Как написать собственную операционную систему

Время на прочтение
6 мин

Количество просмотров 247K

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.

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.

Литература

По языку ассемблера:
- Зубков С. В. «Assembler для DOS, Windows и Unix»
- Введение в машинный код
- Программирование на ассемблере под DOS
По языку Си:
- Керниган Б., Ритчи Д. «Язык программирования C»
- Шилдт Г. «Полный справочник по C»
По устройству операционных систем:
- Таненбаум Э. «Современные операционные системы»
- Таненбаум Э. «Операционные системы: Разработка и реализация»
- Олифер В., Олифер Н. «Сетевые операционные системы»
- http://osdev.org
По архитектуре ЭВМ:
- Таненбаум Э. «Архитектура компьютера»
- Гук М. «Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия»
- Петцольд Ч. «Код. Тайный язык информатики»
Справочная информация
- Dan Rollins’s TechHelp
- Intel Software Developer Manual

Источник

Download Article

This wikiHow teaches you how to plan and develop an operating system if you don’t know how to code in C, or C++. Operating systems manage computer hardware and provide the resources that applications need to run. Writing an operating system from scratch requires a strong command of computer science, a programming language like C or C++, assembly, and code management practices.

1

Take some basic Computer Science courses. Unlike developing for the web, creating an operating system requires a strong understanding of algorithms, data structures, computer hardware, and resource management.^[1] People get degrees in this stuff, so don’t expect to write an entire operating system after reading an online tutorial! Harvard’s Intro to Computer Science course is available online through EDX at no cost.
2

Advertisement
3
Learn an assembly language. Assembly languages are low-level languages designed to communicate with different processors. Since assembly is different for different processor types (e.g., x86 assembly Language for Intel, AMD, VIA, and other processors), you’ll need to learn the version for the type of processor you’re coding for.
- This open-source book, if read in its entirety, can give you a solid enough understanding for building an operating system.^[2]
- The Art of Assembly Language is a highly-recommended book about assembly available both on and offline.
- You should also do a lot of research on the type of processor(s) on which your operating system should run. The manuals for processor architecture can easily be found using a Google search («Intel Manuals,» «ARM manuals,» etc.).
4
Complete an operating system tutorial. OS tutorials will walk you through the process of creating a basic operating system. This gets you used to the process and helps you figure out if there are any pieces you’re missing. Once you’ve completed a tutorial or two, you’ll be well on your way to creating your very own operating system.
- Bare Bones is a tutorial that helps you write your first simple 32-bit kernel. After completing the tutorial, the next step is to use Meaty Skeleton to structure your own operating system.
- Linux from Scratch is an online book that walks you through creating your own Linux operating system.
- Operating systems from 0 to 1 is a free book about creating various operating systems from start to finish.
5
Figure out your operating system goals. What do you want your operating system to do? How should it look? Do you really need to write an entire operating system or are you just looking to create a certain look for your desktop? These are all things to consider before beginning to code.^[3]
- Consider developing with a team of other programmers. Having a team of developers working on the project will cut the development time significantly.
- Add your project goals, plans, and questions to your public repository so it’s easy for others to help you.

1
Choose a development environment. This is the platform you’ll be using to code your new operating system. It’s a matter of personal preference, but most people either use Windows or a flavor of UNIX. If you’re using Windows, it’s a good idea to install a UNIX environment like Cygwin or MinGW. You’ll generally want to make sure whatever environment you’re using includes the following:
- GCC (the Gnu compiler). If you’re using Windows, you can install it in Cygwin or MinGW.
- Binutils is a collection of tools used for manipulating object files. Again, if you’re using Windows, you can install it in Cygwin.
- A good text editor. Vim and emacs are commonly used in UNIX environments. Windows users can use Notepad, or check out Notepad++ for a multi-tab upgrade.
- Perl and/or Python. One or both are recommended for string manipulation.
2

