Как создать простую операционную систему с нуля

Многие разработчики хоть раз задумывались о том, чтобы создать свою собственную операционную систему (ОС). Это может показаться сложной задачей, но, если разбить процесс на этапы, создание минимальной ОС становится более реалистичным. В этой статье мы рассмотрим основные шаги создания простой операционной системы с нуля, а также инструменты и знания, которые могут вам понадобиться.

Что такое операционная система?

Операционная система — это набор программ, которые управляют аппаратным обеспечением компьютера и обеспечивают выполнение приложений. Примеры популярных ОС включают Windows, Linux и macOS. Для создания своей ОС необходимо разобраться в низкоуровневом программировании, работе с памятью, файловыми системами и аппаратными интерфейсами.

Подготовка

Прежде чем начать разработку ОС, потребуется несколько инструментов и базовых знаний:

1. Ассемблер и C — это языки, на которых чаще всего пишут ядра операционных систем.

2. Эмулятор (Bochs или QEMU) — позволит тестировать вашу ОС без необходимости постоянно загружать её на реальный компьютер.

3. Компилятор — для перевода вашего кода на язык, понятный процессору (чаще всего используется GCC).

4. Загрузчик (Bootloader) — это программа, которая загружает ядро вашей операционной системы. Мы будем использовать GRUB, поскольку он широко поддерживается и удобен для начинающих.

Этап 1. Создание загрузчика

Загрузчик — это первая программа, которая запускается при старте компьютера. Мы можем использовать готовый загрузчик GRUB, который будет загружать наше ядро.

Пример создания загрузочного сектора:

[BITS 16]
[ORG 0x7C00]

start:
    cli                  ; Отключаем прерывания
    mov ax, 0x07C0
    add ax, 288          ; Устанавливаем сегмент стека
    mov ss, ax
    mov sp, 4096

    mov ax, 0x0003       ; Включаем текстовый режим
    int 0x10

    mov si, msg
    call print_string    ; Печатаем сообщение

halt:
    hlt                  ; Ожидание

print_string:
    mov ah, 0x0E
.repeat:
    lodsb
    or al, al
    jz .done
    int 0x10
    jmp .repeat
.done:
    ret

msg db 'Hello, world!', 0

times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

Этот код на ассемблере печатает на экране строку "Hello, world!". Файл необходимо скомпилировать в бинарный формат и записать на загрузочный сектор.

Этап 2. Разработка ядра

После того как загрузчик выполнит свою работу, управление будет передано ядру вашей операционной системы. Ядро должно выполнять основные функции, такие как управление памятью, обработка прерываний и взаимодействие с аппаратным обеспечением.

Пример минимального ядра на C:

void kernel_main(void) {
    char* video_memory = (char*) 0xB8000;
    *video_memory = 'X';  // Отображаем символ на экране
    while (1);  // Бесконечный цикл
}

Этот код отображает символ "X" на экране, используя прямой доступ к видеопамяти, и затем зацикливается.

Этап 3. Управление памятью

Один из ключевых аспектов работы операционной системы — управление памятью. Это включает в себя настройку таблиц страниц, работу с виртуальной памятью и распределение ресурсов для приложений. Простая ОС может использовать методы статического распределения памяти, но для более сложных систем потребуется реализовать поддержку динамического выделения.

Этап 4. Добавление драйверов

Для полноценной работы ОС необходимо взаимодействовать с устройствами, такими как клавиатура, мышь, жесткий диск и другие периферийные устройства. Для этого используются драйверы — программы, которые позволяют ОС управлять этими устройствами. Драйверы работают через порты ввода-вывода (I/O) и прерывания.

Пример обработки ввода с клавиатуры:

#define KEYBOARD_PORT 0x60

void keyboard_handler(void) {
    unsigned char scancode = inb(KEYBOARD_PORT);
    // Обработка кода клавиши
}

Этап 5. Разработка файловой системы

Чтобы ваша ОС могла работать с файлами, необходимо реализовать файловую систему. Это может быть простая структура, хранящая файлы в последовательных блоках памяти, или полноценная файловая система, как FAT или ext.

Этап 6. Интерфейс командной строки

После того как основные функции операционной системы настроены, можно добавить простой интерфейс командной строки (CLI), который позволит пользователям вводить команды и взаимодействовать с ОС.

Пример простой команды cls для очистки экрана:

void cls() {
    char* video_memory = (char*) 0xB8000;
    for (int i = 0; i < 80 * 25 * 2; i++) {
        video_memory[i] = 0;
    }
}

Заключение

Создание операционной системы — это сложная, но увлекательная задача, требующая глубоких знаний в области низкоуровневого программирования и архитектуры компьютеров. Начав с простого загрузчика и ядра, вы можете постепенно добавлять новые функции и улучшать свою ОС.

Создание ОС также поможет вам лучше понять, как работают существующие операционные системы, такие как Linux и Windows, и позволит получить уникальный опыт работы с железом и низкоуровневым кодом.

В будущем вы можете расширить свою операционную систему, добавив поддержку многозадачности, более сложные драйверы и пользовательский интерфейс. Однако даже минимальная ОС, выполняющая базовые функции, уже является большим достижением!