Oponašanje Linusa Torvaldsa: Stvorite vlastiti operativni sustav od nule (I)

Prije svega, komentirajte da je ovo moj prvi članak i da želim da vam se svidi.

U ovoj seriji oponašat ćemo se Linus Torvalds, stvorit ćemo svoj operativni sustav od 0. U ovoj prvoj epizodi vidjet ćemo boot i stavit ćemo tekst na zaslon iz naše jezgre.

U mom se slučaju zove operativni sustav NextDivel. Prva odluka koju moramo donijeti čim razmotrimo operativni sustav je kakav će biti bootloader?

Ovdje postoji više varijanti, a čak bismo je mogli i sami stvoriti; međutim u ovom uputstvu ću se poslužiti GRUB, jer većina zna više ili manje nešto o njemu. Stvorimo mapu koja će biti korijen našeg operativnog sustava i tamo kreiramo mapu / boot / grub

mkdir nextroot && cd nextroot

mkdir -p boot/grub

Tamo kreiramo datoteku grub.cfg kako slijedi:

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


U ovoj smo datoteci vidjeli kako GRUB će učitati naš kernel, u ovom slučaju, u /next/START.ELF. Sada moramo stvoriti svoj kernel.

Za ovo će nam trebati GCC y GAS (montažer projekta GNU, obično dolazi s gcc-om). Dakle, mi ćemo stvoriti jezgru.

Prvo napravimo datoteku zvanu kernel.asm. Ova će datoteka sadržavati početnu točku našeg jezgra i također će definirati multiboot (značajka nekih bootloadera poput GRUB). Sadržaj kernel.asm bit će:

.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

Sve što je vezano za multiboot jednostavno je slijediti specifikacije i ništa drugo. Sve će početi u startu, zvat će multiboot_entry, definirat ćemo zaglavlje multiboot-a u prvih 4k i stavit ćemo ga (s movl).

Kasnije zovemo NextKernel_Main koja je naša funkcija jezgre C. U petlji zaustavljamo računalo. Ovo se sastavlja sa:

as -o kernel.o -c kernel.asm

Sad ćemo ući u programiranje na C. Pomislit ćete da je sada sve samo kolač, stavili smo printf en glavni i to je to, uspjeli smo.

Pa ne, budući da printf y glavni to su funkcije koje definira operativni sustav, ali mi ih stvaramo! Možemo se koristiti samo funkcijama koje sami definiramo.

U kasnijim poglavljima govorit ću o tome kako staviti vlastitu C biblioteku (glibc, bionic, newlibc), ali s vremena na vrijeme. Razgovarali smo da želimo staviti tekst na ekran, pa ćemo vidjeti kako ćemo to učiniti.

Dvije su mogućnosti, jedna je nazvati BIOS a drugo je izravno upravljanje memorijom zaslona. Učinit ćemo ovo drugo jer je jasnije iz C-a, a također će nam omogućiti da uđemo u zaštićeni način.

Stvaramo datoteku pod nazivom NextKernel_Main.c sa sljedećim sadržajem:

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;
}

Ovim izravno manipuliramo pamćenjem VGA i lik po lik pišemo. Kompajliramo onemogućavanjem stdliba:
gcc -o NextKernel_Main.o -c NextKernel_Main.c -nostdlib -fPIC -ffreestanding

Ako ste stigli toliko daleko, morat ćete isprobati svoj potpuno novi operativni sustav sada, ali još nismo završili. Treba nam mala datoteka koja kompajleru govori gdje u datoteci treba napustiti svaki odjeljak. To se radi pomoću povezivačke skripte. Izrađujemo 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 = .;
}


Ovim definiramo položaj svakog odjeljka i ulaznu točku, start, koju smo definirali u kernel.asm. Sada možemo ujediniti svu ovu izmišljotinu:

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

Sada kopiramo START.ELF u / next unutar naše mape koja simulira korijen našeg operativnog sustava. S konzolom idemo u korijensku mapu našeg novog operativnog sustava i provjeravamo postoje li dvije datoteke: jedna /boot/grub/grub.cfg i druga /next/START.ELF.

Idemo u gornji direktorij i pozivamo uslužni program za stvaranje ISO-a s GRUB-om grub-mkrescue

grub-mkrescue -o nextdivel.iso nextroot

Nakon što to učinimo imat ćemo a ISO. Ovaj se ISO može otvoriti na računalima x86 (64 bita također) i virtualni strojevi. Da bih ga testirao, koristit ću QEMU. Mi zovemo QEMU iz naredbenog retka:

qemu-system-i386 nextdivel.iso

Početi će SeaBIOS a kasnije ćemo imati GRUB. Kasnije, ako je sve točno, vidjet ćemo našu frazu.
Mislit ćete da je ovo teško, odgovaram, da jeste.

Stvarno je stvaranje operativnog sustava teško i ovaj ovdje ne čini ništa korisno. U budućim ćemo poglavljima vidjeti kako se rukuje bojama na zaslonu, rezervira memorija i, ako mogu, kako se dobivaju podaci s tipkovnice.

Ako netko ne želi sve ovdje kopirati, imam spremište na GitHub (detaljnije) s operativnim sustavom NextDivel. Ako želite sastaviti NextDivel jednostavno morate imati git i 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


Potičem vas da surađujete na NextDivelu ako imate vremena i želje za izradom operativnog sustava. Možda čak i superiorniji od Linuxa ... vrijeme će pokazati.