Создание собственной операционной системы. Школа ассемблера: разработка операционной системы

WikiHow работает по принципу вики, а это значит, что многие наши статьи написаны несколькими авторами. При создании этой статьи над ее редактированием и улучшением работали, в том числе анонимно, 90 человек(а).

Операционные системы, составленные из сотен тысяч строк кода, позволяют пользователям взаимодействовать с компьютерной техникой. Они обычно пишутся на языках программирования C, C++ и ассемблер.

Шаги

Для начала обучитесь программированию. Знание ассемблера необходимо; настоятельно рекомендуется также иметь понятие о других дополнительных языках программирования более низкого уровня, например, С.

Определитесь, на какое устройство вы хотите загрузить операционную систему. Это может быть CD-диск, DVD-диск, устройство флэш-памяти, жесткий диск или другой компьютер.

Решите, какой вы хотите видеть вашу операционную систему. Должна ли это быть полная версия ОС с графическим интерфейсом пользователя (GUI) или, может быть, что-нибудь более минималистичное? Вам необходимо знать, в каком направлении двигаться, еще перед началом процесса.

Уточните, какую платформу процессора будет поддерживать ваша операционная система. AI-32 и x86_64 являются двумя наиболее распространенными версиями для персональных компьютеров, так что их можно считать наилучшим выбором.

Определитесь, предпочитаете ли делать все самостоятельно с нуля, или же имеются ядра, на основе которых вы бы хотели надстроить систему. Linux с нуля – проект для тех, кто желает, к примеру, создать свой собственный дистрибутив Linux.

Выберите, собираетесь вы использовать свой собственный загрузчик или предварительно созданный унифицированный системный загрузчик Grand Unified Bootloader (GRUB). Поскольку кодирование своей собственной программы загрузки требует обширных знаний в области компьютерного обеспечения и BIOS, это может отодвинуть график программирования действующего ядра.

Примите решение по поводу языка программирования, который собираетесь использовать. Конечно, вполне возможно разработать ОС на таком языке, как Pascal или BASIC, но предпочтительнее писать на С или ассемблере. Ассемблер совершенно необходим, т. к. некоторые важные части операционной системы требуют знания именно этого языка. C++, с другой стороны, содержит ключевые слова, требуемые для запуска полной версии ОС.

• Чтобы собрать ОС с помощью кодов C или C++, вы, конечно, будете использовать то один компилятор, то другой. Это означает, что вы должны прочесть руководство/инструкции/документацию для выбранного компилятора C/C++, что поставляется в комплекте с программным обеспечением или доступно на веб-сайте дистрибьютора. Вам придется узнать множество сложных вещей о компиляторе, кроме того, для совершенствования C++ предстоит изучить его схему и ABI. Вы, как ожидается, поймете различные форматы исполнительных задач (ELF, PE, COFF, обычные бинарные и т.д.) и заметите, что собственный формат Windows, PE (.exe) защищен авторским правом.

1. Выберите интерфейс программирования приложений (API). Одной из подборок хорошего API является POSIX, так как она хорошо документирован. Все системы Unix имеют, по крайней мере, частичную поддержку POSIX, так что было бы тривиально пристраивать программы Unix на вашу операционную систему.

   Определитесь с дизайном. Существуют монолитные ядра и микроядра. Монолитные ядра выполняют все службы в ядре, в то время как микроядра имеют маленькое ядро в сочетании с пользовательской реализацией сервисов. В общем, монолитные ядра быстрее, но микроядра имеют лучшую изоляцию и защиту от возможных неисправностей.

   Рассмотрите вопрос о разработке и работе в команде. Таким образом, вам потребуется меньше времени на разрешение больших проблем, что позволит создать операционную систему лучшего качества за более короткие сроки.

   Не стирайте ваш жесткий диск полностью. Помните, форматирование диска необратимо очистит все ваши данные! Используйте GRUB или другой менеджер для дублированной загрузки вашего компьютера с другой ОС, пока ваша версия не будет полностью готова функционально.

   Начните с малого. Обратите внимание в первую очередь на мелочи, такие как отображение текста и прерывания, прежде чем переходить к сложным элементам, к примеру, к управлению памятью и многозадачности.

   Сохраняйте резервную копию последней рабочей версии. Это дает определенное спокойствие в случае, если что-то пойдет абсолютно неправильно в текущей версии вашей ОС или последующих дополнениях. В случае поломки вашего компьютера и невозможности загрузки, как вы и сами понимаете, отличной возможностью станет наличие второй копии для работы, так что вы сможете устранить имеющиеся неисправности.

   Протестируйте вашу новую операционную систему на виртуальной машине. Вместо перезагрузки компьютера каждый раз после внесения изменений или передачи файлов с рабочего компьютера тестовой машине вы можете использовать приложение для запуска ОС на виртуальной машине, в то время как ваша текущая ОС продолжает работать. Приложения VM включают в себя VMWare (которая также имеет сервер в свободном доступе), альтернативный открытый исходный код, Bochs, Microsoft Virtual PC (не совместим с Linux), а также XVM VirtualBox.

   Выпустите релиз-версию. Это позволит пользователям рассказать вам о возможных недостатках в вашей операционной системе.

2. Операционная система также должна быть удобной для пользователя, так что не забудьте добавить полезные функции, которые станут неотъемлемой частью вашего дизайна.

