Как начать и не бросить писать ОС
Читая Хабр в течении последних двух лет, я видел только несколько попыток разработки ОС (если конкретно: от пользователей pehat и iley (отложено на неопределённый срок) и Igor1024 (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 alman (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, .
Далее следует углублять знания согласно выбранному и по следующим направлениям:
- 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
Hello, World!
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
- .
При написании «Hello, World!» отсутствие этих функций может никак не дать о себе знать, но по мере добавления кода, линкер начнёт жаловаться на неудовлетворённые зависимости.
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
Без встроенного в ядро отладчика поиск ошибок имеет вполне реальный шанс превратится в кошмар. Так что от его написания на некотором этапе разработки просто никуда не деться. А раз это неизбежно, то лучше начать его писать заранее и таким образом значительно облегчить себе разработку и сэкономить довольно много времени. Важно суметь реализовать отладчик независимым от ядра образом, чтобы отладка минимальным образом влияла на нормальную работу системы. Вот несколько типов команд, которые могут быть полезны:
- 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.
Источник
Пишем свою ОС: Выпуск 1
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.
Печальная новость: размер начального загрузчика должен быть всего 512 байт. Почему так мало? Для этого нам надо ознакомиться с устройством дискеты. Вот познавательная картинка:
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.
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
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:
Полученный файл hello.bin нужно записать в зарузочный сектор дискеты. Делается это примерно так (разумеется, вместо fd нужно подставить имя своего дисковода).
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:
Записываем в самое начало образа нашу программу:
Запускаем полученный образ в qemu:
После запуска вы должны увидеть окошко qemu с радостной строчкой «Hello World!». На этом первая статья заканчивается. Будем рады увидеть ваши отзывы и пожелания.
Источник
