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

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).

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.

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.

     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