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.
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
.set MEMINFO, 1<<1
.set GRAPH, 1<<2
.set FLAGS, ALIGN | MEMINFO | GRAPH
.set MAGIC, 0x1BADB002
.set CHECKSUM, -(MAGIC + FLAGS)
.align 4
.long MAGIC
.long FLAGS
.long CHECKSUM
.long 0, 0, 0, 0, 0
.long 0 # 0 = set graphics mode
.long 1024, 768, 32 # Width, height, depth
А потом из структуры информации Multiboot я беру адрес фреймбуфера и разрешение экрана и пишу туда пиксели. VESA все сделали очень замороченно - цвета RGB надо вводить в обратном порядке (не R G B, а B G R). Я несколько дней не понимал - почему пиксели не выводятся!? В итоге я понял, что забыл поменять значения 16 цветовых констант с 0...15 на их RGB-эквиваленты. В итоге релизнул, заодно запилил градиентный фон. Потом я сделал консоль, 2 приложения и релизнул 1.2. Ах да, чуть не забыл - скачать ОС можно на
Если подходить по существу...
ОС - это такая штука, которая реализует многозадачность (обычно) и заведует распределением ресурсов между этими задачами и вообще. Нужно следить, чтобы задачи друг другу не могли вредить и работали в разных областях памяти и с устройствами работали по очереди, это хотя бы. А ещё надо предоставить возможность передавать сообщения от одной задачи к другой.
Ещё ОС, ежели имеется долговременная память, должна предоставлять доступ к ней: то есть предоставлять все функции для работы с файловой системой. Это минимум.
Почти везде самый первый загрузочный код должен писаться на ассемблере - там бывает куча правил, где оно должно быть, как должно выглядеть, что должно делать, и какой размер не превышать.
Для РС надо на асме писать бутлоадер, который будет вызываться BIOS и кой должен, не превышая четырёх с копейками сотен байт, что-то сделать и запустить основную ОС - передать управление основному коду, который в ближайшей же перспективе можно писать уже и на С.
Для ARM надо на асме делать таблицу прерываний (сброс, ошибки разные, прерывания IRQ, FIQ и пр.) и передачу управления в основной код. Хотя, во многих средах разработки такой код для почти любого контроллера имеется.
То есть, необходимо для этого:
- Знать ассемблер целевой платформы.
- Знать архитектуру процессора и всякие служебные команды и регистры, чтобы настроить его для работы в нужном режиме. В РС это переход в защищённый режим, например, или в 64битный режим... В ARM - настройка тактирования ядра и периферии.
- Знать, как именно будет запускаться ОС, куда и как нужно пихать свой код.
- Знать язык С - большой код на асме написать затруднительно без опыта, поддерживать его будет ещё труднее. Посему надо ядро писать на С.
- Знать принципы работы ОС. Ну, книжек на русском языке по этой теме много всяких, правда, не знаю, все ли они хорошие.
- Иметь много-много терпения и усидчивости. Ошибки будут и их надо будет искать и исправлять. А ещё надо будет очень много читать.
- Иметь много-много времени.
Далее. Допустим, вы что-то написали. Надо это дело тестировать. Либо надо устройство физическое, на коем будут идти эксперименты (отладочная плата, второй компьютер), либо эмулятор его. Второе обычно использовать и проще, и быстрее. Для PC, например, VMWare.
Статей по этой теме в интернете тоже достаточно, если хорошо поискать. А также есть множество примеров готовых ОС с исходниками.
Даже можно при большом желании посмотреть исходники старого ядра NT-систем (Windows), как отдельно (кое микрософтом выложено, с комментариями и разного рода справочными материалами), так и в совокупности со старыми же ОС (утекло).
Руководство по созданию ядра для x86-системы. Часть 1. Просто ядро
Давайте напишем простое ядро, которое можно загрузить при помощи бутлоадера GRUB x86-системы. Это ядро будет отображать сообщение на экране и ждать.
Как загружается x86-система?
