01.11.2024 07:07
uio_3213 22 6000 Источник

Многие разработчики хоть раз задумывались о том, чтобы создать свою собственную операционную систему (ОС). Это может показаться сложной задачей, но, если разбить процесс на этапы, создание минимальной ОС становится более реалистичным. В этой статье мы рассмотрим основные шаги создания простой операционной системы с нуля, а также инструменты и знания, которые могут вам понадобиться.

Что такое операционная система?

Операционная система — это набор программ, которые управляют аппаратным обеспечением компьютера и обеспечивают выполнение приложений. Примеры популярных ОС включают Windows, Linux и macOS. Для создания своей ОС необходимо разобраться в низкоуровневом программировании, работе с памятью, файловыми системами и аппаратными интерфейсами.

Подготовка

Прежде чем начать разработку ОС, потребуется несколько инструментов и базовых знаний:

  1. Ассемблер и C — это языки, на которых чаще всего пишут ядра операционных систем.

  2. Эмулятор (Bochs или QEMU) — позволит тестировать вашу ОС без необходимости постоянно загружать её на реальный компьютер.

  3. Компилятор — для перевода вашего кода на язык, понятный процессору (чаще всего используется GCC).

  4. Загрузчик (Bootloader) — это программа, которая загружает ядро вашей операционной системы. Мы будем использовать GRUB, поскольку он широко поддерживается и удобен для начинающих.

Этап 1. Создание загрузчика

Загрузчик — это первая программа, которая запускается при старте компьютера. Мы можем использовать готовый загрузчик GRUB, который будет загружать наше ядро.

Пример создания загрузочного сектора:

[BITS 16]
[ORG 0x7C00]

start:
    cli                  ; Отключаем прерывания
    mov ax, 0x07C0
    add ax, 288          ; Устанавливаем сегмент стека
    mov ss, ax
    mov sp, 4096

    mov ax, 0x0003       ; Включаем текстовый режим
    int 0x10

    mov si, msg
    call print_string    ; Печатаем сообщение

halt:
    hlt                  ; Ожидание

print_string:
    mov ah, 0x0E
.repeat:
    lodsb
    or al, al
    jz .done
    int 0x10
    jmp .repeat
.done:
    ret

msg db 'Hello, world!', 0

times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

Этот код на ассемблере печатает на экране строку "Hello, world!". Файл необходимо скомпилировать в бинарный формат и записать на загрузочный сектор.

Этап 2. Разработка ядра

После того как загрузчик выполнит свою работу, управление будет передано ядру вашей операционной системы. Ядро должно выполнять основные функции, такие как управление памятью, обработка прерываний и взаимодействие с аппаратным обеспечением.

Пример минимального ядра на C:

void kernel_main(void) {
    char* video_memory = (char*) 0xB8000;
    *video_memory = 'X';  // Отображаем символ на экране
    while (1);  // Бесконечный цикл
}

Этот код отображает символ "X" на экране, используя прямой доступ к видеопамяти, и затем зацикливается.

Этап 3. Управление памятью

Один из ключевых аспектов работы операционной системы — управление памятью. Это включает в себя настройку таблиц страниц, работу с виртуальной памятью и распределение ресурсов для приложений. Простая ОС может использовать методы статического распределения памяти, но для более сложных систем потребуется реализовать поддержку динамического выделения.

Этап 4. Добавление драйверов

Для полноценной работы ОС необходимо взаимодействовать с устройствами, такими как клавиатура, мышь, жесткий диск и другие периферийные устройства. Для этого используются драйверы — программы, которые позволяют ОС управлять этими устройствами. Драйверы работают через порты ввода-вывода (I/O) и прерывания.

Пример обработки ввода с клавиатуры:

#define KEYBOARD_PORT 0x60

void keyboard_handler(void) {
    unsigned char scancode = inb(KEYBOARD_PORT);
    // Обработка кода клавиши
}

Этап 5. Разработка файловой системы

Чтобы ваша ОС могла работать с файлами, необходимо реализовать файловую систему. Это может быть простая структура, хранящая файлы в последовательных блоках памяти, или полноценная файловая система, как FAT или ext.

Этап 6. Интерфейс командной строки

После того как основные функции операционной системы настроены, можно добавить простой интерфейс командной строки (CLI), который позволит пользователям вводить команды и взаимодействовать с ОС.

