محاكاة Linus Torvalds: قم بإنشاء نظام التشغيل الخاص بك من البداية (I)

بادئ ذي بدء ، علّق على أن هذه هي مقالتي الأولى وأتمنى أن تنال إعجابكم جميعًا.

في هذه السلسلة سنقوم بمحاكاة لينوس تورفالدس، سنقوم بإنشاء نظام التشغيل الخاص بنا من 0. في هذه الحلقة الأولى سنرى التمهيد وسنضع نصًا على الشاشة من نواة لدينا.

في حالتي ، يتم استدعاء نظام التشغيل NextDivel. القرار الأول الذي يجب أن نتخذه بمجرد النظر في نظام التشغيل هو ما سيكون برنامج bootloader؟

يوجد هنا العديد من المتغيرات ، ويمكننا حتى إنشاء واحدة بأنفسنا ؛ ولكن في هذا البرنامج التعليمي سأستخدم GRUB، لأن معظمهم يعرفون شيئًا أكثر أو أقل عنه. نقوم بإنشاء مجلد سيكون جذر نظام التشغيل لدينا وهناك نقوم بإنشاء مجلد / boot / grub

mkdir nextroot && cd nextroot

mkdir -p boot/grub

هناك نقوم بإنشاء ملف grub.cfg على النحو التالي:

menuentry "NextDivel" {
echo "Booting NextDivel"
multiboot /next/START.ELF
boot
}


في هذا الملف رأينا كيف GRUB سيتم تحميل النواة الخاصة بنا ، في هذه الحالة ، في /next/START.ELF. الآن يجب أن نخلق نواة لدينا.

لهذا سنحتاج إلى الخليج y GAS (مجمع المشروع جنو، عادةً ما يأتي مع دول مجلس التعاون الخليجي). لذلك سنقوم بإنشاء النواة.

نقوم أولاً بإنشاء ملف يسمى kernel.asm. سيحتوي هذا الملف على نقطة بداية النواة الخاصة بنا وسيحدد أيضًا نظام التشغيل المتعدد (إحدى ميزات بعض برامج تحميل التشغيل مثل GRUB). سيكون محتوى kernel.asm:

.text
.globl start
start:
jmp multiboot_entry
.align 4
multiboot_header:
.long 0x1BADB002
.long 0x00000003
.long -(0x1BADB002+0x00000003)
multiboot_entry:
movl $(stack + 0x4000), %esp
call NextKernel_Main
loop: hlt
jmp loop
.section ".bss"
.comm stack,0x4000

كل ما يتعلق بنظام التشغيل المتعدد هو ببساطة اتباع المواصفات ولا شيء آخر. سيبدأ كل شيء في البداية ، وسوف يستدعي multiboot_entry ، وسنقوم بتعريف رأس multiboot في أول 4k وسنضعه (مع movl).

لاحقًا نسمي NextKernel_Main وهي دالة النواة C. في الحلقة توقفنا لإيقاف الكمبيوتر. يجمع هذا مع:

as -o kernel.o -c kernel.asm

الآن سوف ندخل البرمجة في C. ستعتقد أن كل شيء الآن هو قطعة كعكة ، نضع printf en رئيسي وهذا كل شيء ، لقد فعلناه.

حسنًا ، لا ، منذ ذلك الحين printf y رئيسي إنها وظائف يحددها نظام التشغيل ، لكننا نقوم بإنشائها! يمكننا فقط استخدام الوظائف التي نحددها بأنفسنا.

في فصول لاحقة سأتحدث عن كيفية وضع مكتبة C الخاصة بنا (glibc ، bionic ، newlibc) ولكن من وقت لآخر. لقد ناقشنا أننا نريد وضع نص على الشاشة ، حسنًا سنرى كيف نفعل ذلك.

هناك خياران ، أحدهما هو استدعاء BIOS والآخر هو التعامل مع ذاكرة الشاشة مباشرة. سنفعل هذا الأخير لأنه أوضح من C وسيسمح لنا أيضًا بالقيام بذلك عندما ندخل إلى الوضع المحمي.