   • Когда разработка будет закончена, подумайте, хотите ли вы представить код в свободном доступе либо же установить частные права на него.
   • Обязательно сделайте функции безопасности вашим основным приоритетом, если хотите, чтобы ваша система была жизнеспособной.
   • Не начинайте проект разработки операционной системы с целью обучения программированию. Если вы не знаете C, C++, Pascal или какие-нибудь другие подходящие языки и свойства, в том числе типы указателя, операции с битами низкого уровня, переключение битов, встроенный ассемблер и т.д., – значит, еще не готовы для создания ОС.
   • Просматривайте такие порталы, как OSDev и OSDever, которые помогут вам улучшить собственную операционную систему. Обратите особое внимание на то, что по большинству вопросов сообщество OSDev.org предпочитает, чтобы вы самостоятельно обращались к содержанию сайта, а не присоединялись к форуму. Если вы все же решили примкнуть к рядам форумчан, для этого должны быть определенные предпосылки. Вы обязаны досконально знать C или C++ и язык x86 ассамблер. Вы также должны понимать общие и комплексные понятия в программировании, такие как Linked Lists, Queues и т.д. Сообщество OSDev в своих правилах прямо говорит о том, что никто не собирается нянчить новых программистов. Если вы пытаетесь разработать ОС, само собой разумеется, что вы «бог» в области программирования. От вас также требуется прочесть руководство по работе с процессором касательно его архитектуры, выбранной вами; например, x86 (Intel), ARM, MIPS, PPC и т.д. Такой справочник по структуре процессора можно легко найти с помощью поиска в Google («Intel Manuals», «ARM manuals» и т.д.). Не регистрируйтесь на форуме OSDev.org, чтобы задавать очевидные вопросы. Это просто приведет к ответам вроде «Read the f*** ing Manual». Для начала вы должны попробовать почитать Википедию, пособия для различных инструментов, которые собираетесь использовать.
   • Проверьте наличие потенциальных мертвых точек и других ошибок. Недочеты, тупики и другие проблемы могут повлиять на проект вашей операционной системы.
   • Если вы хотите способ попроще, представьте дистрибутивы Linux - типа Fedora Revisor, Custom Nimble X, Puppy Remaster, PCLinuxOS mklivecd или SUSE Studio и SUSE KIWI. Тем не менее, создаваемая ОС принадлежит компании, которая первой представила этот сервис (хотя у вас есть права на ее свободное распространение, изменение и запуск, как вам нравится, под GPL).
   • Хорошим решением будет создание совершенно нового раздела для разрабатываемой операционной системы.

   Предупреждения

   • Небрежное переписывание ОС на жесткий диск может повредить его полностью. Будьте осторожны
   • У вас не получится полностью готовая система за две недели. Начните с загружаемой операционной системы, а затем переходите на более интересный материал.
   • Если вы сделаете что-то опрометчивое, как, например, напишите беспорядочные байты в произвольных портах I/O, то уничтожите вашу ОС и можете (в теории) спалить ваше оборудование.
   • Не ожидайте, что будет легко построить качественную операционную систему. Существует множество сложных взаимозависимостей. Например, для того, чтобы ОС была способна работать с несколькими процессорами, ваш диспетчер памяти должен иметь «блокирующие» механизмы для предотвращения доступа лишних процессоров в один и тот же ресурс одновременно. Используемые «блоки» предполагают наличие планировщика, чтобы убедиться, что только один процессор обращается к критическому ресурсу в любой момент времени, а все остальные находятся в режиме ожидания. Тем не менее, работа планировщика зависит от присутствия диспетчера памяти. Это пример зависимости от взаимоблокировки. Нет стандартного способа разрешить подобные проблемы; каждый создатель операционной системы, как ожидается, достаточно квалифицирован, чтобы найти свой собственный вариант их решения.

Руководство по созданию ядра для x86-системы. Часть 1. Просто ядро

Давайте напишем простое ядро, которое можно загрузить при помощи бутлоадера GRUB x86-системы. Это ядро будет отображать сообщение на экране и ждать.

Как загружается x86-система?

Прежде чем мы начнём писать ядро, давайте разберёмся, как система загружается и передаёт управление ядру.

В большей части регистров процессора при запуске уже находятся определённые значения. Регистр, указывающий на адрес инструкций (Instruction Pointer, EIP), хранит в себе адрес памяти, по которому лежит исполняемая процессором инструкция. EIP по умолчанию равен 0xFFFFFFF0 . Таким образом, x86-процессоры на аппаратном уровне начинают работу с адреса 0xFFFFFFF0. На самом деле это - последние 16 байт 32-битного адресного пространства. Этот адрес называется вектором перезагрузки (reset vector).

Теперь карта памяти чипсета гарантирует, что 0xFFFFFFF0 принадлежит определённой части BIOS, не RAM. В это время BIOS копирует себя в RAM для более быстрого доступа. Адрес 0xFFFFFFF0 будет содержать лишь инструкцию перехода на адрес в памяти, где хранится копия BIOS.

Так начинается исполнение кода BIOS. Сперва BIOS ищет устройство, с которого можно загрузиться, в предустановленном порядке. Ищется магическое число, определяющее, является ли устройство загрузочным (511-ый и 512-ый байты первого сектора должны равняться 0xAA55 ).