Прежде чем мы начнём писать ядро, давайте разберёмся, как система загружается и передаёт управление ядру.
В большей части регистров процессора при запуске уже находятся определённые значения. Регистр, указывающий на адрес инструкций (Instruction Pointer, EIP), хранит в себе адрес памяти, по которому лежит исполняемая процессором инструкция. EIP по умолчанию равен 0xFFFFFFF0 . Таким образом, x86-процессоры на аппаратном уровне начинают работу с адреса 0xFFFFFFF0. На самом деле это - последние 16 байт 32-битного адресного пространства. Этот адрес называется вектором перезагрузки (reset vector).
Теперь карта памяти чипсета гарантирует, что 0xFFFFFFF0 принадлежит определённой части BIOS, не RAM. В это время BIOS копирует себя в RAM для более быстрого доступа. Адрес 0xFFFFFFF0 будет содержать лишь инструкцию перехода на адрес в памяти, где хранится копия BIOS.
Так начинается исполнение кода BIOS. Сперва BIOS ищет устройство, с которого можно загрузиться, в предустановленном порядке. Ищется магическое число, определяющее, является ли устройство загрузочным (511-ый и 512-ый байты первого сектора должны равняться 0xAA55 ).
Когда BIOS находит загрузочное устройство, она копирует содержимое первого сектора устройства в RAM, начиная с физического адреса 0x7c00 ; затем переходит на адрес и исполняет загруженный код. Этот код называется бутлоадером .
Бутлоадер загружает ядро по физическому адресу 0x100000 . Этот адрес используется как стартовый во всех больших ядрах на x86-системах.
Все x86-процессоры начинают работу в простом 16-битном режиме, называющимся реальным режимом . Бутлоадер GRUB переключает режим в 32-битный защищённый режим , устанавливая нижний бит регистра CR0 в 1 . Таким образом, ядро загружается в 32-битном защищённом режиме.
Заметьте, что в случае с ядром Linux GRUB видит протоколы загрузки Linux и загружает ядро в реальном режиме. Ядро самостоятельно переключается в защищённый режим.
Что нам нужно?
- x86-компьютер;
- Linux;
- ld (GNU Linker);
Задаём точку входа на ассемблере
Как бы не хотелось ограничиться одним Си, что-то придётся писать на ассемблере. Мы напишем на нём небольшой файл, который будет служить исходной точкой для нашего ядра. Всё, что он будет делать - вызывать внешнюю функцию, написанную на Си, и останавливать поток программы.
Как же нам сделать так, чтобы этот код обязательно был именно исходной точкой?
Мы будем использовать скрипт-линковщик, который соединяет объектные файлы для создания конечного исполняемого файла. В этом скрипте мы явно укажем, что хотим загрузить данные по адресу 0x100000.
Вот код на ассемблере:
;;kernel.asm bits 32 ;nasm directive - 32 bit section .text global start extern kmain ;kmain is defined in the c file start: cli ;block interrupts mov esp, stack_space ;set stack pointer call kmain hlt ;halt the CPU section .bss resb 8192 ;8KB for stack stack_space:
Первая инструкция, bits 32 , не является x86-ассемблерной инструкцией. Это директива ассемблеру NASM, задающая генерацию кода для процессора, работающего в 32-битном режиме. В нашем случае это не обязательно, но вообще полезно.
Со второй строки начинается секция с кодом.
global - это ещё одна директива NASM, делающая символы исходного кода глобальными. Таким образом, линковщик знает, где находится символ start - наша точка входа.
kmain - это функция, которая будет определена в файле kernel.c . extern значит, что функция объявлена где-то в другом месте.
Затем идёт функция start , вызывающая функцию kmain и останавливающая процессор инструкцией hlt . Именно поэтому мы заранее отключаем прерывания инструкцией cli .
В идеале нам нужно выделить немного памяти и указать на неё указателем стека (esp). Однако, похоже, что GRUB уже сделал это за нас. Тем не менее, вы всё равно выделим немного места в секции BSS и переместим на её начало указатель стека. Мы используем инструкцию resb , которая резервирует указанное число байт. Сразу перед вызовом kmain указатель стека (esp) устанавливается на нужное место инструкцией mov .
