Mencontohi Linus Torvalds: Buat sistem operasi anda sendiri dari awal (I)

Pertama sekali, komen bahawa ini adalah artikel pertama saya dan saya harap anda semua menyukainya.

Dalam siri ini kita akan mencontohi Linus Torvalds, kita akan membuat sistem operasi kita dari 0. Dalam episod pertama ini kita akan melihat boot dan kita akan meletakkan teks di layar dari kernel kita.

Dalam kes saya, sistem operasi dipanggil NextDivel. Keputusan pertama yang harus kita buat sebaik sahaja mempertimbangkan sistem operasi adalah seperti apa bootloader?

Di sini terdapat pelbagai varian, dan kita boleh membuatnya sendiri; namun dalam tutorial ini saya akan gunakan GRUB, kerana kebanyakan lebih kurang mengetahui tentang dirinya. Kami membuat folder yang akan menjadi akar sistem operasi kami dan di sana kami membuat folder / boot / grub

mkdir nextroot && cd nextroot

mkdir -p boot/grub

Di sana kami membuat fail grub.cfg seperti berikut:

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


Dalam fail ini kita telah melihat bagaimana GRUB akan memuatkan kernel kami, dalam kes ini, di /next/START.ELF. Sekarang kita mesti membuat kernel kita.

Untuk ini kita memerlukan GCC y GAS (penyusun projek GNU, biasanya dilengkapi dengan gcc). Oleh itu, kita akan membuat kernel.

Mula-mula kita membuat fail bernama kernel.asm. Fail ini akan mengandungi titik permulaan kernel kami dan juga akan menentukan multiboot (ciri beberapa pemuat but seperti GRUB). Kandungan kernel.asm akan:

.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

Segala yang berkaitan dengan multiboot hanyalah mengikuti spesifikasi tidak lain. Segala-galanya akan bermula pada mulanya, ia akan memanggil multiboot_entry, kita akan menentukan header multiboot pada 4k pertama dan kita akan meletakkannya (dengan movl).

Kemudian kami memanggil NextKernel_Main yang merupakan fungsi C kernel kami. Dalam gelung kami berhenti untuk menghentikan komputer. Ini menyusun dengan:

as -o kernel.o -c kernel.asm

Sekarang kita akan memasuki pengaturcaraan di C. Anda akan berfikir bahawa sekarang semuanya adalah sepotong kek, kami meletakkan Printf en utama dan itu sahaja, kami telah berjaya.

Baiklah, sejak Printf y utama mereka adalah fungsi yang ditentukan oleh sistem operasi, tetapi kita membuatnya! Kita hanya boleh menggunakan fungsi yang kita tentukan sendiri.

Pada bab-bab kemudian saya akan membincangkan bagaimana meletakkan perpustakaan C kita sendiri (glibc, bionic, newlibc) tetapi dari semasa ke semasa. Kami telah bercakap bahawa kami ingin meletakkan teks di skrin, kami akan melihat bagaimana kami melakukannya.

Terdapat dua pilihan, satu adalah memanggil BIOS dan yang lain adalah mengurus memori skrin secara langsung. Kami akan melakukan yang terakhir kerana lebih jelas dari C dan ini juga akan membolehkan kami melakukannya ketika memasuki mod terlindung.

Kami membuat fail bernama NextKernel_Main.c dengan kandungan berikut:

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;
}

Dengan ini kita secara langsung memanipulasi memori VGA dan watak mengikut watak kita menulisnya. Kami menyusun dengan melumpuhkan stdlib:
gcc -o NextKernel_Main.o -c NextKernel_Main.c -nostdlib -fPIC -ffreestanding

Sekiranya anda berjaya sejauh ini, anda pasti ingin mencuba sistem operasi baru anda sekarang, tetapi kami belum selesai. Kami memerlukan fail kecil yang memberitahu penyusun di mana dalam fail untuk meninggalkan setiap bahagian. Ini dilakukan dengan skrip penghubung. Kami membuat 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 = .;
}


Dengan ini kita menentukan kedudukan setiap bahagian dan titik masuk, permulaan, yang telah kita tentukan dalam kernel.asm. Sekarang kita dapat menyatukan semua ramuan ini:

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

Sekarang kita menyalin START.ELF ke / seterusnya di dalam folder kita yang mensimulasikan akar sistem operasi kita. Kami pergi ke folder root sistem operasi baru kami dengan konsol dan mengesahkan bahawa terdapat dua fail: satu /boot/grub/grub.cfg dan satu lagi /next/START.ELF.

Kami pergi ke direktori atas dan memanggil utiliti penciptaan ISO dengan GRUB dipanggil grub-mkrescue

grub-mkrescue -o nextdivel.iso nextroot

Setelah kita melakukan ini, kita akan mempunyai ISO. ISO ini boleh dibuka di komputer x86 (64 bit juga) dan mesin maya. Untuk mengujinya, saya akan menggunakan QEMU. Kami panggil QEMU dari baris arahan:

qemu-system-i386 nextdivel.iso

Akan bermula LautBIOS dan kemudian kita akan mempunyai GRUB. Nanti jika semuanya betul kita akan melihat ungkapan kita.
Anda akan berfikir bahawa ini sukar, saya jawab anda, ya.

Benar-benar membuat sistem operasi adalah sukar dan yang satu ini tidak melakukan apa-apa yang berguna. Pada bab-bab mendatang kita akan melihat bagaimana menangani warna di layar, menyimpan memori dan jika saya boleh, bagaimana mendapatkan data dari papan kekunci.

Sekiranya seseorang tidak mahu menyalin semuanya di sini, saya mempunyai repositori di GitHub (lebih terperinci) dengan sistem operasi NextDivel. Sekiranya anda mahu menyusun NextDivel anda hanya perlu mempunyai git dan 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


Saya mendorong anda untuk berkolaborasi di NextDivel jika anda mempunyai masa dan keinginan untuk membuat sistem operasi. Mungkin lebih hebat daripada Linux ... masa akan memberitahu.