نقوم بإنشاء ملف يسمى NextKernel_Main.c بالمحتوى التالي:

int NextKernel_Main()
{
char *str = "NextDivel says Hello World", *ch;
unsigned short *vidmem = (unsigned short*) 0xb8000;
unsigned i;
for (ch = str, i = 0; *ch; ch++, i++)
vidmem[i] = (unsigned char) *ch | 0x0700;
return 0;
}

مع هذا نتلاعب مباشرة بالذاكرة وحرفًا بحرف نكتبه. نقوم بالتجميع عن طريق إلغاء تنشيط stdlib:
gcc -o NextKernel_Main.o -c NextKernel_Main.c -nostdlib -fPIC -ffreestanding

إذا كنت قد وصلت إلى هذا الحد ، فستحتاج إلى تجربة نظام التشغيل الجديد تمامًا الآن ، لكننا لم ننتهي بعد. نحتاج إلى ملف صغير يخبر المترجم بمكان كل قسم في الملف. يتم ذلك باستخدام نص رابط. نقوم بإنشاء link.ld:

ENTRY(start)
SECTIONS
{
. = 0x00100000;
.multiboot_header :
{
*(.multiboot_header)
}
.text :
{
code = .; _code = .; __code = .;
*(.text)
. = ALIGN(4096);
}
.data :
{
data = .; _data = .; __data = .;
*(.data)
*(.rodata)
. = ALIGN(4096);
}
.bss :
{
bss = .; _bss = .; __bss = .;
*(.bss)
. = ALIGN(4096);
}
end = .; _end = .; __end = .;
}


بهذا نحدد موضع كل قسم ونقطة الدخول ، ابدأ ، التي حددناها في kernel.asm. الآن يمكننا توحيد كل هذا التلفيق:

gcc -o START.ELF kernel.o NextKernel_Main.o -Tlink.ld -nostdlib -fPIC -ffreestanding -lgcc

نقوم الآن بنسخ START.ELF إلى / التالي داخل المجلد الذي يحاكي جذر نظام التشغيل الخاص بنا. نذهب إلى المجلد الجذر لنظام التشغيل الجديد الخاص بنا باستخدام وحدة التحكم والتحقق من وجود ملفين: أحدهما /boot/grub/grub.cfg والآخر /next/START.ELF.

نذهب إلى الدليل العلوي وندعو أداة إنشاء ISO باستخدام GRUB يسمى نكش مكريسكي

grub-mkrescue -o nextdivel.iso nextroot

بمجرد القيام بذلك ، سيكون لدينا ملف ISO. يمكن فتح ملف ISO على أجهزة الكمبيوتر x86 (64 بت أيضًا) والأجهزة الافتراضية. لاختباره ، سأستخدم كيمو. نحن نتصل كيمو من سطر الأوامر:

qemu-system-i386 nextdivel.iso

ستبدأ سيبيوس وبعد ذلك سيكون لدينا GRUB. في وقت لاحق ، إذا كان كل شيء صحيحًا ، فسنرى عبارتنا.
ستعتقد أن هذا صعب ، أجبك ، نعم هو كذلك.

من الصعب حقًا إنشاء نظام تشغيل وأن هذا النظام هنا لا يفعل أي شيء مفيد. سنرى في الفصول المستقبلية كيفية التعامل مع الألوان على الشاشة ، وحجز الذاكرة ، وإذا أمكن ، كيف يمكنني الحصول على البيانات من لوحة المفاتيح.

إذا كان شخص ما لا يريد نسخ كل شيء هنا ، فلدي مستودع في GitHub جيثب: (أكثر تفصيلاً) مع نظام التشغيل NextDivel. إذا كنت تريد تجميع ملفات NextDivel عليك فقط الحصول على git و cmake:

git clone https://github.com/AdrianArroyoCalle/next-divel
cd next-divel
mkdir build && cd build
cmake ..
make
make DESTDIR=next install
chmod +x iso.sh
./iso.sh
qemu-system-i386 nextdivel.iso


أنا أشجعك على التعاون في NextDivel إذا كان لديك الوقت والرغبة في إنشاء نظام تشغيل. ربما حتى أفضل من Linux ... سيخبرنا الوقت.