Ядро на Си
В kernel.asm мы совершили вызов функции kmain() . Таким образом, наш “сишный” код должен начать исполнение с kmain() :
/* * kernel.c */ void kmain(void) { const char *str = "my first kernel"; char *vidptr = (char*)0xb8000; //video mem begins here. unsigned int i = 0; unsigned int j = 0; /* this loops clears the screen * there are 25 lines each of 80 columns; each element takes 2 bytes */ while(j < 80 * 25 * 2) { /* blank character */ vidptr[j] = " "; /* attribute-byte - light grey on black screen */ vidptr = 0x07; j = j + 2; } j = 0; /* this loop writes the string to video memory */ while(str[j] != "\0") { /* the character"s ascii */ vidptr[i] = str[j]; /* attribute-byte: give character black bg and light grey fg */ vidptr = 0x07; ++j; i = i + 2; } return; }
Всё, что сделает наше ядро - очистит экран и выведет строку “my first kernel”.
Сперва мы создаём указатель vidptr , который указывает на адрес 0xb8000 . С этого адреса в защищённом режиме начинается “видеопамять”. Для вывода текста на экран мы резервируем 25 строк по 80 ASCII-символов, начиная с 0xb8000.
Каждый символ отображается не привычными 8 битами, а 16. В первом байте хранится сам символ, а во втором - attribute-byte . Он описывает форматирование символа, например, его цвет.
Для вывода символа s зелёного цвета на чёрном фоне мы запишем этот символ в первый байт и значение 0x02 во второй. 0 означает чёрный фон, 2 - зелёный цвет текста.
Вот таблица цветов:
0 - Black, 1 - Blue, 2 - Green, 3 - Cyan, 4 - Red, 5 - Magenta, 6 - Brown, 7 - Light Grey, 8 - Dark Grey, 9 - Light Blue, 10/a - Light Green, 11/b - Light Cyan, 12/c - Light Red, 13/d - Light Magenta, 14/e - Light Brown, 15/f – White.
В нашем ядре мы будем использовать светло-серый текст на чёрном фоне, поэтому наш байт-атрибут будет иметь значение 0x07.
В первом цикле программа выводит пустой символ по всей зоне 80×25. Это очистит экран. В следующем цикле в “видеопамять” записываются символы из нуль-терминированной строки “my first kernel” с байтом-атрибутом, равным 0x07. Это выведет строку на экран.
Связующая часть
Мы должны собрать kernel.asm в объектный файл, используя NASM; затем при помощи GCC скомпилировать kernel.c в ещё один объектный файл. Затем их нужно присоединить к исполняемому загрузочному ядру.
Для этого мы будем использовать связывающий скрипт, который передаётся ld в качестве аргумента.
/* * link.ld */ OUTPUT_FORMAT(elf32-i386) ENTRY(start) SECTIONS { . = 0x100000; .text: { *(.text) } .data: { *(.data) } .bss: { *(.bss) } }
Сперва мы зададим формат вывода как 32-битный Executable and Linkable Format (ELF). ELF - это стандарный формат бинарных файлов Unix-систем архитектуры x86. ENTRY принимает один аргумент, определяющий имя символа, являющегося точкой входа. SECTIONS - это самая важная часть. В ней определяется разметка нашего исполняемого файла. Мы определяем, как должны соединяться разные секции и где их разместить.
В скобках после SECTIONS точка (.) отображает счётчик положения, по умолчанию равный 0x0. Его можно изменить, что мы и делаем.
Смотрим на следующую строку: .text: { *(.text) } . Звёздочка (*) - это специальный символ, совпадающий с любым именем файла. Выражение *(.text) означает все секции.text из всех входных файлов.
