Mô phỏng Linus Torvalds: Tạo hệ điều hành của riêng bạn từ đầu (I)

Trước hết, hãy bình luận rằng đây là bài viết đầu tiên của tôi và tôi hy vọng tất cả các bạn thích nó.

Trong loạt bài này, chúng tôi sẽ mô phỏng Linus Torvalds, chúng ta sẽ tạo hệ điều hành của mình từ 0. Trong tập đầu tiên này, chúng ta sẽ xem phần khởi động và chúng ta sẽ đặt một văn bản trên màn hình từ kernel của chúng ta.

Trong trường hợp của tôi, hệ điều hành được gọi là Tiếp theoLặn. Quyết định đầu tiên chúng ta phải đưa ra ngay khi xem xét hệ điều hành là bộ nạp khởi động sẽ là gì?

Ở đây có nhiều biến thể, và chúng tôi thậm chí có thể tự tạo một biến thể; tuy nhiên trong hướng dẫn này tôi sẽ sử dụng GRUB, bởi vì hầu hết đều biết ít nhiều điều gì đó về anh ta. Chúng tôi tạo một thư mục sẽ là thư mục gốc của hệ điều hành của chúng tôi và ở đó chúng tôi tạo thư mục / boot / grub

mkdir nextroot && cd nextroot

mkdir -p boot/grub

Ở đó, chúng tôi tạo tệp grub.cfg như sau:

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


Trong tệp này, chúng tôi đã thấy cách GRUB sẽ tải hạt nhân của chúng ta, trong trường hợp này, trong /next/START.ELF. Bây giờ chúng ta phải tạo hạt nhân của mình.

Đối với điều này, chúng tôi sẽ cần GCC y GAS (người lắp ráp dự án GNU, thường đi kèm với gcc). Vì vậy, chúng ta sẽ tạo hạt nhân.

Đầu tiên chúng ta tạo một tệp có tên kernel.asm. Tệp này sẽ chứa điểm bắt đầu của hạt nhân của chúng ta và cũng sẽ xác định multiboot (một tính năng của một số bộ nạp khởi động như GRUB). Nội dung của kernel.asm sẽ là:

.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

Mọi thứ liên quan đến multiboot chỉ đơn giản là tuân theo các thông số kỹ thuật không có gì khác. Mọi thứ sẽ bắt đầu từ đầu, nó sẽ gọi multiboot_entry, chúng tôi sẽ xác định tiêu đề multiboot trong 4k đầu tiên và chúng tôi sẽ đặt nó (với movl).

Sau đó, chúng tôi gọi NextKernel_Main là hàm C trong hạt nhân của chúng tôi. Trong vòng lặp, chúng tôi thực hiện tạm dừng để dừng máy tính. Điều này biên dịch với:

as -o kernel.o -c kernel.asm

Bây giờ chúng ta sẽ nhập môn lập trình bằng C. Bạn sẽ nghĩ rằng bây giờ mọi thứ đều là một miếng bánh, chúng ta đặt một printf en chính và đó là nó, chúng tôi đã làm nó.

Vâng không, kể từ khi printf y chính chúng là các chức năng được xác định bởi hệ điều hành, nhưng chúng tôi đang tạo ra chúng! Chúng tôi chỉ có thể sử dụng các chức năng mà chúng tôi tự xác định.

Trong các chương sau, tôi sẽ nói về cách đặt thư viện C của riêng chúng ta (glibc, bionic, newlibc) nhưng theo thời gian. Chúng tôi đã thảo luận rằng chúng tôi muốn đưa văn bản lên màn hình, chúng tôi sẽ xem cách chúng tôi thực hiện.

Có hai tùy chọn, một là gọi BIOS và một cách khác là quản lý bộ nhớ màn hình trực tiếp. Chúng tôi sẽ làm điều sau vì nó rõ ràng hơn từ C và nó cũng sẽ cho phép chúng tôi làm điều đó khi chúng tôi vào chế độ được bảo vệ.

Chúng tôi tạo một tệp có tên NextKernel_Main.c với nội dung sau:

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;
}

Với điều này, chúng tôi trực tiếp thao tác bộ nhớ VGA và từng ký tự mà chúng tôi đang viết nó. Chúng tôi biên dịch bằng cách tắt stdlib:
gcc -o NextKernel_Main.o -c NextKernel_Main.c -nostdlib -fPIC -ffreestanding

Nếu bạn đã làm được điều này đến nay, bạn sẽ muốn thử hệ điều hành hoàn toàn mới của mình ngay bây giờ, nhưng chúng tôi vẫn chưa hoàn thành. Chúng tôi cần một tệp nhỏ cho trình biên dịch biết vị trí của mỗi phần trong tệp. Điều này được thực hiện với một tập lệnh trình liên kết. Chúng tôi tạo 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 = .;
}


Với điều này, chúng tôi xác định vị trí của từng phần và điểm vào, bắt đầu, mà chúng tôi đã xác định trong kernel.asm. Bây giờ chúng ta có thể hợp nhất tất cả sự pha chế này:

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

Bây giờ chúng ta sao chép START.ELF vào / next bên trong thư mục mô phỏng thư mục gốc của hệ điều hành của chúng ta. Chúng tôi đi tới thư mục gốc của hệ điều hành mới bằng bảng điều khiển và xác minh rằng có hai tệp: một /boot/grub/grub.cfg và một /next/START.ELF khác.

Chúng tôi đi đến thư mục trên và gọi một tiện ích tạo ISO với GRUB được gọi là grub-mkrescue

grub-mkrescue -o nextdivel.iso nextroot

Khi chúng tôi đã làm điều này, chúng tôi sẽ có một ISO. ISO này có thể được mở trên máy tính x86 (Cả 64 bit) và máy ảo. Để kiểm tra nó, tôi sẽ sử dụng QEMU. Chúng tôi gọi QEMU từ dòng lệnh:

qemu-system-i386 nextdivel.iso

Sẽ bắt đầu biểnBIOS và sau này chúng ta sẽ có GRUB. Sau này nếu mọi thứ đều chính xác chúng ta sẽ thấy cụm từ của chúng ta.
Bạn sẽ nghĩ rằng điều này là khó khăn, tôi trả lời là có.

Thực sự việc tạo ra một hệ điều hành rất khó và cái này ở đây không làm được gì hữu ích. Trong các chương tiếp theo, chúng ta sẽ xem cách xử lý màu sắc trên màn hình, dự trữ bộ nhớ và nếu tôi có thể, cách lấy dữ liệu từ bàn phím.

Nếu ai đó không muốn sao chép mọi thứ ở đây, tôi có một kho lưu trữ tại GitHub (phức tạp hơn) với hệ điều hành Tiếp theoLặn. Nếu bạn muốn biên dịch Tiếp theoLặn bạn chỉ cần có git và 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


Tôi khuyến khích bạn cộng tác trên NextDivel nếu bạn có thời gian và mong muốn tạo một hệ điều hành. Có lẽ thậm chí còn vượt trội hơn Linux ... thời gian sẽ trả lời.