Когда BIOS находит загрузочное устройство, она копирует содержимое первого сектора устройства в RAM, начиная с физического адреса 0x7c00 ; затем переходит на адрес и исполняет загруженный код. Этот код называется бутлоадером .

Бутлоадер загружает ядро по физическому адресу 0x100000 . Этот адрес используется как стартовый во всех больших ядрах на x86-системах.

Все x86-процессоры начинают работу в простом 16-битном режиме, называющимся реальным режимом . Бутлоадер GRUB переключает режим в 32-битный защищённый режим , устанавливая нижний бит регистра CR0 в 1 . Таким образом, ядро загружается в 32-битном защищённом режиме.

Заметьте, что в случае с ядром Linux GRUB видит протоколы загрузки Linux и загружает ядро в реальном режиме. Ядро самостоятельно переключается в защищённый режим.

Что нам нужно?

• x86-компьютер;
• Linux;
• ld (GNU Linker);

Задаём точку входа на ассемблере

Как бы не хотелось ограничиться одним Си, что-то придётся писать на ассемблере. Мы напишем на нём небольшой файл, который будет служить исходной точкой для нашего ядра. Всё, что он будет делать - вызывать внешнюю функцию, написанную на Си, и останавливать поток программы.

Как же нам сделать так, чтобы этот код обязательно был именно исходной точкой?

Мы будем использовать скрипт-линковщик, который соединяет объектные файлы для создания конечного исполняемого файла. В этом скрипте мы явно укажем, что хотим загрузить данные по адресу 0x100000.

Вот код на ассемблере:

;;kernel.asm bits 32 ;nasm directive - 32 bit section .text global start extern kmain ;kmain is defined in the c file start: cli ;block interrupts mov esp, stack_space ;set stack pointer call kmain hlt ;halt the CPU section .bss resb 8192 ;8KB for stack stack_space:

Первая инструкция, bits 32 , не является x86-ассемблерной инструкцией. Это директива ассемблеру NASM, задающая генерацию кода для процессора, работающего в 32-битном режиме. В нашем случае это не обязательно, но вообще полезно.

Со второй строки начинается секция с кодом.

global - это ещё одна директива NASM, делающая символы исходного кода глобальными. Таким образом, линковщик знает, где находится символ start - наша точка входа.

kmain - это функция, которая будет определена в файле kernel.c . extern значит, что функция объявлена где-то в другом месте.

Затем идёт функция start , вызывающая функцию kmain и останавливающая процессор инструкцией hlt . Именно поэтому мы заранее отключаем прерывания инструкцией cli .

В идеале нам нужно выделить немного памяти и указать на неё указателем стека (esp). Однако, похоже, что GRUB уже сделал это за нас. Тем не менее, вы всё равно выделим немного места в секции BSS и переместим на её начало указатель стека. Мы используем инструкцию resb , которая резервирует указанное число байт. Сразу перед вызовом kmain указатель стека (esp) устанавливается на нужное место инструкцией mov .

Ядро на Си

В kernel.asm мы совершили вызов функции kmain() . Таким образом, наш “сишный” код должен начать исполнение с kmain() :

/* * kernel.c */ void kmain(void) { const char *str = "my first kernel"; char *vidptr = (char*)0xb8000; //video mem begins here. unsigned int i = 0; unsigned int j = 0; /* this loops clears the screen * there are 25 lines each of 80 columns; each element takes 2 bytes */ while(j < 80 * 25 * 2) { /* blank character */ vidptr[j] = " "; /* attribute-byte - light grey on black screen */ vidptr = 0x07; j = j + 2; } j = 0; /* this loop writes the string to video memory */ while(str[j] != "\0") { /* the character"s ascii */ vidptr[i] = str[j]; /* attribute-byte: give character black bg and light grey fg */ vidptr = 0x07; ++j; i = i + 2; } return; }

Всё, что сделает наше ядро - очистит экран и выведет строку “my first kernel”.

Сперва мы создаём указатель vidptr , который указывает на адрес 0xb8000 . С этого адреса в защищённом режиме начинается “видеопамять”. Для вывода текста на экран мы резервируем 25 строк по 80 ASCII-символов, начиная с 0xb8000.

Каждый символ отображается не привычными 8 битами, а 16. В первом байте хранится сам символ, а во втором - attribute-byte . Он описывает форматирование символа, например, его цвет.

Для вывода символа s зелёного цвета на чёрном фоне мы запишем этот символ в первый байт и значение 0x02 во второй. 0 означает чёрный фон, 2 - зелёный цвет текста.

Вот таблица цветов:

0 - Black, 1 - Blue, 2 - Green, 3 - Cyan, 4 - Red, 5 - Magenta, 6 - Brown, 7 - Light Grey, 8 - Dark Grey, 9 - Light Blue, 10/a - Light Green, 11/b - Light Cyan, 12/c - Light Red, 13/d - Light Magenta, 14/e - Light Brown, 15/f – White.

В нашем ядре мы будем использовать светло-серый текст на чёрном фоне, поэтому наш байт-атрибут будет иметь значение 0x07.

