Именно ядро манипулирует системными ресурсами телефона.
2. Системный софт — это программы, которые работают «над ядром». Они очень важны для самого ядра, потому что обеспечивают эффективную связь между ядром и приложениями пользователя. В такой софт входят драйвер, файловая система, программы для работы с сетью, системные утилиты и др.

• браузер ;
• аудиоплеер ;
• блокнот ;
• книга контактов ;
• мессенджеры ;
• и др.

Что необходимо знать, чтобы создать свою операционную систему для телефона

1. Основы информатики. Сюда входит понимание таких вещей , как: алгоритмы, структуры данных, сортировка, манипулирование данными, абстрактное программировани е и мн. др.
2. Английский язык на хорошем уровне. На русском языке очень мало технической документации по созданию операционных систем для телефонов — в основном все на английском. Это же касается и сообществ, которые могут вам помочь — все это только на английском. Помимо английского для общени я важен технический английский, чтобы вы могли понимать о чем идет речь в документации, а также правильно формулировать свои вопросы в сообществах.
3. Язык программирования. Большинство операционных систем используют язык программирования С или С++, поэтому знать эти языки нужно будет в любом случае. Даже если решите создавать свою ОС на другом языке , примеры в документации и большинство готовых фрагментов кода будут именно на этом языке.
4. Ассемблер. Даже если вы будете писать свою ОС на языке высокого уровня, то местами вам все равно придется применять Ассемблер, поэтому понимание и основы этого языка обязательны.
5. Опыт в программировании. Если создание своей операционной системы для телефона — это первый ваш проект, то это довольно плохая идея. Вам кроме самого языка программирования нужно еще понимать как осуществляется контроль версий, отладка, оптимизация кода и мн. др.
6. Много практики на языке, который хотите применять для создания сво е й операционной системы. Язык не должен быть для вас чем-то новым. Необходимо знать его тонкости и особенности, поэтому на этом языке у вас должно быть реализовано несколько успешных проектов.
7. Понимание UNIX. Начав работу над свое й операционной системой для телефон а, вы очень быстро осознаете, что основной инструмент создания ОС тянется еще с UNIX-систем, а за основу ОС очень часто берется ядро Linux.
8. Концепция операционных систем. Вы должны в общем понимать, как с технической стороны работают операционные системы на телефонах.
9. И др.

Разработка операционной системы для телефона

1. « Linux From Scratch ». Это полноценный учебник по сборке операционных систем Linux. Да, там описываются компьютерные операционные системы, но с технической стороны и мобильна я, и компьютерная ОС работают практически одинаково.
2. «The little book about OS development» . Еще одна книга о разработке операционных систем для компьютера с самого начала — с установки IDE и до самого конца — до запуска ОС.

Заключение

Как разработать свою операционную систему для телефона? Нужно основательно подготовит ь ся и быть готовым к очень продолжительной работе над своим программным продуктом. Разработка собственной ОС для телефона — это очень сложная задача, но даже она посильна, если есть должное желание и упорство для мотивации к работе.

Мы будем очень благодарны

если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.

Saved searches

Use saved searches to filter your results more quickly

Cancel Create saved search

You signed in with another tab or window. Reload to refresh your session. You signed out in another tab or window. Reload to refresh your session. You switched accounts on another tab or window. Reload to refresh your session.

Пишем свою собственную операционную систему с нуля (bootloader + tiny kernel)

thedenisnikulin/os-project

This commit does not belong to any branch on this repository, and may belong to a fork outside of the repository.

Switch branches/tags
Branches Tags
Could not load branches
Nothing to show
Could not load tags
Nothing to show

Name already in use

A tag already exists with the provided branch name. Many Git commands accept both tag and branch names, so creating this branch may cause unexpected behavior. Are you sure you want to create this branch?

Cancel Create

• Local
• Codespaces

HTTPS GitHub CLI
Use Git or checkout with SVN using the web URL.
Work fast with our official CLI. Learn more about the CLI.

Sign In Required

Please sign in to use Codespaces.

Launching GitHub Desktop

If nothing happens, download GitHub Desktop and try again.

Launching GitHub Desktop

If nothing happens, download GitHub Desktop and try again.

Launching Xcode

If nothing happens, download Xcode and try again.

Launching Visual Studio Code

Your codespace will open once ready.

There was a problem preparing your codespace, please try again.

Latest commit

Git stats

Files

Failed to load latest commit information.

Latest commit message
Commit time
July 11, 2021 20:43
November 19, 2020 10:28
November 4, 2020 18:47
September 7, 2020 00:31
November 27, 2020 12:04

README.md

Пишем свою собственную операционную систему с нуля!