Set up your version control system. Writing an operating system means you’ll likely be creating hundreds (or thousands!) of lines of code. When you’re working on revisions, this can get confusing. Some options to check out are CVS, Mercurial, and Subversion.
3
4

Choose a kernel design. The kernel is the core of your operating system, providing an interface between the user and the computer hardware. There are monolithic kernels and micro kernels. Monolithic kernels implement all the services in the kernel, while microkernels have a small kernel combined with user daemons implementing services. In general, monolithic kernels are faster, but microkernels have better fault isolation and reliability.
5
Start small. Begin with small things such as displaying text and interrupts before moving on to things such as memory management and multitasking. You can also try making a simple 16-bit Operating System, instead of taking a big leap.
- You will not have a full system in two weeks. Start with an OS that boots, then move on to the cool stuff.
6

Test your new operating system with a virtual machine. Rather than rebooting your computer each time you make changes or having to transfer the files from your development computer to your test machine, use a virtual machine application. VMWare is a common option that works with both Windows and Linux, and so is Bochs. Check for potential deadlocks and other bugs and repair them as needed.
7

Release a «release candidate.» You can do this by uploading your tested code to your public repository. This will allow people to test your operating system and report back on any issues they run into.
8

Network with other operating system developers. There’s an entire community of operating system developers congregating on various forums, including /r/osdev on Reddit and the Software Engineering Stack Exchange. One you’ve gotten a grasp on developing a basic operating system, read existing posts to see what kind of things come up during the development process.

Add New Question

Question

Can I do this if I have no programming experience?

Only if you’re willing to learn a lot. You will require a full understanding of at least assembly code, and the motivation to learn more. Building your own OS is not a small task.
Question

What should be my first step?

Learn programming languages and concepts, and practice to become a very strong programmer.
Question

Which applications can I use to program my operating system?

That depends on the programming language you are using. It is recommended, however, to use an IDE, or Integrated Development Environment, to program your operating system, as IDEs have built-in tools and features to help make development easier. Not all IDEs support every language however, so you will want to specifically search for IDEs that support the language (or languages) you’re using.

See more answers

Ask a Question

200 characters left

Include your email address to get a message when this question is answered.

Submit

Video

After all development is done, decide if you want to release the code as open source, or proprietary.
To make an operating system able to handle multiple processors, your Memory Manager must have «locking» mechanisms in place to prevent multiple processors from accessing the same resource at the same time. The «locks» used for this will require the presence of a scheduler to make sure that only one processor accesses a critical resource at any given time and all the others are made to wait. Yet the scheduler depends on the presence of a Memory Manager. This is a case of a deadlocked dependency. There is no standard way to solve problems like this; as a programmer, you are expected to be skilled enough to figure out his own way of dealing with it.
Be sure to implement security features as your top priority if you ever want your system to be viable.

Show More Tips

Thanks for submitting a tip for review!

About This Article

Article SummaryX

1. Take some computer science courses.
2. Learn a high-level programming language at an advanced level.
3. Learn a low-level assembly language.
4. Complete an operating system tutorial.
5. Plan your operating system.
6. Create your programming environment.
7. Build and test.
8. Release a release candidate.

Did this summary help you?

Thanks to all authors for creating a page that has been read 1,559,072 times.

Is this article up to date?

Источник

Download Article

1

Take some basic Computer Science courses. Unlike developing for the web, creating an operating system requires a strong understanding of algorithms, data structures, computer hardware, and resource management.^[1] People get degrees in this stuff, so don’t expect to write an entire operating system after reading an online tutorial! Harvard’s Intro to Computer Science course is available online through EDX at no cost.
2