В первом цикле программа выводит пустой символ по всей зоне 80×25. Это очистит экран. В следующем цикле в “видеопамять” записываются символы из нуль-терминированной строки “my first kernel” с байтом-атрибутом, равным 0x07. Это выведет строку на экран.

Связующая часть

Мы должны собрать kernel.asm в объектный файл, используя NASM; затем при помощи GCC скомпилировать kernel.c в ещё один объектный файл. Затем их нужно присоединить к исполняемому загрузочному ядру.

Для этого мы будем использовать связывающий скрипт, который передаётся ld в качестве аргумента.

/* * link.ld */ OUTPUT_FORMAT(elf32-i386) ENTRY(start) SECTIONS { . = 0x100000; .text: { *(.text) } .data: { *(.data) } .bss: { *(.bss) } }

Сперва мы зададим формат вывода как 32-битный Executable and Linkable Format (ELF). ELF - это стандарный формат бинарных файлов Unix-систем архитектуры x86. ENTRY принимает один аргумент, определяющий имя символа, являющегося точкой входа. SECTIONS - это самая важная часть. В ней определяется разметка нашего исполняемого файла. Мы определяем, как должны соединяться разные секции и где их разместить.

В скобках после SECTIONS точка (.) отображает счётчик положения, по умолчанию равный 0x0. Его можно изменить, что мы и делаем.

Смотрим на следующую строку: .text: { *(.text) } . Звёздочка (*) - это специальный символ, совпадающий с любым именем файла. Выражение *(.text) означает все секции.text из всех входных файлов.

Таким образом, линковщик соединяет все секции кода объектных файлов в одну секцию исполняемого файла по адресу в счётчике положения (0x100000). После этого значение счётчика станет равным 0x100000 + размер полученной секции.

Аналогично всё происходит и с другим секциями.

Grub и Multiboot

Теперь все файлы готовы к созданию ядра. Но остался ещё один шаг.

Существует стандарт загрузки x86-ядер с использованием бутлоадера, называющийся Multiboot specification . GRUB загрузит наше ядро, только если оно удовлетворяет этим спецификациям .

Следуя им, ядро должно содержать заголовок в своих первых 8 килобайтах. Кроме того, этот заголовок должен содержать 3 поля, являющихся 4 байтами:

• магическое поле: содержит магическое число 0x1BADB002 для идентификации ядра.
• поле flags : нам оно не нужно, установим в ноль.
• поле checksum : если сложить его с предыдущими двумя, должен получиться ноль.

Наш kernel.asm станет таким:

;;kernel.asm ;nasm directive - 32 bit bits 32 section .text ;multiboot spec align 4 dd 0x1BADB002 ;magic dd 0x00 ;flags dd - (0x1BADB002 + 0x00) ;checksum. m+f+c should be zero global start extern kmain ;kmain is defined in the c file start: cli ;block interrupts mov esp, stack_space ;set stack pointer call kmain hlt ;halt the CPU section .bss resb 8192 ;8KB for stack stack_space:

Строим ядро

Теперь мы создадим объектные файлы из kernel.asm и kernel.c и свяжем их, используя наш скрипт.

Nasm -f elf32 kernel.asm -o kasm.o

Эта строка запустит ассемблер для создания объектного файла kasm.o в формате ELF-32.

Gcc -m32 -c kernel.c -o kc.o

Опция “-c” гарантирует, что после компиляции не произойдёт скрытого линкования.

Ld -m elf_i386 -T link.ld -o kernel kasm.o kc.o

Это запустит линковщик с нашим скриптом и создаст исполняемый файл, называющийся kernel .

Настраиваем grub и запускаем ядро

GRUB требует, чтобы имя ядра удовлетворяло шаблону kernel- . Поэтому переименуйте ядро. Своё я назвал kernel-701.

Теперь поместите его в директорию /boot . Для этого понадобятся права суперпользователя.

В конфигурационном файле GRUB grub.cfg добавьте следующее:

Title myKernel root (hd0,0) kernel /boot/kernel-701 ro

Не забудьте убрать директиву hiddenmenu , если она есть.

Перезагрузите компьютер, и вы увидите список ядер с вашим в том числе. Выберите его, и вы увидите:

Это ваше ядро! В добавим систему ввода / вывода.

P.S.

• Для любых фокусов с ядром лучше использовать виртуальную машину.
• Для запуска ядра в grub2 конфиг должен выглядеть так: menuentry "kernel 7001" { set root="hd0,msdos1" multiboot /boot/kernel-7001 ro }
• если вы хотите использовать эмулятор qemu , используйте: qemu-system-i386 -kernel kernel

Данный цикл статей посвящён низкоуровневому программированию, то есть архитектуре компьютера, устройству операционных систем, программированию на языке ассемблера и смежным областям. Пока что написанием занимаются два хабраюзера - и . Для многих старшеклассников, студентов, да и профессиональных программистов эти темы оказываются весьма сложными при обучении. Существует много литературы и курсов, посвящённых низкоуровневому программированию, но по ним сложно составить полную и всеохватывающую картину. Сложно, прочитав одну-две книги по ассемблеру и операционным системам, хотя бы в общих чертах представить, как же на самом деле работает эта сложная система из железа, кремния и множества программ - компьютер.

