Как создать операционную систему самому

Как создать операционную систему самому

  • Книги, 3 марта 2017 в 13:57
  • Тарас Сереванн

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.

UNIX-подобная операционная система интересна для разбора, а также для написания собственного ядра, которое выведет сообщение. Ну что, напишем?

Что такое UNIX-подобная операционка? Это ОС, созданная под влиянием UNIX. Но прежде чем заняться написанием ядра для нее, давайте посмотрим, как машина загружается и передает управление ядру.

Большинство регистров x86 процессора имеют четко определенные значения после включения питания. Регистр указателя инструкций (EIP) содержит адрес памяти для команды, выполняемой процессором. EIP жестко закодирован на значение 0xFFFFFFF0. Таким образом, у процессора есть четкие инструкции по физическому адресу 0xFFFFFFF0, что, по сути, – последние 16 байт 32-разрядного адресного пространства. Этот адрес называется вектором сброса.

Теперь карта памяти чипсета гарантирует, что 0xFFFFFFF0 сопоставляется с определенной частью BIOS, а не с ОЗУ. Между тем, BIOS копирует себя в ОЗУ для более быстрого доступа. Это называется затенением (shadowing). Адрес 0xFFFFFFF0 будет содержать только инструкцию перехода к адресу в памяти, где BIOS скопировал себя.

Таким образом, код BIOS начинает свое выполнение. Сначала BIOS ищет загрузочное устройство в соответствии с настроенным порядком загрузочных устройств. Он ищет определенное магическое число, чтобы определить, является устройство загрузочным или нет (байты 511 и 512 первого сектора равны 0xAA55).

После того, как BIOS обнаружил загрузочное устройство, он копирует содержимое первого сектора устройства в оперативную память, начиная с физического адреса 0x7c00; затем переходит по адресу и выполняет только что загруженный код. Этот код называется системным загрузчиком (bootloader).

Затем bootloader загружает ядро ​​по физическому адресу 0x100000. Адрес 0x100000 используется как стартовый адрес для всех больших ядер на x86 машинах.

Все x86 процессоры стартуют в упрощенном 16-битном режиме, называемом режимом реальных адресов. Загрузчик GRUB переключается в 32-битный защищенный режим, устанавливая младший бит регистра CR0 равным 1. Таким образом, ядро ​​загружается в 32-разрядный защищенный режим.

Обратите внимание, что в случае обнаружения ядра Linux, GRUB получит протокол загрузки и загрузит ​​Linux-ядро в реальном режиме. А ядро Linux сделает переключение в защищенный режим.

Что нам понадобится?

  • x86 компьютер (разумеется)
  • Linux
  • Ассемблер NASM
  • GCC
  • ld (GNU Linker)
  • GRUB
  • Исходный код

Ну и неплохо было бы иметь представление о том, как работает UNIX-подобная ОС. Исходный код можно найти в репозитории на Github.

Для начала напишем небольшой файл в x86 ассемблере, который будет отправной точкой для запуска ядра. Этот файл будет вызывать внешнюю функцию на C, а затем остановит поток программы.

Как убедиться, что этот код послужит отправной точкой для ядра?

Мы будем использовать скрипт компоновщика, который связывает объектные файлы с целью создания окончательного исполняемого файла ядра. В этом скрипте явно укажем, что бинарный файл должен быть загружен по адресу 0x100000. Этот адрес, является тем местом, где должно быть ядро.

Первая инструкция bits 32 не является инструкцией сборки x86. Это директива для ассемблера NASM, которая указывает, что он должен генерировать код для работы на процессоре, работающем в 32-битном режиме. Это не обязательно требуется в нашем примере, однако это хорошая практика – указывать такие вещи явно.

Вторая строка начинается с текстового раздела. Здесь мы разместим весь наш код.

global — еще одна директива NASM, служит для установки символов исходного кода как глобальных.

kmain — это собственная функция, которая будет определена в нашем файле kernel.c. extern объявляет, что функция определена ​​в другом месте.