Advertisement
3
Learn an assembly language. Assembly languages are low-level languages designed to communicate with different processors. Since assembly is different for different processor types (e.g., x86 assembly Language for Intel, AMD, VIA, and other processors), you’ll need to learn the version for the type of processor you’re coding for.
- This open-source book, if read in its entirety, can give you a solid enough understanding for building an operating system.^[2]
- The Art of Assembly Language is a highly-recommended book about assembly available both on and offline.
- You should also do a lot of research on the type of processor(s) on which your operating system should run. The manuals for processor architecture can easily be found using a Google search («Intel Manuals,» «ARM manuals,» etc.).
4
Complete an operating system tutorial. OS tutorials will walk you through the process of creating a basic operating system. This gets you used to the process and helps you figure out if there are any pieces you’re missing. Once you’ve completed a tutorial or two, you’ll be well on your way to creating your very own operating system.
- Bare Bones is a tutorial that helps you write your first simple 32-bit kernel. After completing the tutorial, the next step is to use Meaty Skeleton to structure your own operating system.
- Linux from Scratch is an online book that walks you through creating your own Linux operating system.
- Operating systems from 0 to 1 is a free book about creating various operating systems from start to finish.
5
Figure out your operating system goals. What do you want your operating system to do? How should it look? Do you really need to write an entire operating system or are you just looking to create a certain look for your desktop? These are all things to consider before beginning to code.^[3]
- Consider developing with a team of other programmers. Having a team of developers working on the project will cut the development time significantly.
- Add your project goals, plans, and questions to your public repository so it’s easy for others to help you.

1
Choose a development environment. This is the platform you’ll be using to code your new operating system. It’s a matter of personal preference, but most people either use Windows or a flavor of UNIX. If you’re using Windows, it’s a good idea to install a UNIX environment like Cygwin or MinGW. You’ll generally want to make sure whatever environment you’re using includes the following:
- GCC (the Gnu compiler). If you’re using Windows, you can install it in Cygwin or MinGW.
- Binutils is a collection of tools used for manipulating object files. Again, if you’re using Windows, you can install it in Cygwin.
- A good text editor. Vim and emacs are commonly used in UNIX environments. Windows users can use Notepad, or check out Notepad++ for a multi-tab upgrade.
- Perl and/or Python. One or both are recommended for string manipulation.
2

Set up your version control system. Writing an operating system means you’ll likely be creating hundreds (or thousands!) of lines of code. When you’re working on revisions, this can get confusing. Some options to check out are CVS, Mercurial, and Subversion.
3
4

Choose a kernel design. The kernel is the core of your operating system, providing an interface between the user and the computer hardware. There are monolithic kernels and micro kernels. Monolithic kernels implement all the services in the kernel, while microkernels have a small kernel combined with user daemons implementing services. In general, monolithic kernels are faster, but microkernels have better fault isolation and reliability.
5
Start small. Begin with small things such as displaying text and interrupts before moving on to things such as memory management and multitasking. You can also try making a simple 16-bit Operating System, instead of taking a big leap.
- You will not have a full system in two weeks. Start with an OS that boots, then move on to the cool stuff.
6

Test your new operating system with a virtual machine. Rather than rebooting your computer each time you make changes or having to transfer the files from your development computer to your test machine, use a virtual machine application. VMWare is a common option that works with both Windows and Linux, and so is Bochs. Check for potential deadlocks and other bugs and repair them as needed.
7

Release a «release candidate.» You can do this by uploading your tested code to your public repository. This will allow people to test your operating system and report back on any issues they run into.
8

Network with other operating system developers. There’s an entire community of operating system developers congregating on various forums, including /r/osdev on Reddit and the Software Engineering Stack Exchange. One you’ve gotten a grasp on developing a basic operating system, read existing posts to see what kind of things come up during the development process.

Add New Question

Question

Can I do this if I have no programming experience?

Only if you’re willing to learn a lot. You will require a full understanding of at least assembly code, and the motivation to learn more. Building your own OS is not a small task.
Question

What should be my first step?

Learn programming languages and concepts, and practice to become a very strong programmer.
Question

Which applications can I use to program my operating system?