Таким образом, линковщик соединяет все секции кода объектных файлов в одну секцию исполняемого файла по адресу в счётчике положения (0x100000). После этого значение счётчика станет равным 0x100000 + размер полученной секции.
Аналогично всё происходит и с другим секциями.
Grub и Multiboot
Теперь все файлы готовы к созданию ядра. Но остался ещё один шаг.
Существует стандарт загрузки x86-ядер с использованием бутлоадера, называющийся Multiboot specification . GRUB загрузит наше ядро, только если оно удовлетворяет этим спецификациям .
Следуя им, ядро должно содержать заголовок в своих первых 8 килобайтах. Кроме того, этот заголовок должен содержать 3 поля, являющихся 4 байтами:
- магическое поле: содержит магическое число 0x1BADB002 для идентификации ядра.
- поле flags : нам оно не нужно, установим в ноль.
- поле checksum : если сложить его с предыдущими двумя, должен получиться ноль.
Наш kernel.asm станет таким:
;;kernel.asm ;nasm directive - 32 bit bits 32 section .text ;multiboot spec align 4 dd 0x1BADB002 ;magic dd 0x00 ;flags dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;checksum. m+f+c should be zero global start extern kmain ;kmain is defined in the c file start: cli ;block interrupts mov esp, stack_space ;set stack pointer call kmain hlt ;halt the CPU section .bss resb 8192 ;8KB for stack stack_space:
Строим ядро
Теперь мы создадим объектные файлы из kernel.asm и kernel.c и свяжем их, используя наш скрипт.
Nasm -f elf32 kernel.asm -o kasm.o
Эта строка запустит ассемблер для создания объектного файла kasm.o в формате ELF-32.
Gcc -m32 -c kernel.c -o kc.o
Опция “-c” гарантирует, что после компиляции не произойдёт скрытого линкования.
Ld -m elf_i386 -T link.ld -o kernel kasm.o kc.o
Это запустит линковщик с нашим скриптом и создаст исполняемый файл, называющийся kernel .
Настраиваем grub и запускаем ядро
GRUB требует, чтобы имя ядра удовлетворяло шаблону kernel-
Теперь поместите его в директорию /boot . Для этого понадобятся права суперпользователя.
В конфигурационном файле GRUB grub.cfg добавьте следующее:
Title myKernel root (hd0,0) kernel /boot/kernel-701 ro
Не забудьте убрать директиву hiddenmenu , если она есть.
Перезагрузите компьютер, и вы увидите список ядер с вашим в том числе. Выберите его, и вы увидите:
Это ваше ядро! В добавим систему ввода / вывода.
P.S.
- Для любых фокусов с ядром лучше использовать виртуальную машину.
- Для запуска ядра в grub2 конфиг должен выглядеть так: menuentry "kernel 7001" { set root="hd0,msdos1" multiboot /boot/kernel-7001 ro }
- если вы хотите использовать эмулятор qemu , используйте: qemu-system-i386 -kernel kernel
Данный цикл статей посвящён низкоуровневому программированию, то есть архитектуре компьютера, устройству операционных систем, программированию на языке ассемблера и смежным областям. Пока что написанием занимаются два хабраюзера - iley и pehat . Для многих старшеклассников, студентов, да и профессиональных программистов эти темы оказываются весьма сложными при обучении. Существует много литературы и курсов, посвящённых низкоуровневому программированию, но по ним сложно составить полную и всеохватывающую картину. Сложно, прочитав одну-две книги по ассемблеру и операционным системам, хотя бы в общих чертах представить, как же на самом деле работает эта сложная система из железа, кремния и множества программ - компьютер.
Каждый решает проблему обучения по-своему. Кто-то читает много литературы, кто-то старается поскорее перейти к практике и разбираться по ходу дела, кто-то пытается объяснять друзьям всё, что сам изучает. А мы решили совместить эти подходы. Итак, в этом курсе статей мы будем шаг за шагом демонстрировать, как пишется простая операционная система. Статьи будут носить обзорный характер, то есть в них не будет исчерпывающих теоретических сведений, однако мы будем всегда стараться предоставить ссылки на хорошие теоретические материалы и ответить на все возникающие вопросы. Чёткого плана у нас нет, так что многие важные решения будут приниматься по ходу дела, с учётом ваших отзывов.