Функция start вызывает функцию kmain и останавливает CPU с помощью команды hlt. Прерывания могут пробудить CPU из выполнения инструкции hlt. Поэтому мы предварительно отключаем прерывания, используя инструкцию cli.

Читайте также:  Как отключить демо режим на телевизоре самсунг

В идеале необходимо выделить некоторый объем памяти для стека и указать на нее с помощью указателя стека (esp). Однако, GRUB делает это за нас, и указатель стека уже установлен. Тем не менее, для верности, мы выделим некоторое пространство в разделе BSS и поместим указатель стека в начало выделенной памяти. Для этого используем команду resb, которая резервирует память в байтах. После этого остается метка, которая указывает на край зарезервированного фрагмента памяти. Перед вызовом kmain указатель стека (esp) используется для указания этого пространства с помощью команды mov.

В kernel.asm мы сделали вызов функции kmain(). Таким образом, код на C начнет выполнятся в kmain():

Наше ядро ​​будет очищать экран и выводить на него строку «my first kernel».

Для начала мы создаем указатель vidptr, который указывает на адрес 0xb8000. Этот адрес является началом видеопамяти в защищенном режиме. Текстовая память экрана – это просто кусок памяти в нашем адресном пространстве. Ввод/вывод для экрана на карте памяти начинается с 0xb8000 и поддерживает 25 строк по 80 ascii символов каждая.

Каждый элемент символа в этой текстовой памяти представлен 16 битами (2 байта), а не 8 битами (1 байт), к которым мы привыкли. Первый байт должен иметь представление символа, как в ASCII. Второй байт является атрибутным байтом. Он описывает форматирование символа, включая разные атрибуты, например цвет.

Чтобы напечатать символ с зеленым цветом на черном фоне, мы сохраним символ s в первом байте адреса видеопамяти и значение 0x02 во втором байте.

0 — черный фон, а 2 — зеленый.

Ниже приведена таблица кодов для разных цветов:

В нашем ядре мы будем использовать светло-серые символы на черном фоне. Поэтому наш байт атрибутов должен иметь значение 0x07.

В первом цикле while программа записывает пустой символ с атрибутом 0x07 по всем 80 столбцам из 25 строк. Таким образом, экран очищается.

Во втором цикле while символы строки «my first kernel» записываются в кусок видеопамяти. Для каждого символа атрибутный байт содержит значение 0x07.

Таким образом, строка отобразится на экране.

Мы собираем kernel.asm и NASM в объектный файл, а затем с помощью GCC компилируем kernel.c в другой объектный файл. Теперь наша задача – связать эти объекты с исполняемым загрузочным ядром.

Для этого мы используем явный скрипт компоновщика, который можно передать как аргумент ld (наш компоновщик).

Во-первых, мы устанавливаем выходной формат исполняемого файла как 32-битный исполняемый (ELF). ELF – стандартный формат двоичного файла для Unix-подобных систем на архитектуре x86.

ENTRY принимает один аргумент. Он указывает имя символа, которое должно быть точкой входа нашего исполняемого файла.

SECTIONS – самая важная часть, где мы определяем разметку исполняемого файла. Здесь указывается, как должны быть объединены различные разделы и в каком месте они будут размещаться.

В фигурных скобках, следующих за инструкцией SECTIONS, символ периода (.) – представляет собой счетчик местоположения.

Счетчик местоположения всегда инициализируется до 0x0 в начале блока SECTIONS. Его можно изменить, присвоив ему новое значение.

Как уже говорилось, код ядра должен начинаться с адреса 0x100000. Таким образом, мы установили счетчик местоположения в 0x100000.

Посмотрите на следующую строку .text:

Звездочка (*) является спецсимволом, который будет соответствовать любому имени файла. То есть, выражение *(.text) означает все секции ввода .text из всех входных файлов.