That depends on the programming language you are using. It is recommended, however, to use an IDE, or Integrated Development Environment, to program your operating system, as IDEs have built-in tools and features to help make development easier. Not all IDEs support every language however, so you will want to specifically search for IDEs that support the language (or languages) you’re using.

See more answers

Ask a Question

200 characters left

Include your email address to get a message when this question is answered.

Submit

Video

After all development is done, decide if you want to release the code as open source, or proprietary.
To make an operating system able to handle multiple processors, your Memory Manager must have «locking» mechanisms in place to prevent multiple processors from accessing the same resource at the same time. The «locks» used for this will require the presence of a scheduler to make sure that only one processor accesses a critical resource at any given time and all the others are made to wait. Yet the scheduler depends on the presence of a Memory Manager. This is a case of a deadlocked dependency. There is no standard way to solve problems like this; as a programmer, you are expected to be skilled enough to figure out his own way of dealing with it.
Be sure to implement security features as your top priority if you ever want your system to be viable.

Show More Tips

Thanks for submitting a tip for review!

About This Article

Article SummaryX

Did this summary help you?

Thanks to all authors for creating a page that has been read 1,559,072 times.

Is this article up to date?

Источник

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.

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.

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:

«Assembly Language Step-by-Step: Programming with Linux» Джефа Дантеманна;
«Modern X86 Assembly Language Programming» Дэниэля Кассварма.

Кроме того, на нашем сайте есть статья о написании простейшего ядра под x86 на C.

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:

«The C Programming Language» Кернигхана и Ритчи;
«C Programming Absolute Beginner’s Guide» Пэрри и Миллера.

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:

«Modern Operating Systems» Таненбаума и Боза;
«The Design of the UNIX Operating System» Маурайса Баха;
«Operating System Concepts» Сибершатза, Гальвина и Ганге.

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).

Перевод статьи «How To Program Your Very Own Operating Systems (OS)»

Источник

os-project

Пишем свою собственную операционную систему с нуля!

Идея написать ОС возникла у меня в процессе поиска идеи для сайд-проекта. Это исключительно хобби-проект, не рассчитанный на серьезность и достоверность, и хотя я пытался объяснить многие новые и неочевидные концепты, с которыми я столкнулся в процессе разработки, я мог что-то упустить, так как я сам только учусь — именно поэтому я настоятельно рекомендую пользоваться гуглом и любыми другими источниками информации когда вы познакомитесь с чем-то новым в гайде. Гуглите абсолютно всё. Я серьезно.

**Prerequisites: **Для комфортного прохождения гайда нужно уметь программировать на языке Си на базовом уровне (одно из обязательных требований: понимать принципы работы с указателями), иметь опыт разработки на высокоуровневых ЯП. С синтаксисом ассемблера можно ознакомиться по ссылке ниже, но все же рекомендую побольше почитать или посмотреть по нему туториалов.

Навигация по репозиторию

guide/ — гайд с последовательными уроками, теорией и задокументированным кодом

Гайд разделен на главы, например 00-BOOT-SECTOR
Главы разделены на упражнения, например ex00
Упражнения содержат в себе код и теорию. Выглядят как main.asm

src/ — исходный код ОС

Установка и запуск

Установить эмулятор QEMU (подробнее: https://www.qemu.org/download/)

sudo apt install qemu-kvm qemu

Собрать кросс-компилятор gcc для i386 архитектуры процессора. Удобнее использовать готовый отсюда: https://wiki.osdev.org/GCC_Cross-Compiler#Prebuilt_Toolchains. Для компьютеров на Linux с x86_64 архитектурой:

wget http://newos.org/toolchains/i386-elf-4.9.1-Linux-x86_64.tar.xz
mkdir /usr/local/i386elfgcc
tar -xf i386-elf-4.9.1-Linux-x86_64.tar.xz -C /usr/local/i386elfgcc --strip-components=1
export PATH=$PATH:/usr/local/i386elfgcc/bin

Клонировать и собрать проект

git clone https://github.com/thedenisnikulin/os-project
cd os-project/src/build
make

Запустить образ ОС с помощью эмулятора

qemu-system-i386 -fda os-image.bin

Справочник по синтаксису ассемблера NASM

https://www.opennet.ru/docs/RUS/nasm/nasm_ru3.html

Дополнительная информация

Ссылки на полезный материал которым я пользовался в качестве теории.