Идея написать ОС возникла у меня в процессе поиска идеи для сайд-проекта. Это исключительно хобби-проект, не рассчитанный на серьезность и достоверность, и хотя я пытался объяснить многие новые и неочевидные концепты, с которыми я столкнулся в процессе разработки, я мог что-то упустить, так как я сам только учусь — именно поэтому я настоятельно рекомендую пользоваться гуглом и любыми другими источниками информации когда вы познакомитесь с чем-то новым в гайде. Гуглите абсолютно всё. Я серьезно.

**Prerequisites: **Для комфортного прохождения гайда нужно уметь программировать на языке Си на базовом уровне (одно из обязательных требований: понимать принципы работы с указателями), иметь опыт разработки на высокоуровневых ЯП. С синтаксисом ассемблера можно ознакомиться по ссылке ниже, но все же рекомендую побольше почитать или посмотреть по нему туториалов.

Навигация по репозиторию

— гайд с последовательными уроками, теорией и задокументированным кодом

• Гайд разделен на главы, например 00-BOOT-SECTOR
• Главы разделены на упражнения, например ex00
• Упражнения содержат в себе код и теорию. Выглядят как main.asm

— исходный код ОС

Установка и запуск

1. Установить эмулятор QEMU (подробнее: https://www.qemu.org/download/)

sudo apt install qemu-kvm qemu 

1. Собрать кросс-компилятор gcc для i386 архитектуры процессора. Удобнее использовать готовый отсюда: https://wiki.osdev.org/GCC_Cross-Compiler#Prebuilt_Toolchains. Для компьютеров на Linux с x86_64 архитектурой:

wget http://newos.org/toolchains/i386-elf-4.9.1-Linux-x86_64.tar.xz mkdir /usr/local/i386elfgcc tar -xf i386-elf-4.9.1-Linux-x86_64.tar.xz -C /usr/local/i386elfgcc --strip-components=1 export PATH=$PATH:/usr/local/i386elfgcc/bin 

1. Клонировать и собрать проект

git clone https://github.com/thedenisnikulin/os-project cd os-project/src/build make 

1. Запустить образ ОС с помощью эмулятора

qemu-system-i386 -fda os-image.bin 

Справочник по синтаксису ассемблера NASM

Ссылки на полезный материал которым я пользовался в качестве теории.

• Серия статей о ядре Linux и его внутреннем устройстве: https://github.com/proninyaroslav/linux-insides-ru
• Статья «Давай напишем ядро!»: https://xakep.ru/2018/06/18/lets-write-a-kernel/

• Небольшая книга по разработке собственной ОС (70 страниц): https://www.cs.bham.ac.uk/~exr/lectures/opsys/10_11/lectures/os-dev.pdf
• Общее введене в разработку операционных систем: https://wiki.osdev.org/Getting_Started
• Туториал по разработке ядра операционной системы для 32-bit x86 архитектуры. Первые шаги в создании собсвтенной ОС: https://wiki.osdev.org/Bare_Bones
• Продолжение предыдущего туториала: https://wiki.osdev.org/Meaty_Skeleton
• Про загрузку ОС (booting): https://wiki.osdev.org/Boot_Sequence
• Список туториалов по написанию ядра и модулей к ОС: https://wiki.osdev.org/Tutorials
• Внушительных размеров гайд по разработке ОС с нуля: http://www.brokenthorn.com/Resources/OSDevIndex.html
• Книга, описывающая ОС xv6 (не особо вникал, но должно быть что-то годное): https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv-book, сама ОС: https://github.com/mit-pdos/xv6-public
• «Небольшая книга о разработке операционных систем» https://littleosbook.github.io/
• Операционная система от 0 до 1 (книга): https://github.com/tuhdo/os01
• ОС, написанная как пример для предыдущей книги: https://github.com/tuhdo/sample-os
• Интересная статья про программирование модулей для Линукса и про системное программирование https://jvns.ca/blog/2014/09/18/you-can-be-a-kernel-hacker/
• Еще одна статья от автора предыдущей https://jvns.ca/blog/2014/01/04/4-paths-to-being-a-kernel-hacker/
• Пример простого модуля к ядру линукса: https://github.com/jvns/kernel-module-fun/blob/master/hello.c
• Еще один туториал о том, как написать ОС с нуля: https://github.com/cfenollosa/os-tutorial
• Статья «Давайте напишем ядро»: https://arjunsreedharan.org/post/82710718100/kernels-101-lets-write-a-kernel
• Сабреддит по разработке ОС: https://www.reddit.com/r/osdev/
• Большой список идей для проектов для разных ЯП, включая C/C++: https://github.com/tuvtran/project-based-learning/blob/master/README.md
• Еще один список идей для проектов https://github.com/danistefanovic/build-your-own-x
• «Давайте напишем ядро с поддержкой ввода с клавиатуры и экрана»: https://arjunsreedharan.org/post/99370248137/kernel-201-lets-write-a-kernel-with-keyboard-and

About

Пишем свою собственную операционную систему с нуля (bootloader + tiny kernel)