Пример простой команды cls для очистки экрана:

void cls() {
    char* video_memory = (char*) 0xB8000;
    for (int i = 0; i < 80 * 25 * 2; i++) {
        video_memory[i] = 0;
    }
}

Заключение

Создание операционной системы — это сложная, но увлекательная задача, требующая глубоких знаний в области низкоуровневого программирования и архитектуры компьютеров. Начав с простого загрузчика и ядра, вы можете постепенно добавлять новые функции и улучшать свою ОС.

Создание ОС также поможет вам лучше понять, как работают существующие операционные системы, такие как Linux и Windows, и позволит получить уникальный опыт работы с железом и низкоуровневым кодом.

В будущем вы можете расширить свою операционную систему, добавив поддержку многозадачности, более сложные драйверы и пользовательский интерфейс. Однако даже минимальная ОС, выполняющая базовые функции, уже является большим достижением!

Комментарии (22)


  1. bodyawm
    01.11.2024 07:09
    #27497498

    Выдал инвайт автору. Тема то интересная, но не только с точки велосипедирования ядер, а ещё и с точки зрения программирования под ретро x86-машинки, что называется, Bare Metal. Особенно контрастирует с недавней статьей Сергея Долина об аппаратном апгрейде ретро-пк, нужны статьи и про софт :)

    Надеюсь тут будет интересная и объективная дискуссия


    1. YMA
      01.11.2024 07:09
      #27497630

      int 0x10

      Но это же уже не bare metal :) Да и на x86 очередную ОС пилить - скучно и неинтересно, там не то что все тропинки известны, там такая дорога протоптана, что свернуть сложно...

      Лучше уж на Risc-V осваиваться, IMHO перспективнее...


      1. SIISII
        01.11.2024 07:09
        #27497884

        Вообще, как по мне, сейчас в осеписании лучше тренироваться на достаточно мощном микроконтроллере. Единственное, что не сделаешь -- это виртуальную память (за отсутствием MMU), но она -- далеко не самая сложная и объёмная часть ОС. Ну а всё остальное вполне делается на каком-нибудь, скажем, STM32H7.


      1. bodyawm
        01.11.2024 07:09
        #27498094

        Но это же уже не bare metal :)

        Да почему? В контексте IBM-PC, вызовы к биосу можно простить и условно обозвать это Bare-metal :)


        1. SIISII
          01.11.2024 07:09
          #27498114

          Ну, для полноценной ОС дёргать BIOS в процессе работы -- не дело. Этап загрузки и инициализации -- другое дело; более того, это неизбежно: как иначе узнаешь конфигурацию железа, на котором работаешь (в частности, объём установленной памяти, наличие портов и т.п. вещи, которые нельзя надёжно определить стандартными механизмами PnP).


    1. titbit
      01.11.2024 07:09
      #27497734

      Надеюсь тут будет интересная и объективная дискуссия

      Таких статей уже полно на хабре, но они все заканчиваются на уровне условного загрузчика. А дальше запал иссякает. И к собственно ОС это не имеет почти никакого отношения, потому что разработка ОС начинается не с загрузчика, а с проработки стратегии распределения ресурсов системы: памяти, вычислительной мощи, места на носителях (файловой системы), контроля доступа и т.д. А вот про это почему-то никто не пишет, а ведь это темы довольно сложные и надеюсь интересные.


      1. SIISII
        01.11.2024 07:09
        #27497862

        Просто объём очень большой, да и более-менее разбирающихся (реально) в этих вопросах не так много.


        1. titbit
          01.11.2024 07:09
          #27498678

          Согласен. Но темы аллокаторов, шедулеров, файловых систем, контроля доступа, во многом универсальны и применимы ко многим архитектурам, в отличии от низкоуровневой работы с конкретной железкой. Да и не на все железки так легко раздобыть даже минимальную документацию, увы.


      1. bodyawm
        01.11.2024 07:09
        #27498102

        Есть довольно много проектов где и щедуллер запилят, и дисковый ввод-вывод реализуют, и поддержку PCI-карточек :)


    1. czz
      01.11.2024 07:09
      #27498838

      Надеюсь тут будет интересная и объективная дискуссия

      Вряд ли, потому что статью написала LLM.