На русском языке:

Серия статей о ядре Linux и его внутреннем устройстве: https://github.com/proninyaroslav/linux-insides-ru
Статья «Давай напишем ядро!»: https://xakep.ru/2018/06/18/lets-write-a-kernel/

На английском языке:

Небольшая книга по разработке собственной ОС (70 страниц): https://www.cs.bham.ac.uk/~exr/lectures/opsys/10_11/lectures/os-dev.pdf
Общее введене в разработку операционных систем: https://wiki.osdev.org/Getting_Started
Туториал по разработке ядра операционной системы для 32-bit x86 архитектуры. Первые шаги в создании собсвтенной ОС: https://wiki.osdev.org/Bare_Bones
Продолжение предыдущего туториала: https://wiki.osdev.org/Meaty_Skeleton
Про загрузку ОС (booting): https://wiki.osdev.org/Boot_Sequence
Список туториалов по написанию ядра и модулей к ОС: https://wiki.osdev.org/Tutorials
Внушительных размеров гайд по разработке ОС с нуля: http://www.brokenthorn.com/Resources/OSDevIndex.html
Книга, описывающая ОС xv6 (не особо вникал, но должно быть что-то годное): https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv-book, сама ОС: https://github.com/mit-pdos/xv6-public
«Небольшая книга о разработке операционных систем» https://littleosbook.github.io/
Операционная система от 0 до 1 (книга): https://github.com/tuhdo/os01
ОС, написанная как пример для предыдущей книги: https://github.com/tuhdo/sample-os
Интересная статья про программирование модулей для Линукса и про системное программирование https://jvns.ca/blog/2014/09/18/you-can-be-a-kernel-hacker/
Еще одна статья от автора предыдущей https://jvns.ca/blog/2014/01/04/4-paths-to-being-a-kernel-hacker/
Пример простого модуля к ядру линукса: https://github.com/jvns/kernel-module-fun/blob/master/hello.c
Еще один туториал о том, как написать ОС с нуля: https://github.com/cfenollosa/os-tutorial
Статья «Давайте напишем ядро»: https://arjunsreedharan.org/post/82710718100/kernels-101-lets-write-a-kernel
Сабреддит по разработке ОС: https://www.reddit.com/r/osdev/
Большой список идей для проектов для разных ЯП, включая C/C++: https://github.com/tuvtran/project-based-learning/blob/master/README.md
Еще один список идей для проектов https://github.com/danistefanovic/build-your-own-x
«Давайте напишем ядро с поддержкой ввода с клавиатуры и экрана»: https://arjunsreedharan.org/post/99370248137/kernel-201-lets-write-a-kernel-with-keyboard-and

Источник

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

UNIX-подобная операционная система и загрузка x86 машины

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.

Точка входа и запуск ядра

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.

Вот код сборки:

;;kernel.asm
bits 32			;директива nasm - 32 bit
section .text

global start
extern kmain	        ;kmain определена в C-файле

start:
  cli 			;блокировка прерываний
  mov esp, stack_space	;установка указателя стека
  call kmain
  hlt		 	;остановка процессора

section .bss
resb 8192		;8KB на стек
stack_space:

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.