Таким образом, компоновщик объединяет все текстовые разделы объектных файлов в текстовый раздел исполняемого файла по адресу, хранящемуся в счетчике местоположения. Раздел кода исполняемого файла начинается с 0x100000.

После того, как компоновщик разместит секцию вывода текста, значение счетчика местоположения установится в 0x1000000 + размер раздела вывода текста.

Аналогично, разделы данных и bss объединяются и помещаются на значения счетчика местоположения.

Теперь все файлы, необходимые для сборки ядра, готовы. Но, поскольку мы намеренны загружать ядро с помощью GRUB, нужно еще кое-что.

Существует стандарт для загрузки различных x86 ядер с использованием загрузчика, называемый спецификацией Multiboot.

GRUB загрузит ядро только в том случае, если оно соответствует Multiboot-спецификации.

Согласно ей, ядро должно содержать заголовок в пределах его первых 8 килобайт.

Кроме того, этот заголовок должен содержать дополнительно 3 поля:

  • поле магического числа: содержит магическое число 0x1BADB002, для идентификации заголовка.
  • поле флагов: сейчас оно не нужно, просто установим его значение в ноль.
  • поле контрольной суммы: когда задано, должно возвращать ноль для суммы с первыми двумя полями.

Итак, kernel.asm будет выглядеть таким образом:

Теперь создадим объектные файлы из kernel.asm и kernel.c, а затем свяжем их с помощью скрипта компоновщика.

запустит ассемблер для создания объектного файла kasm.o в формате 32-битного ELF.

Параметр «-c» гарантирует, что после компиляции связывание не произойдет неявным образом.

запустит компоновщик с нашим скриптом и сгенерирует исполняемое именованное ядро.

UNIX-подобная ОС с ее ядром почти поддалась. GRUB требует, чтобы ядро имело имя вида kernel- . Переименуйте ядро, к примеру, в kernel-701.

Теперь поместите его в каталог /boot. Для этого вам потребуются права суперпользователя.

В конфигурационном файле GRUB grub.cfg вы должны добавить запись такого вида:

Не забудьте удалить директиву hiddenmenu, если она существует.

Перезагрузите компьютер, и вы сможете наблюдать список с именем вашего ядра. Выберите его, и вы увидите:

Читайте также:  Как записать файл в корень флешки

Это ваше ядро! Оказывается, UNIX-подобная операционная система и ее составляющие не так уж сложны, верно?

  • Всегда желательно использовать виртуальную машину для всех видов взлома ядра.
  • Чтобы запустить это ядро на grub2, который является загрузчиком по умолчанию для более новых дистрибутивов, ваша конфигурация должна выглядеть так:

Если вы хотите запустить ядро на эмуляторе qemu вместо загрузки с помощью GRUB, вы можете сделать так:

Теперь вы имеете представление о том, как устроены UNIX-подобная ОС и ее ядро, а также сможете без труда написать последнее.

  • Переводы, 2 августа 2019 в 15:11
  • Александр Ланский

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.

15 марта, Москва, беcплатно

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

Первая операционная система была создана в 1956 году компанией General Motors для единственного компьютера IBM. Остальные владельцы этих компьютеров последовали примеру и начали создавать собственные ОС.

Как можно догадаться, первые ОС сильно отличались друг от друга. Почти на каждом компьютере стояла своя система. Хоть они и облегчали написание программ, использовать такие программы можно было только на одном компьютере.

В 1960-х годах IBM стала первой выпускающей компьютеры компанией, которая взяла на себя процесс написания ОС под свои же компьютеры. Компания начала распространять компьютеры вместе со своей операционной системой.

В эти же годы компании Control Data Corporation, Computer Sciences Corporation, Burroughs Corporation, GE, Digital Equipment Corporation и Xerox тоже начали реализовывать свои ОС.

В конце 60-х была разработана первая версия ОС Unix. Написанная на Си, свободно доступная первые годы, Unix привлекала всё больше внимания и аудитории. Она легко портировалась на новые системы и начала набирать обороты.