Каждый решает проблему обучения по-своему. Кто-то читает много литературы, кто-то старается поскорее перейти к практике и разбираться по ходу дела, кто-то пытается объяснять друзьям всё, что сам изучает. А мы решили совместить эти подходы. Итак, в этом курсе статей мы будем шаг за шагом демонстрировать, как пишется простая операционная система. Статьи будут носить обзорный характер, то есть в них не будет исчерпывающих теоретических сведений, однако мы будем всегда стараться предоставить ссылки на хорошие теоретические материалы и ответить на все возникающие вопросы. Чёткого плана у нас нет, так что многие важные решения будут приниматься по ходу дела, с учётом ваших отзывов.

Возможно, мы умышленно будем заводить процесс разработки в тупик, чтобы позволить вам и себе полностью осознать все последствия неверно принятого решения, а также отточить на нем некоторые технические навыки. Так что не стоит воспринимать наши решения как единственно верные и слепо нам верить. Еще раз подчеркнём, что мы ожидаем от читателей активности в обсуждении статей, которая должна сильно влиять на общий процесс разработки и написания последующих статей. В идеале хотелось бы, чтобы со временем некоторые из читателей присоединились к разработке системы.

Мы будем предполагать, что читатель уже знаком с основами языков ассемблер и Си, а также элементарными понятиями архитектуры ЭВМ. То есть, мы не будем объяснять, что такое регистр или, скажем, оперативная память. Если вам не будет хватать знаний, вы всегда можете обратиться к дополнительной литературе. Краткий список литературы и ссылки на сайты с хорошими статьями есть в конце статьи. Также желательно уметь пользоваться Linux, так как все инструкции по компиляции будут приводиться именно для этой системы.

А теперь - ближе к делу. В оставшейся части статьи мы с вами напишем классическую программу «Hello World». Наш хеллоуворлд получится немного специфическим. Он будет запускаться не из какой-либо операционной системы, а напрямую, так сказать «на голом железе». Перед тем, как приступить непосредственно к написанию кода, давайте разберёмся, как же конкретно мы пытаемся это сделать. А для этого надо рассмотреть процесс загрузки компьютера.

Итак, берем свой любимый компьютер и нажимаем самую большую кнопочку на системном блоке. Видим веселую заставку, системный блок радостно пищит спикером и через какое-то время загружается операционная система. Как вы понимаете, операционная система хранится на жёстком диске, и вот тут возникает вопрос: а каким же волшебным образом операционная система загрузилась в ОЗУ и начала выполняться?

Знайте же: за это отвечает система, которая есть на любом компьютере, и имя ей - нет, не Windows, типун вам на язык - называется она BIOS. Расшифровывается ее название как Basic Input-Output System, то есть базовая система ввода-вывода. Находится BIOS на маленькой микросхемке на материнской плате и запускается сразу после нажатия большой кнопки ВКЛ. У BIOS три главных задачи:

1. Обнаружить все подключенные устройства (процессор, клавиатуру, монитор, оперативную память, видеокарту, голову, руки, крылья, ноги и хвосты…) и проверить их на работоспособность. Отвечает за это программа POST (Power On Self Test – самотестирование при нажатии ВКЛ). Если жизненно важное железо не обнаружено, то никакой софт помочь не сможет, и на этом месте системный динамик пропищит что-нибудь зловещее и до ОС дело вообще не дойдет. Не будем о печальном, предположим, что у нас есть полностью рабочий компьютер, возрадуемся и перейдем к рассмотрению второй функции BIOS:
2. Предоставление операционной системе базового набора функций для работы с железом. Например, через функции BIOS можно вывести текст на экране или считать данные с клавиатуры. Потому она и называется базовой системой ввода-вывода. Обычно операционная система получает доступ к этим функциям посредством прерываний.
3. Запуск загрузчика операционной системы. При этом, как правило, считывается загрузочный сектор - первый сектор носителя информации (дискета, жесткий диск, компакт-диск, флэшка). Порядок опроса носителей можно задать в BIOS SETUP. В загрузочном секторе содержится программа, иногда называемая первичным загрузчиком. Грубо говоря, задача загрузчика - начать запуск операционной системы. Процесс загрузки операционной системы может быть весьма специфичен и сильно зависит от её особенностей. Поэтому первичный загрузчик пишется непосредственно разработчиками ОС и при установке записывается в загрузочный сектор. В момент запуска загрузчика процессор находится в реальном режиме.

Печальная новость: размер начального загрузчика должен быть всего 512 байт. Почему так мало? Для этого нам надо ознакомиться с устройством дискеты. Вот познавательная картинка:

На картинке изображена поверхность дискового накопителя. У дискеты 2 поверхности. На каждой поверхности есть кольцеобразные дорожки (треки). Каждый трек делится на маленькие дугообразные кусочки, называемые секторами. Так вот, исторически сложилось, что сектор дискеты имеет размер 512 байт. Самый первый сектор на диске, загрузочный сектор, читается BIOS"ом в нулевой сегмент памяти по смещению 0x7С00, и дальше по этому адресу передается управление. Начальный загрузчик обычно загружает в память не саму ОС, а другую программу-загрузчик, хранящуюся на диске, но по каким-то причинам (скорее всего, эта причина - размер) не влезающую в один сектор. А поскольку пока что роль нашей ОС выполняет банальный хеллоуворлд, наша главная цель - заставить компьютер поверить в существование нашей ОС, пусть даже и на одном секторе, и запустить её.