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():

/*
*  kernel.c
*/
void kmain(void)
{
	const char *str = "my first kernel";
	char *vidptr = (char*)0xb8000; 	//видео пямять начинается здесь
	unsigned int i = 0;
	unsigned int j = 0;

	/* этот цикл очищает экран*/
	while(j < 80 * 25 * 2) {
		/* пустой символ */
		vidptr[j] = ' ';
		/* байт атрибутов */
		vidptr[j+1] = 0x07; 		
		j = j + 2;
	}

	j = 0;

	/* в этом цикле строка записывается в видео память */
	while(str[j] != '') {
		/* ascii отображение */
		vidptr[i] = str[j];
		vidptr[i+1] = 0x07;
		++j;
		i = i + 2;
	}
	return;
}

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:

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-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.

Связующая часть

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).

/*
*  link.ld
*/
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
ENTRY(start)
SECTIONS
 {
   . = 0x100000;
   .text : { *(.text) }
   .data : { *(.data) }
   .bss  : { *(.bss)  }
 }

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: {*(.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.

Grub и Multiboot

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:

;;kernel.asm

;nasm directive - 32 bit
bits 32
section .text
        ;multiboot spec
        align 4
        dd 0x1BADB002            ;магические числа
        dd 0x00                  ;флаги
        dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;контрольная сумма. мч+ф+кс должно равняться нулю

global start
extern kmain	        ;kmain определена во внешнем файле

start:
  cli 			;блокировка прерываний
  mov esp, stack_space	;указатель стека
  call kmain
  hlt		 	;остановка процессора

section .bss
resb 8192		;8KB на стек
stack_space:

Сборка ядра

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

nasm -f elf32 kernel.asm -o kasm.o

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

gcc -m32 -c kernel.c -o kc.o

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

ld -m elf_i386 -T link.ld -o kernel kasm.o kc.o

запустит компоновщик с нашим скриптом и сгенерирует исполняемое именованное ядро.

Настройка GRUB и запуск ядра

UNIX-подобная ОС с ее ядром почти поддалась. GRUB требует, чтобы ядро имело имя вида kernel-<version>. 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:

title myKernel
	root (hd0,0)
	kernel /boot/kernel-701 ro

Не забудьте удалить директиву hiddenmenu, если она существует.

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

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

PS:

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:

menuentry 'kernel 701' {
	set root='hd0,msdos1'
	multiboot /boot/kernel-701 ro
}

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

qemu-system-i386 -kernel kernel

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

Источник

Introduction: Make a Simple Operating System

Ever wanted to make an Operating System? Ever waned to know how command line operating systems work? Everything’s here!

So we’ll make a basic Operating System in C#, don’t worry, if you even know some basics of c++ or java, you’ll understand the code

By end of this tutorial, you’ll be able to make your cool operating system!

So lets begin with some ind

Step 1: The Concept

So, how actually a OS works? I’ll explain from the level of a electric circuit.

Most of you know logic gates in electric circuits. when many logic gates are connected, i.e. billions of transistors are connected together inside a chip, they can store 0s and 1s. Each gate could store either 0 or 1.

Then the connected transistor forms a Micro-Controller or a Micro-Processor. Here we are going to program on the micro-processor which is in your computer.

Did you know that your computer can also run with a operating system!? Wonder how! Every chip in your computer can run individually without a microprocessor but then without OS, it can’t do multi tasking or run multiple threads together like in simple words, play a video in which one time music can play and one time graphics can play. But both can’t run together.

Because of an operating system, today you can listen to music while browsing the internet.

The OS works based on its kernel. The kernel stores all the library files and whenever we run a program, the program’s code calls header files from the kernel. In windows, kernel is ‘Win32’

Step 2: Materials and Prerequisite Knowledge

What will you need-

1) Microsoft Visual Studio 2012/2013/2010 (Any Edition)

Link: https://www.visualstudio.com/

2) COSMOS User Development Kit Milestone 4 (C# Open Source Managed Operating System)

Link: https://cosmos.codeplex.com/downloads/get/90082

3) Any Virtulization Software to run the OS. I’m using VMware Player.