Многие современные ОС, включая Apple OS X и все разновидности Linux-систем, являются дальними потомками Unix.

Microsoft Windows, в свою очередь, была написана для ряда персональных компьютеров IBM.

Первая ОС от Microsoft называлась не Windows, а MS-DOS. Эта система была создана в 1981 году, когда систему 86-DOS купили у компании Seattle Computer Products и модифицировали её под требования IBM.

Всем привычное название Windows появилось в 1985, когда MS-DOS обзавелась графическим интерфейсом.

Apple OS X, Microsoft Windows и ряд Linux-систем (включая Android) сейчас контролируют большую часть рынка операционных систем.

Составляющие операционной системы

ОС состоит из двух основных частей:

  • ядро системы;
  • системные программы.

Ядро (англ. kernel)

Сердце операционной системы. Именно оно запускается первым при включении компьютера (не считая BIOS и загрузчик). Ядро контролирует ресурсы компьютера и обрабатывает запросы от системных программ.

Системные программы

Работают поверх ядра. Такие программы нужны, в целом, не для пользователя, а для связи ядра с пользовательскими приложениями и периферией. Примеры системных программ: драйвера устройств, файловая система, сетевые программы, утилиты для дефрагментации диска.

Пользовательские программы

Не являются частью операционной системы. Именно эти программы уже имеют конкретное назначение. Текстовые редакторы, браузеры, медиа-плееры — всё это пользовательские программы. Они контролируются ядром и используют системные программы для доступа к периферии.

Что необходимо знать

Список вещей, которые необходимо знать для создания собственной ОС, очень длинный. Но в нём есть три основных пункта, на которые нужно обратить внимание в первую очередь:

  • базовое понимание компьютерной науки (информатики);
  • теория и опыт в программировании;
  • знание высоко- и низкоуровневых языков программирования.

Изучение информатики

Разработка ОС — это не тоже самое, что, скажем, веб-разработка. Тут нельзя будет просто и быстро разобраться в базовых вещах. Для начала нужно получить крепкий базис информатики и только потом переходить к другим темам.

Coursera: Computer Science 101 — это курс, который подойдёт для тех, кто только начал осваиваться в информатике и программировании. Если у вас уже имеются элементарные знания в в этой области, то пропустите этот курс и переходите к следующему.

Udacity: Intro to Computer Science использует веб-разработку в качестве подхода к обучению компьютерной науке. Хоть курс и не направлен на непосредственную разработку ОС, он даёт мощный базис в области программирования.

edX: Introduction to Computer Science — этот курс является самым исчерпывающим и углублённым в этом списке. Несмотря на это, он полностью бесплатен. Курс был разработан в Гарвардском Университете. В нём вас научат алгоритмам, структурам данных, управлению ресурсами, разработке ПО, а так же познакомят с такими языками программирования, как C, PHP и JavaScript.

Читайте также:  Не печатает текст в ворде что делать

Подборка книг для самостоятельного изучения Computer Science.

Изучение программирования

С крепкими знаниями в области информатики и хотя бы базовым пониманием программирования вам нужно набраться опыта в разработке проектов.

Udacity: Software Development Process — отличный курс для тех, кто ещё не принимал участие в крупных проектах. Тут вас ознакомят с подробностями рабочего процесса и работой с инструментарием (например Git), а также расскажут о настройке интегрированной среды разработки.

Изучение языков программирования

Для разработки операционной системы вам понадобится освоить минимум два языка программирования:

  • низкоуровневый язык ассемблера;
  • высокоуровневый язык программирования.

Первый используется для работы напрямую с процессором. Процессор «понимает» только машинный код, и для каждого типа процессора есть только один соответствующий язык. Одной из самых популярных архитектур процессора является x86. Она была разработана компанией Intel и на текущий момент широко используется многими производителями компьютерного железа, включая AMD. По этой причине в этой статье акцент будет именно на архитектуру x86.