Как устроен загрузочный сектор? На PC единственное требование к загрузочному сектору - это содержание в двух его последних байтах значений 0x55 и 0xAA - сигнатуры загрузочного сектора. Итак, уже более-менее понятно, что нам нужно делать. Давайте же писать код! Приведённый код написан для ассемблера yasm .

Section .text use16 org 0x7C00 ; наша программа загружается по адресу 0x7C00 start: mov ax, cs mov ds, ax ; выбираем сегмент данных mov si, message cld ; направление для строковых команд mov ah, 0x0E ; номер функции BIOS mov bh, 0x00 ; страница видеопамяти puts_loop: lodsb ; загружаем очередной символ в al test al, al ; нулевой символ означает конец строки jz puts_loop_exit int 0x10 ; вызываем функцию BIOS jmp puts_loop puts_loop_exit: jmp $ ; вечный цикл message: db "Hello World!", 0 finish: times 0x1FE-finish+start db 0 db 0x55, 0xAA ; сигнатура загрузочного сектора

Эта короткая программа требует ряда важных пояснений. Строка org 0x7C00 нужна для того, чтобы ассемблер (имеется в виду программа, а не язык) правильно рассчитал адреса для меток и переменных (puts_loop, puts_loop_exit, message). Вот мы ему и сообщаем, что программа будет загружена в память по адресу 0x7C00.
В строках
mov ax, cs mov ds, ax
происходит установка сегмента данных (ds) равным сегменту кода (cs), поскольку в нашей программе и данные, и код хранятся в одном сегменте.

Далее в цикле посимвольно выводится сообщение «Hello World!». Для этого используется функция 0x0E прерывания 0x10 . Она имеет следующие параметры:
AH = 0x0E (номер функции)
BH = номер видеостраницы (пока не заморачиваемся, указываем 0)
AL = ASCII-код символа

В строке « jmp $ » программа зависает. И правильно, незачем ей выполнять лишний код. Однако чтобы компьютер опять заработал, придется перезагрузиться.

В строке « times 0x1FE-finish+start db 0 » производится заполнение остатка кода программы (за исключением последних двух байт) нулями. Делается это для того, чтобы после компиляции в последних двух байтах программы оказалась сигнатура загрузочного сектора.

С кодом программы вроде разобрались, давайте теперь попробуем скомпилировать это счастье. Для компиляции нам понадобится, собственно говоря, ассемблер - выше упомянутый yasm . Он есть в большинстве репозиториев Linux. Программу можно откомпилировать следующим образом:

$ yasm -f bin -o hello.bin hello.asm

Полученный файл hello.bin нужно записать в зарузочный сектор дискеты. Делается это примерно так (разумеется, вместо fd нужно подставить имя своего дисковода).

$ dd if=hello.bin of=/dev/fd

Поскольку далеко не у всех остались дисководы и дискеты, можно воспользоваться виртуальной машиной, например, qemu или VirtualBox . Для этого придётся сделать образ дискеты с нашим загрузчиком и вставить его в «виртуальный дисковод».
Создаём образ диска и заполняем его нулями:

$ dd if=/dev/zero of=disk.img bs=1024 count=1440

Записываем в самое начало образа нашу программу:
$ dd if=hello.bin of=disk.img conv=notrunc

Запускаем полученный образ в qemu:
$ qemu -fda disk.img -boot a

После запуска вы должны увидеть окошко qemu с радостной строчкой «Hello World!». На этом первая статья заканчивается. Будем рады увидеть ваши отзывы и пожелания.

Если подходить по существу...

ОС - это такая штука, которая реализует многозадачность (обычно) и заведует распределением ресурсов между этими задачами и вообще. Нужно следить, чтобы задачи друг другу не могли вредить и работали в разных областях памяти и с устройствами работали по очереди, это хотя бы. А ещё надо предоставить возможность передавать сообщения от одной задачи к другой.

Ещё ОС, ежели имеется долговременная память, должна предоставлять доступ к ней: то есть предоставлять все функции для работы с файловой системой. Это минимум.

Почти везде самый первый загрузочный код должен писаться на ассемблере - там бывает куча правил, где оно должно быть, как должно выглядеть, что должно делать, и какой размер не превышать.

Для РС надо на асме писать бутлоадер, который будет вызываться BIOS и кой должен, не превышая четырёх с копейками сотен байт, что-то сделать и запустить основную ОС - передать управление основному коду, который в ближайшей же перспективе можно писать уже и на С.

Для ARM надо на асме делать таблицу прерываний (сброс, ошибки разные, прерывания IRQ, FIQ и пр.) и передачу управления в основной код. Хотя, во многих средах разработки такой код для почти любого контроллера имеется.

То есть, необходимо для этого:

1. Знать ассемблер целевой платформы.
2. Знать архитектуру процессора и всякие служебные команды и регистры, чтобы настроить его для работы в нужном режиме. В РС это переход в защищённый режим, например, или в 64битный режим... В ARM - настройка тактирования ядра и периферии.
3. Знать, как именно будет запускаться ОС, куда и как нужно пихать свой код.
4. Знать язык С - большой код на асме написать затруднительно без опыта, поддерживать его будет ещё труднее. Посему надо ядро писать на С.
5. Знать принципы работы ОС. Ну, книжек на русском языке по этой теме много всяких, правда, не знаю, все ли они хорошие.
6. Иметь много-много терпения и усидчивости. Ошибки будут и их надо будет искать и исправлять. А ещё надо будет очень много читать.
7. Иметь много-много времени.