      Из этих кусков кода не составить ОС. Там загрузочный сектор выводит hello world, и на этом все, дальше он ничего не грузит.

      Затем предлагается использовать grub, но как скомпилировать "код ядра" в форму, которую сможет запустить grub, речи не идет.

      Короче, это обман, расходимся.


  1. SIISII
    01.11.2024 07:09
    #27497778

    А у меня в своё время (первая половина 90-х) была своя почти полноценная ОС -- даже с файловой системой и виртуальной памятью (но ещё без поддержки дисплеев -- её сделать не успел, в качестве консоли пишмашку использовал). Правда, не на ПК, а на ЕС ЭВМ (советский аналог ИБМовской Системы 370). Успешно крутилась на ЕС-1035 и ЕС-1130, а также на виртуальной машине под СВМ ЕС (VM/370 в девичестве). Но, есно, никаких средств разработки в ней не было: использовались штатный ассемблер и компоновщик из ОС ЕС (или БОС, если под СВМ).


  1. JordanCpp
    01.11.2024 07:09
    #27498834

    А где собственно, код и выложенный эмулятор для запуска ОС?
    Где инструкция как собирать?
    Что такое inb?
    И как всё это скомпоновать и запустить?


    1. MaFrance351
      01.11.2024 07:09
      #27500650

      inb - чтение из порта по указанному адресу.

      И как всё это скомпоновать и запустить?

      Да не будет оно работать, там даже с загрузчиком косяк. Если вы даже соберёте это ядро и загрузчик (и вообще непонятно, зачем там приплели GRUB), то никакой "Х" вы на экране никогда не увидите, это просто пример программы для загрузочного сектора диска на ассемблере, ничего, собственно, загрузочного оно не делает. Читайте хорошие статьи, а не очередную LLMщину.


  1. JordanCpp
    01.11.2024 07:09
    #27498844

    У меня были идеи взять, linux версии 1.0 и попробовать разобраться, собрать, порефакторить код. И взять какой нить debian 1.2 и подменить на модифицированное ядро.

    И далее, описать подсистемы. Как работает и т.д Вот это уже довольно интересно.


    1. checkpoint
      01.11.2024 07:09
      #27501108

      Не надо Linux. Для этого есть Xv6.


  1. JackKatch
    01.11.2024 07:09
    #27499102

    Хоть и коротко, но по делу и многие аспекты ОС затронуты.


    1. MaFrance351
      01.11.2024 07:09
      #27500664

      На хабре уже полно статей вида "ОС с нуля, часть 1: загрузчик". После них мотивация у автора обычно иссякает и продолжения никто не увидит уже никогда. А вот более сложные темы типа распределения памяти, управления ресурсами процессора, работы с каким-то другим железом, отличным от клавиатуры и видеокарты в текстовом режиме, разбираются очень редко.


  1. evgeniy_kudinov
    01.11.2024 07:09
    #27499722

    Интересная тема. По x86 и ARM куча "hello world"-ов и наверное под RISC-V можно поэтапно развернуть материал с 0 до ядра с базовой функциональностью.


  1. checkpoint
    01.11.2024 07:09
    #27501102

    Как разработать операционную систему

    Если серьезно, то для современного x86 лучше даже не пытаться - замучаешься бороться с EFI/UEFI, инициализацией защищенного режима, огранизацией виртуальной памяти и т.д.

    Мне когда стало интересно разобраться с виртуальной памятью и переключением задач, я синтезировал себе в ПЛИС небольшую СнК на базе RISC-V с MMU и начал эксперименты с Xv6. Код ядра Xv6 хорош тем, что он легко помещается в отдельно взятую голову, одну. На Хабре есть серия статей про Xv6 от пользователя @sa2304.


  1. nomhoi
    01.11.2024 07:09
    #27501290

    C++ в хабах - для привлечения внимания?


  1. Devastor87
    01.11.2024 07:09
    #27509068

    1. Статья, очевидно, сгенерена LLM

    2. В статье не даётся более-менее исчерпывающая инструкция по сборке минимальной базы ОС, вместо этого много обрывочной инфо, которой явно не достаточно, чтобы собрать хоть что-то рабочее


  1. TheScienceVictor200
    01.11.2024 07:09
    #27509088

    Ассемблер, как много в этом слове (буквально). Никогда не получалось написать "hello world", хотя для интереса смог даже на языке Ook.