Προσομοίωση Linus Torvalds: Δημιουργήστε το δικό σας λειτουργικό σύστημα από το μηδέν (I)

Πρώτα απ 'όλα, σχολιάστε ότι αυτό είναι το πρώτο μου άρθρο και ελπίζω να σας αρέσει σε όλους.

Σε αυτήν τη σειρά θα μιμηθούμε Ο Linus Torvalds, πρόκειται να δημιουργήσουμε το λειτουργικό μας σύστημα από το 0. Σε αυτό το πρώτο επεισόδιο θα δούμε την εκκίνηση και θα βάλουμε ένα κείμενο στην οθόνη από τον πυρήνα μας.

Στην περίπτωσή μου καλείται το λειτουργικό σύστημα NextDivel. Η πρώτη απόφαση που πρέπει να λάβουμε μόλις εξετάσουμε το λειτουργικό σύστημα είναι τι πρόκειται να είναι το bootloader;

Εδώ υπάρχουν πολλές παραλλαγές, και θα μπορούσαμε ακόμη και να δημιουργήσουμε μία από εμάς. Ωστόσο, σε αυτό το σεμινάριο πρόκειται να χρησιμοποιήσω GRUB, γιατί οι περισσότεροι γνωρίζουν λίγο πολύ κάτι γι 'αυτόν. Δημιουργούμε έναν φάκελο που θα είναι η ρίζα του λειτουργικού μας συστήματος και εκεί δημιουργούμε το φάκελο / boot / grub

mkdir nextroot && cd nextroot

mkdir -p boot/grub

Εκεί δημιουργούμε το αρχείο grub.cfg ως εξής:

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


Σε αυτό το αρχείο έχουμε δει πώς GRUB θα φορτώσει τον πυρήνα μας, σε αυτήν την περίπτωση, στο /next/START.ELF. Τώρα πρέπει να δημιουργήσουμε τον πυρήνα μας.

Για αυτό θα χρειαστούμε GCC y GAS (ο συναρμολογητής του έργου GNU, συνήθως έρχεται με το gcc). Έτσι θα δημιουργήσουμε τον πυρήνα.

Πρώτα φτιάχνουμε ένα αρχείο που ονομάζεται kernel.asm. Αυτό το αρχείο θα περιέχει το σημείο εκκίνησης του πυρήνα μας και θα καθορίσει επίσης το multiboot (ένα χαρακτηριστικό ορισμένων bootloader όπως GRUB). Το περιεχόμενο του kernel.asm θα είναι:

.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

Όλα όσα σχετίζονται με το multiboot είναι απλά να ακολουθήσετε τις προδιαγραφές. Όλα θα ξεκινήσουν στην αρχή, θα καλέσουν multiboot_entry, θα έχουμε ορίσει την κεφαλίδα multiboot στο πρώτο 4k και θα το βάλουμε (με movl)

Αργότερα καλούμε NextKernel_Main που είναι η συνάρτηση C του πυρήνα μας. Στο βρόχο σταματάμε να σταματήσουμε τον υπολογιστή. Αυτό μεταγλωττίζεται με:

as -o kernel.o -c kernel.asm

Τώρα πρόκειται να εισέλθουμε στον προγραμματισμό στο C. Θα νομίζετε ότι τώρα όλα είναι ένα κομμάτι κέικ, βάζουμε ένα Printf en κύριος και αυτό είναι, το έχουμε κάνει.

Λοιπόν όχι, από τότε Printf y κύριος είναι λειτουργίες που καθορίζονται από το λειτουργικό σύστημα, αλλά τις δημιουργούμε! Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μόνο τις λειτουργίες που ορίζουμε εμείς.

Σε επόμενα κεφάλαια θα μιλήσω για το πώς να βάλουμε τη δική μας βιβλιοθήκη C (glibc, bionic, newlibc) αλλά κατά καιρούς. Μιλήσαμε ότι θέλουμε να βάλουμε κείμενο στην οθόνη, θα δούμε πώς το κάνουμε.