Далее. Допустим, вы что-то написали. Надо это дело тестировать. Либо надо устройство физическое, на коем будут идти эксперименты (отладочная плата, второй компьютер), либо эмулятор его. Второе обычно использовать и проще, и быстрее. Для PC, например, VMWare.

Статей по этой теме в интернете тоже достаточно, если хорошо поискать. А также есть множество примеров готовых ОС с исходниками.

Даже можно при большом желании посмотреть исходники старого ядра NT-систем (Windows), как отдельно (кое микрософтом выложено, с комментариями и разного рода справочными материалами), так и в совокупности со старыми же ОС (утекло).

Данный цикл статей посвящён низкоуровневому программированию, то есть архитектуре компьютера, устройству операционных систем, программированию на языке ассемблера и смежным областям. Пока что написанием занимаются два хабраюзера - iley и pehat . Для многих старшеклассников, студентов, да и профессиональных программистов эти темы оказываются весьма сложными при обучении. Существует много литературы и курсов, посвящённых низкоуровневому программированию, но по ним сложно составить полную и всеохватывающую картину. Сложно, прочитав одну-две книги по ассемблеру и операционным системам, хотя бы в общих чертах представить, как же на самом деле работает эта сложная система из железа, кремния и множества программ - компьютер.

Каждый решает проблему обучения по-своему. Кто-то читает много литературы, кто-то старается поскорее перейти к практике и разбираться по ходу дела, кто-то пытается объяснять друзьям всё, что сам изучает. А мы решили совместить эти подходы. Итак, в этом курсе статей мы будем шаг за шагом демонстрировать, как пишется простая операционная система. Статьи будут носить обзорный характер, то есть в них не будет исчерпывающих теоретических сведений, однако мы будем всегда стараться предоставить ссылки на хорошие теоретические материалы и ответить на все возникающие вопросы. Чёткого плана у нас нет, так что многие важные решения будут приниматься по ходу дела, с учётом ваших отзывов.

Возможно, мы умышленно будем заводить процесс разработки в тупик, чтобы позволить вам и себе полностью осознать все последствия неверно принятого решения, а также отточить на нем некоторые технические навыки. Так что не стоит воспринимать наши решения как единственно верные и слепо нам верить. Еще раз подчеркнём, что мы ожидаем от читателей активности в обсуждении статей, которая должна сильно влиять на общий процесс разработки и написания последующих статей. В идеале хотелось бы, чтобы со временем некоторые из читателей присоединились к разработке системы.

Мы будем предполагать, что читатель уже знаком с основами языков ассемблер и Си, а также элементарными понятиями архитектуры ЭВМ. То есть, мы не будем объяснять, что такое регистр или, скажем, оперативная память. Если вам не будет хватать знаний, вы всегда можете обратиться к дополнительной литературе. Краткий список литературы и ссылки на сайты с хорошими статьями есть в конце статьи. Также желательно уметь пользоваться Linux, так как все инструкции по компиляции будут приводиться именно для этой системы.

А теперь - ближе к делу. В оставшейся части статьи мы с вами напишем классическую программу «Hello World». Наш хеллоуворлд получится немного специфическим. Он будет запускаться не из какой-либо операционной системы, а напрямую, так сказать «на голом железе». Перед тем, как приступить непосредственно к написанию кода, давайте разберёмся, как же конкретно мы пытаемся это сделать. А для этого надо рассмотреть процесс загрузки компьютера.

Итак, берем свой любимый компьютер и нажимаем самую большую кнопочку на системном блоке. Видим веселую заставку, системный блок радостно пищит спикером и через какое-то время загружается операционная система. Как вы понимаете, операционная система хранится на жёстком диске, и вот тут возникает вопрос: а каким же волшебным образом операционная система загрузилась в ОЗУ и начала выполняться?

Знайте же: за это отвечает система, которая есть на любом компьютере, и имя ей - нет, не Windows, типун вам на язык - называется она BIOS. Расшифровывается ее название как Basic Input-Output System, то есть базовая система ввода-вывода. Находится BIOS на маленькой микросхемке на материнской плате и запускается сразу после нажатия большой кнопки ВКЛ. У BIOS три главных задачи:

1. Обнаружить все подключенные устройства (процессор, клавиатуру, монитор, оперативную память, видеокарту, голову, руки, крылья, ноги и хвосты…) и проверить их на работоспособность. Отвечает за это программа POST (Power On Self Test – самотестирование при нажатии ВКЛ). Если жизненно важное железо не обнаружено, то никакой софт помочь не сможет, и на этом месте системный динамик пропищит что-нибудь зловещее и до ОС дело вообще не дойдет. Не будем о печальном, предположим, что у нас есть полностью рабочий компьютер, возрадуемся и перейдем к рассмотрению второй функции BIOS:
2. Предоставление операционной системе базового набора функций для работы с железом. Например, через функции BIOS можно вывести текст на экране или считать данные с клавиатуры. Потому она и называется базовой системой ввода-вывода. Обычно операционная система получает доступ к этим функциям посредством прерываний.
3. Запуск загрузчика операционной системы. При этом, как правило, считывается загрузочный сектор - первый сектор носителя информации (дискета, жесткий диск, компакт-диск, флэшка). Порядок опроса носителей можно задать в BIOS SETUP. В загрузочном секторе содержится программа, иногда называемая первичным загрузчиком. Грубо говоря, задача загрузчика - начать запуск операционной системы. Процесс загрузки операционной системы может быть весьма специфичен и сильно зависит от её особенностей. Поэтому первичный загрузчик пишется непосредственно разработчиками ОС и при установке записывается в загрузочный сектор. В момент запуска загрузчика процессор находится в реальном режиме.