Высокоуровневые языки программирования, в свою очередь, работают сразу на нескольких архитектурах. Самый популярный из таких языков — Cи. Чаще всего именно на нём и пишутся операционные системы. Но это не означает, что этот язык единственный. Для написания ОС можно использовать и более высокоуровневые языки, например C++ или Python.

Прим. перев. Есть пример написания «игрушечных» операционных систем на C#. Cosmos — некий конструктор ОС. В этой статье на практическом примере показывают написание системы всего в нескольких десятках строк.

Язык ассемблера для x86

«x86 Assembly Guide» — неплохо подойдёт для начального изучения ассемблера. Несмотря на то, что эта статья коротка для полного курса, в ней содержится всё необходимое для дальнейшего углубления.

Книга «Programming from the Ground Up» Джонатана Бартлетта является одной из основных по изучению ассемблера. В ней основами языка программирования подкрепляются базисы информатики.

Для изучения ассемблера есть ещё одна показательная книга — «The Art of Assembly Language», написанная Рэнди Гайдом. Изначально книга писалась специально для курсов, которые вёл автор в Калифорнийском университете Cal Poly и UC Riverside. В середине 90-х годов книга была признана определяющей в этой сфере.

Если вдруг вышеописанные материалы вам не подошли, вот ещё пара отличных книг:

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:

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: «Beyond Linux from Scratch», «Automated Linux from Scratch», «Cross Linux from Scratch» или «Hardened Linux from Scratch».

«The little book about OS development» Эрика Хэйлина и Адама Ренберга. Этот учебник разработан в рамках продвинутого курса информатики и на момент его написания авторы являлись студентами Королевского Института Технологий в Стокгольме. В этой книге рассматривается разработка ОС для архитектуры x86 (причём с самого начала — с установки среды разработки). В этом курсе рассказывается о многих интересных темах, включая многозадачность, управление памятью и разработку файловой системы.

«Operation System Development Series» Broken Thorn Entertainment — серия из 25 уроков, посвящённых разработке ОС с нуля.

Примечание Эти уроки рассчитаны на то, что вы уже знакомы с IDE и владеете как языком ассемблера, так и Cи.

Вот ещё три книги, которые помогут вам ознакомиться с дисциплиной разработки ОС:

Сообщества, посвященные разработке ОС

Заниматься разработкой ОС в одиночку смело, но сложно. Гораздо проще найти единомышленников, которые, как и вы, решили попытать удачу в этом нелёгком деле. Существует пара подходящих мест:

  • OSDev.org — это Вики с исчерпывающей информацией о разработке ОС и отличным форумом, где вы можете попросить о помощи или же наоборот сами кого-нибудь выручить.
  • OS Development Channel на Реддите. Канал, также посвящённый разработке ОС.
  • Computer Science, Programmers, StackOverflow от StackExchange — площадки, где вы можете задавать различные технические вопросы.

Заключение

Обучение разработке ОС — достаточно сложная задача. Однако в процессе вы разберётесь в работе процессора и аппаратного уровня, что поможет лучше понимать работу и оптимизацию высокоуровневых приложений и их взаимодействие друг с другом. Ну и в глазах коллег вы наверняка будете выглядеть очень крутым (но это не точно).

Ссылка на основную публикацию
Как сделать чтобы эксель считал в градусах
В этой практической задаче я покажу вам как при помощи возможностей Excel 2010 найти значение косинуса угла в 136 градусов....
Как разрезать flac на треки в foobar
2. Выделяем нужные треки левой кнопкой мыши. Теперь кликаем правой кнопкой по плейлисту и см. скриншот. 4. Теперь возвращаемся в...
Как распечатать документ pdf из почты
Значок печати в Google Chrome Чтобы распечатать PDF файл нам понадобится: компьютер, принтер, браузер (предпочтительно Google Chrome, Яндекс браузер или...
Как скинуть видео с инстаграмма в вайбер
С появлением социальных сетей у людей появилось много новых возможностей. И речь идёт не только о раскручивании своей личной странички....
Adblock detector