Эмуляция Линуса Торвальдса: создайте свою собственную операционную систему с нуля (I)

Прежде всего, отметьте, что это моя первая статья, и я надеюсь, что она вам понравится.

В этой серии мы будем подражать Линус Торвальдс, мы собираемся создать нашу операционную систему из 0. В этом первом эпизоде ​​мы увидим загрузку и поместим на экран текст из нашего ядра.

В моем случае операционная система называется NextDive. Первое решение, которое мы должны принять, как только мы рассмотрим операционную систему, - это какой будет загрузчик?

Здесь есть несколько вариантов, и мы даже можем создать один сами; однако в этом уроке я собираюсь использовать GRUB, потому что большинство знает о нем более или менее кое-что. Мы создаем папку, которая будет корнем нашей операционной системы, и там мы создаем папку / boot / grub

mkdir nextroot && cd nextroot

mkdir -p boot/grub

Там мы создаем файл grub.cfg следующим образом:

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


В этом файле мы увидели, как GRUB в данном случае загрузит наше ядро ​​в /next/START.ELF. Теперь мы должны создать наше ядро.

Для этого нам понадобится НКУ y ГАЗ (ассемблер проекта GNU, обычно поставляется с gcc). Итак, мы собираемся создать ядро.

Сначала мы создаем файл с именем kernel.asm. Этот файл будет содержать начальную точку нашего ядра, а также будет определять мультизагрузку (функция некоторых загрузчиков, таких как GRUB). Содержимое kernel.asm будет таким:

.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

Все, что связано с мультизагрузкой, просто не соответствует спецификации. Все начнется при запуске, он вызовет multiboot_entry, мы определили мультизагрузочный заголовок в первых 4k и поместим его (с помощью movl).

Позже мы вызываем NextKernel_Main, которая является нашей функцией ядра C. В цикле делаем остановку для остановки компьютера. Это компилируется с:

as -o kernel.o -c kernel.asm

Теперь перейдем к программированию на C. Вы подумаете, что теперь все - кусок пирога, мы ставим Printf en main и все, мы сделали это.

Ну нет, так как Printf y main это функции, которые определены операционной системой, но мы их создаем! Мы можем использовать только те функции, которые определяем сами.

В следующих главах я буду говорить о том, как установить нашу собственную библиотеку C (glibc, bionic, newlibc), но время от времени. Мы обсуждали, что хотим вывести текст на экран, что ж, посмотрим, как мы это сделаем.

Есть два варианта: один - вызвать BIOS а другой - напрямую управлять памятью экрана. Мы собираемся сделать последнее, потому что это яснее из C, и это также позволит нам сделать это, когда мы войдем в защищенный режим.

Мы создаем файл NextKernel_Main.c со следующим содержимым:

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;
}

Этим мы напрямую манипулируем памятью VGA и по буквам мы это пишем. Мы компилируем, отключив stdlib:
gcc -o NextKernel_Main.o -c NextKernel_Main.c -nostdlib -fPIC -ffreestanding

Если вы зашли так далеко, вы захотите попробовать свою новую операционную систему прямо сейчас, но мы еще не закончили. Нам нужен небольшой файл, который сообщает компилятору, где в файле оставить каждый раздел. Это делается с помощью сценария компоновщика. Создаем 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 = .;
}


Этим мы определяем положение каждого раздела и точку входа start, которую мы определили в kernel.asm. Теперь мы можем объединить всю эту смесь:

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

Теперь мы копируем START.ELF в / next внутри нашей папки, которая имитирует корень нашей операционной системы. Переходим в корневую папку нашей новой операционной системы с консолью и проверяем наличие двух файлов: один /boot/grub/grub.cfg и другой /next/START.ELF.

Мы переходим в верхний каталог и вызываем утилиту создания ISO с именем GRUB. grub-mkrescue

grub-mkrescue -o nextdivel.iso nextroot

Как только мы это сделаем, у нас будет ISO. Этот ISO можно открыть на компьютерах x86 (Тоже 64 бита) и виртуальные машины. Чтобы проверить это, я собираюсь использовать QEMU. Мы называем QEMU из командной строки:

qemu-system-i386 nextdivel.iso

Начнет Морской БИОС а позже у нас будет GRUB. Позже, если все будет правильно, мы увидим нашу фразу.
Вы подумаете, что это сложно, я отвечаю: да, это так.

На самом деле создать операционную систему сложно, и эта здесь не делает ничего полезного. В следующих главах мы увидим, как обрабатывать цвета на экране, зарезервировать память и, если получится, как получить данные с клавиатуры.

Если кто-то не хочет копировать все сюда, у меня есть репозиторий по адресу GitHub (подробнее) с операционной системой NextDive. Если вы хотите скомпилировать NextDive вам просто нужно иметь git и 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


Я призываю вас сотрудничать с NextDivel, если у вас есть время и желание создать операционную систему. Возможно, даже превосходит Linux ... время покажет.