Печальная новость: размер начального загрузчика должен быть всего 512 байт. Почему так мало? Для этого нам надо ознакомиться с устройством дискеты. Вот познавательная картинка:

На картинке изображена поверхность дискового накопителя. У дискеты 2 поверхности. На каждой поверхности есть кольцеобразные дорожки (треки). Каждый трек делится на маленькие дугообразные кусочки, называемые секторами. Так вот, исторически сложилось, что сектор дискеты имеет размер 512 байт. Самый первый сектор на диске, загрузочный сектор, читается BIOS"ом в нулевой сегмент памяти по смещению 0x7С00, и дальше по этому адресу передается управление. Начальный загрузчик обычно загружает в память не саму ОС, а другую программу-загрузчик, хранящуюся на диске, но по каким-то причинам (скорее всего, эта причина - размер) не влезающую в один сектор. А поскольку пока что роль нашей ОС выполняет банальный хеллоуворлд, наша главная цель - заставить компьютер поверить в существование нашей ОС, пусть даже и на одном секторе, и запустить её.

Как устроен загрузочный сектор? На PC единственное требование к загрузочному сектору - это содержание в двух его последних байтах значений 0x55 и 0xAA - сигнатуры загрузочного сектора. Итак, уже более-менее понятно, что нам нужно делать. Давайте же писать код! Приведённый код написан для ассемблера yasm .

Section .text use16 org 0x7C00 ; наша программа загружается по адресу 0x7C00 start: mov ax, cs mov ds, ax ; выбираем сегмент данных mov si, message cld ; направление для строковых команд mov ah, 0x0E ; номер функции BIOS mov bh, 0x00 ; страница видеопамяти puts_loop: lodsb ; загружаем очередной символ в al test al, al ; нулевой символ означает конец строки jz puts_loop_exit int 0x10 ; вызываем функцию BIOS jmp puts_loop puts_loop_exit: jmp $ ; вечный цикл message: db "Hello World!", 0 finish: times 0x1FE-finish+start db 0 db 0x55, 0xAA ; сигнатура загрузочного сектора

Эта короткая программа требует ряда важных пояснений. Строка org 0x7C00 нужна для того, чтобы ассемблер (имеется в виду программа, а не язык) правильно рассчитал адреса для меток и переменных (puts_loop, puts_loop_exit, message). Вот мы ему и сообщаем, что программа будет загружена в память по адресу 0x7C00.
В строках
mov ax, cs mov ds, ax
происходит установка сегмента данных (ds) равным сегменту кода (cs), поскольку в нашей программе и данные, и код хранятся в одном сегменте.

Далее в цикле посимвольно выводится сообщение «Hello World!». Для этого используется функция 0x0E прерывания 0x10 . Она имеет следующие параметры:
AH = 0x0E (номер функции)
BH = номер видеостраницы (пока не заморачиваемся, указываем 0)
AL = ASCII-код символа

В строке « jmp $ » программа зависает. И правильно, незачем ей выполнять лишний код. Однако чтобы компьютер опять заработал, придется перезагрузиться.

В строке « times 0x1FE-finish+start db 0 » производится заполнение остатка кода программы (за исключением последних двух байт) нулями. Делается это для того, чтобы после компиляции в последних двух байтах программы оказалась сигнатура загрузочного сектора.

С кодом программы вроде разобрались, давайте теперь попробуем скомпилировать это счастье. Для компиляции нам понадобится, собственно говоря, ассемблер - выше упомянутый yasm . Он есть в большинстве репозиториев Linux. Программу можно откомпилировать следующим образом:

$ yasm -f bin -o hello.bin hello.asm

Полученный файл hello.bin нужно записать в зарузочный сектор дискеты. Делается это примерно так (разумеется, вместо fd нужно подставить имя своего дисковода).

$ dd if=hello.bin of=/dev/fd

Поскольку далеко не у всех остались дисководы и дискеты, можно воспользоваться виртуальной машиной, например, qemu или VirtualBox . Для этого придётся сделать образ дискеты с нашим загрузчиком и вставить его в «виртуальный дисковод».
Создаём образ диска и заполняем его нулями:

$ dd if=/dev/zero of=disk.img bs=1024 count=1440

Записываем в самое начало образа нашу программу:
$ dd if=hello.bin of=disk.img conv=notrunc

Запускаем полученный образ в qemu:
$ qemu -fda disk.img -boot a

После запуска вы должны увидеть окошко qemu с радостной строчкой «Hello World!». На этом первая статья заканчивается. Будем рады увидеть ваши отзывы и пожелания.