Perquisite Knowledge-

Basics of C++, Java, .net would work

I just request to just browse some 5-10 basic online tutorials of c# so you can get a better understanding

Step 3: Introduction to COSMOS

Cosmos (C# Open Source Managed Operating System) is an operating system development kit which uses Visual Studio as its development environment. Despite C# in the name, any .NET based language can be used including VB.NET, Fortran, Delphi Prism, IronPython, F# and more. Cosmos itself and the kernel routines are primarily written in C#, and thus the Cosmos name. Besides that, NOSMOS (.NET Open Source Managed Operating System) sounds stupid.

Cosmos is not an operating system in the traditional sense, but instead it is an «Operating System Kit», or as I like to say «Operating System Legos». Cosmos lets you create operating systems just as Visual Studio and C# normally let you create applications. Most users can write and boot their own operating system in just a few minutes, all using Visual Studio. Milestone 5 includes new features such as an integrated project type in Visual Studio, and an integrated debugger. You can debug your operating system directly from Visual Studio using breakpoints. Cosmos is available in two distributions, the developer kit (dev kit), and the user kit. The dev kit is designed for users who want to work on Cosmos itself. The user kit is designed for those who are interested in building their own operating system and doing some Cosmos work. The dev kit might be thought of as the Cosmos SDK. Most users should start off with the user kit as it is not so overwhelming like the dev kit. This article focuses on the user kit.

Step 4: Writing Your First Operating System

So, first lets write a OS which can simply print some text on screen!

So first of all, install all of the software required that is mentioned in the previous step.

1) Open visual studio and navigate to File>New Project

2) In the new project dialog box, select COSMOS and then COSMOS Project in the templates box. Name the project and click OK!

3) Now you’ll see a file «program.cs» in the solution explorer. Click and load it.

4) You’ll see a whole lot of code in it, don’t be scared, we just need to edit code under «public static void Init()» block only

5) Now click on start button you see on visual studio toolbar or from Debug menu, click «start debugging»

6) You’ll see a COSMOS Builder window appear, without any modification, just boot click build

7) WOW! So that QEMU window appear? QEMU is actually a operating system emulator so you are seeing the code being executed. Now lets make some modifications and personalize the OS.

Step 5: Personalizing the OS

Now just make some simple changes in code,

under public static void Init(),

Change Console.WriteLine(«Welcome! You just booted C# code. Please edit Program.cs to fit your needs»); to Console.WriteLine(«Hello World! This is my first operating system»);

So, you’ve changed Welcome! You just booted C# code. Please edit Program.cs to fit your needs to Hello World! This is my first operating system.

We’ve just edited the text. Now lets compile the code and see the output. Perform the steps in previous step to compile the code.

Saw that! Text has changed! you can even put your name here. Congrats! you’ve won half the battle by understanding the basics. But how about a operating system that takes input from user and gives user a output? Just like command line operating systems or Linux terminal.

Step 6: Making a Command Line OS

So here we’ll make a command line operating system. As we saw the previous code, the code just writes some text on screen via Console.WriteLine() function. Now we will write a OS where the user gives the input and the computer processes it.

So, lets make a code which prints Hello User! Thanks for using this operating system! when we give hello as input to the computer.

In programming, there are different kinds of loops which most of you know like If loop which does the action if the conditions are met. So here will will use if loop and if the input of a user is hello, then it will print the line we mentioned above.

CODE:

string input;

input = Console.ReadLine();

if (input == «hello»)

{ Console.WriteLine(«Hello User! Thanks for using this operating system!»);

}

Here in this code, we made a string named input in which we read some data. The If loop checks that if the input matches the word hello, then it should print Hello User! Thanks for using this operating system!

Now lets go and execute this code!

You can now type into the operating system now! type hello

Excited? Saw the output?

You made your own command line OS. but how about adding many more features in this? Like if you type about, it tells you the info about the OS and if you type help it shows the list of commands? Lets do it in the next step.