Υπάρχουν δύο επιλογές, μία είναι να καλέσετε το BIOS και ένα άλλο είναι η άμεση διαχείριση της μνήμης οθόνης. Θα κάνουμε το τελευταίο επειδή είναι πιο καθαρό από το C και θα μας επιτρέψει επίσης να το κάνουμε όταν μπαίνουμε σε προστατευμένη λειτουργία.

Δημιουργούμε ένα αρχείο που ονομάζεται NextKernel_Main.c με το ακόλουθο περιεχόμενο:

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;
}

Με αυτό χειριζόμαστε άμεσα τη μνήμη VGA και χαρακτήρας ανά χαρακτήρα το γράφουμε. Συντάσσουμε απενεργοποιώντας το stdlib:
gcc -o NextKernel_Main.o -c NextKernel_Main.c -nostdlib -fPIC -ffreestanding

Αν το έχετε φτάσει μέχρι τώρα, θα θελήσετε να δοκιμάσετε το ολοκαίνουργιο λειτουργικό σας σύστημα τώρα, αλλά δεν έχουμε τελειώσει ακόμα. Χρειαζόμαστε ένα μικρό αρχείο που να λέει στον μεταγλωττιστή πού βρίσκεται στο αρχείο να αφήσει κάθε ενότητα. Αυτό γίνεται με ένα σενάριο συνδέσμου. Δημιουργούμε 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 = .;
}


Με αυτό καθορίζουμε τη θέση κάθε ενότητας και το σημείο εισόδου, εκκίνηση, που έχουμε ορίσει στο kernel.asm. Τώρα μπορούμε να ενώσουμε όλα αυτά τα παρασκευάσματα:

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

Τώρα αντιγράφουμε το START.ELF στο / επόμενο μέσα στο φάκελό μας που προσομοιώνει τη ρίζα του λειτουργικού μας συστήματος. Πηγαίνουμε στον ριζικό φάκελο του νέου λειτουργικού μας συστήματος με την κονσόλα και επιβεβαιώνουμε ότι υπάρχουν δύο αρχεία: ένα /boot/grub/grub.cfg και ένα άλλο /next/START.ELF.

Πηγαίνουμε στον επάνω κατάλογο και καλούμε ένα βοηθητικό πρόγραμμα δημιουργίας ISO με το όνομα GRUB grub-mkrescue

grub-mkrescue -o nextdivel.iso nextroot

Μόλις το κάνουμε αυτό θα έχουμε ένα ISO. Αυτό το ISO μπορεί να ανοίξει σε υπολογιστές x86 (64 bit επίσης) και εικονικές μηχανές. Για να το δοκιμάσω, θα το χρησιμοποιήσω QEMU. Καλούμε QEMU από τη γραμμή εντολών:

qemu-system-i386 nextdivel.iso

Θα ξεκινήσει SeaBIOS και αργότερα θα έχουμε GRUB. Αργότερα, αν όλα είναι σωστά, θα δούμε τη φράση μας.
Θα νομίζετε ότι αυτό είναι δύσκολο, απαντώ, ναι είναι.

Η δημιουργία ενός λειτουργικού συστήματος είναι δύσκολη και αυτό εδώ δεν κάνει τίποτα χρήσιμο. Σε μελλοντικά κεφάλαια θα δούμε πώς να χειριστούμε τα χρώματα στην οθόνη, να διατηρήσουμε τη μνήμη και αν μπορώ, πώς να λάβω δεδομένα από το πληκτρολόγιο.

Εάν κάποιος δεν θέλει να αντιγράψει τα πάντα εδώ, έχω ένα αποθετήριο στο GitHub (πιο περίπλοκο) με το λειτουργικό σύστημα NextDivel. Εάν θέλετε να μεταγλωττίσετε NextDivel απλά πρέπει να έχεις git και 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


Σας ενθαρρύνω να συνεργαστείτε στο NextDivel εάν έχετε το χρόνο και την επιθυμία να δημιουργήσετε ένα λειτουργικό σύστημα. Ίσως ακόμη ανώτερο από το Linux ... ο χρόνος θα το πει.