Возможно, мы умышленно будем заводить процесс разработки в тупик, чтобы позволить вам и себе полностью осознать все последствия неверно принятого решения, а также отточить на нем некоторые технические навыки. Так что не стоит воспринимать наши решения как единственно верные и слепо нам верить. Еще раз подчеркнём, что мы ожидаем от читателей активности в обсуждении статей, которая должна сильно влиять на общий процесс разработки и написания последующих статей. В идеале хотелось бы, чтобы со временем некоторые из читателей присоединились к разработке системы.
Мы будем предполагать, что читатель уже знаком с основами языков ассемблер и Си, а также элементарными понятиями архитектуры ЭВМ. То есть, мы не будем объяснять, что такое регистр или, скажем, оперативная память. Если вам не будет хватать знаний, вы всегда можете обратиться к дополнительной литературе. Краткий список литературы и ссылки на сайты с хорошими статьями есть в конце статьи. Также желательно уметь пользоваться Linux, так как все инструкции по компиляции будут приводиться именно для этой системы.
А теперь - ближе к делу. В оставшейся части статьи мы с вами напишем классическую программу «Hello World». Наш хеллоуворлд получится немного специфическим. Он будет запускаться не из какой-либо операционной системы, а напрямую, так сказать «на голом железе». Перед тем, как приступить непосредственно к написанию кода, давайте разберёмся, как же конкретно мы пытаемся это сделать. А для этого надо рассмотреть процесс загрузки компьютера.
Итак, берем свой любимый компьютер и нажимаем самую большую кнопочку на системном блоке. Видим веселую заставку, системный блок радостно пищит спикером и через какое-то время загружается операционная система. Как вы понимаете, операционная система хранится на жёстком диске, и вот тут возникает вопрос: а каким же волшебным образом операционная система загрузилась в ОЗУ и начала выполняться?
Знайте же: за это отвечает система, которая есть на любом компьютере, и имя ей - нет, не Windows, типун вам на язык - называется она BIOS. Расшифровывается ее название как Basic Input-Output System, то есть базовая система ввода-вывода. Находится BIOS на маленькой микросхемке на материнской плате и запускается сразу после нажатия большой кнопки ВКЛ. У BIOS три главных задачи:
- Обнаружить все подключенные устройства (процессор, клавиатуру, монитор, оперативную память, видеокарту, голову, руки, крылья, ноги и хвосты…) и проверить их на работоспособность. Отвечает за это программа POST (Power On Self Test – самотестирование при нажатии ВКЛ). Если жизненно важное железо не обнаружено, то никакой софт помочь не сможет, и на этом месте системный динамик пропищит что-нибудь зловещее и до ОС дело вообще не дойдет. Не будем о печальном, предположим, что у нас есть полностью рабочий компьютер, возрадуемся и перейдем к рассмотрению второй функции BIOS:
- Предоставление операционной системе базового набора функций для работы с железом. Например, через функции BIOS можно вывести текст на экране или считать данные с клавиатуры. Потому она и называется базовой системой ввода-вывода. Обычно операционная система получает доступ к этим функциям посредством прерываний.
- Запуск загрузчика операционной системы. При этом, как правило, считывается загрузочный сектор - первый сектор носителя информации (дискета, жесткий диск, компакт-диск, флэшка). Порядок опроса носителей можно задать в BIOS SETUP. В загрузочном секторе содержится программа, иногда называемая первичным загрузчиком. Грубо говоря, задача загрузчика - начать запуск операционной системы. Процесс загрузки операционной системы может быть весьма специфичен и сильно зависит от её особенностей. Поэтому первичный загрузчик пишется непосредственно разработчиками ОС и при установке записывается в загрузочный сектор. В момент запуска загрузчика процессор находится в реальном режиме.
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.