Step 7: Adding More Features to Our OS

So, lets add more features like about which displays COSMOS OS 1.0 and help which displays

hello — Simple OS command

about — Know about OS

Similarly like the previous step, make 2 more if loops.

CODE:

string input;
input = Console.ReadLine();

if (input == «hello»)

{ Console.WriteLine(«Hello User! Thanks for using this operating system!»); }

if (input == «about»)

{ Console.WriteLine(«COSMOS OS 1.0 «);

}

if (input == «help»)

{

Console.WriteLine(«hello — Simple OS command»);

Console.WriteLine(«about — Know about OS «);

}

In this code as you see we’ve made 2 more if loops. Now execute the code and type about. Saw that, it displays COSMOS OS 1.0 and then close the window and re-execute the code and then type help. Saw that? This means everything is going good.

Now every OS has a option of shut down or power off. So lets add features like shutdown and restart.

Step 8: Adding Shutdown and Restart Features

Adding shutdown and restart feature is also extremely easy. In cosmos the code to shutdown is Cosmos.Sys.Deboot.ShutDown(); and to restart is Cosmos.Sys.Deboot.Reboot();

Now make IF loops which have input as shutdown and restart.

CODE:

string input;
input = Console.ReadLine();

if (input == «hello») { Console.WriteLine(«Hello User! Thanks for using this operating system!»); }

if (input == «about») { Console.WriteLine(«COSMOS OS 1.0 «);

}

if (input == «help») { Console.WriteLine(«hello — Simple OS command»); Console.WriteLine(«about — Know about OS «); }

if (input == «shutdown») { Cosmos.Sys.Deboot.ShutDown(); }

if (input == «restart») { Cosmos.Sys.Deboot.Reboot(); }

Now execute the code and type restart. Saw it xD! It restarted! Now type shutdown. Saw it, the window closed which means the OS shut down.

This may be the most exciting part when you made a OS which can shutdown and restart itself!

Now lets improve this OS by giving it final touches.

Step 9: Final Touches

In the final touches, we will use the switch case because it is much more simpler and better then IF statement. We will also make a command that when the user types a keyword which is not in list of our commands, it should show No such command

Just see the code once.

CODE:

while (true)
{

string command = Console.ReadLine();

switch (command) {

case «shutdown»: { Cosmos.Sys.Deboot.ShutDown();

break;

}

case «help»:

{

Console.WriteLine(«hello — Simple OS command»);

Console.WriteLine(«about — Know about OS «);

break;

}

case «about»:

{

Console.WriteLine(«COSMOS OS 1.0 «);

break;

}

case «reboot»: {

Cosmos.Sys.Deboot.Reboot();

break;

}

case «hello»: {

Console.WriteLine(«Hello User! Thanks for using this operating system!»);

break;

}

default: { Console.WriteLine(«No such command»);

command = null; break; } }

}

Ok, just copy the code into visual studio and execute the code. Note that we added the break;. This is used in switch case. Now have the fun with your OS!

Now try to type a wrong command like help me. this command was not defined so it shows No command found. This means now our OS won’t accept wrong commands. And try all commands. You may have noted that now you can type another command after previous as we are taking input in a constant loop.

Step 10: Running & Testing the OS

So i’m now going to test the OS we made. I’ll be using a Virtualization software to run the OS. I’ll be using VMware player which is free to download!

Ok, so create a virtual machine and open C:Users {Your Username} AppDataRoamingCosmos User Kit

Here you will find cosmos.iso file after you select build ISO in visual studio. Just boot this file in VMware and enjoy your operating system! (make it full screen)

Step 11: Thanks & About Me

I’m a 16 year old embedded developer, working with MIT Media Labs India Initiative. I work in various technologies like ARM, AVR, Arduino and Raspberry Pi.

You can find about me here: http://www.sarthaksethi.net/

Facebook: https://www.facebook.com/pages/Sarthak-Sethi/25272…

Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCv7OszKtRFkJ_e0Af…

1 Person Made This Project!

Recommendations

Источник