Написание собственной работоспособной ОС за пол года
Предыстория
Здравствуйте! Всех категорически приветствую, сегодня хотел бы рассказать Вам о своём опыте написание работоспособной ОС под архитектуру x86.
Как-то весенней ночью у меня родилась гениальная идея — попробовать себя в написании собственной ОС, которая может позволить запускать программы, работать с устройствами, да и в общем выжимать всю мощь из Intel’овской архитектуры в своих нуждах: к примеру, для своей фабрики или чего-либо иного. Моей целью было и есть написание такой ОС, которая могла бы позволить максимальную производительность для каких-то конкретных задач, не тратя процессорное время на всяческие излишества. В основном я преследую лишь спортивный интерес, получение опыта для себя в системном программировании и написания драйверов для устройств, которые используются повсеместно. Что из этого вышло — решать вам, сразу говорю, что не надо писать комментарии про создание собственного дистрибутива линукса, и преследовал интерес написать всё «From stratch» — с нуля, дабы хорошо погрузиться в тему ОСдева. Сразу хочу выразить огромную благодарность Бенджамину Лунту и форуму OSDev, так же как их Вики. Бен помог мне разобраться с EHCI, что несомненно внесло огромный вклад в мою ОС — USB устройства, они везде! Так же передо мной стояла задача создать собственную архитектуру, удобную мне, не исключая использование стандартов ELF-файлов. Что же, давайте перейдем к сути.
Что сделано?
Сейчас моя ОС умеет работать с USB-флешками, мышками, клавиатурами, AHCI дисками, PCI IDE контроллером, APIC’ом и ACPI, реализована вытесняющая многозадачность, реализован запуск программ, поточная работа с файлами, SVGA драйвер, который работает на 0×118 режиме VBE, работают DNS, DHCP, TCP, UPD, IPv4, HTTP, полный драйвер FAT32, драйвер RTL8139(69) и Intel Gigabit Ethernet.
Оконная система вместе с моей реализацией SVGA позволяет выдать аж 120 FPS при полной перерисовке экрана. Давайте перейдем к тому, как это всё реализовано и вообще может работать.
Как это работает?
Для начала, я написал бутлоадер, который с FAT32 читает вторичный загрузчик с ядром. Второй загрузчик переходит в защищенный режим и прыгает в ядро, там я загружаю и настраиваю IDT, после чего инициализирую PCI-устройства, запускаю ядра и запускаю CMD.
Кто-то спросит, как же ты добился такого перфоманса с SVGA? Ответ прост: ассемблер, ассемблер и еще раз ассемблер. Не обошлось без SSE инструкций, которые очень ускоряют копирование памяти. К примеру, вот код для копирования видеобуфера в LFB (Linear Frame Buffer):
.byte 0x60#Save registers in stack
mov %2,%%ecx #Repeat count to ecx
mov %0,%%edi #Video memory start to edi
mov %1,%%esi #Video buffer start to esi
ww1sse2:
movaps (%%esi),%%xmm0 #Copy 16 bytes to xmm0 from buffer
movaps %%xmm0,(%%edi) #Copy from xmm0 to video memory
movaps 16(%%esi),%%xmm0 #16 again, but + 16 from current
movaps %%xmm0,16(%%edi) #16 again, but + 16 from current
movaps 32(%%esi),%%xmm0 #16 again, but + 32 from current
movaps %%xmm0,32(%%edi) #16 again, but + 32 from current
movaps 48(%%esi),%%xmm0 #16 again, but + 48 from current
movaps %%xmm0,48(%%edi) #16 again, but + 48 from current
add $64,%%edi #Add 64 bytes to edi
add $64,%%esi #Add 64 bytes to esi
dec%%ecx#Decrement count
#test %%ecx,%%ecx #Compare ecx with zero
jnz ww1sse2 #If not zero, repeat again
.byte 0x61 #Restore registers from stack
Оконная система построена на ООП и, думаю, не нуждается в комментариях, всё почти как в шинде.
Менеджер памяти простейший — «Watermark Allocator». Распределение ресурсов осуществляется за счет того, что в ядре нет функций, которые могли бы нагадить друг другу, всё запросы сделаны через очереди и т.п…
Пока что нет никаких потоков ввода-вывода, но в ближайшее время они будут реализованы.
Система логических дисков аналогична MS-DOSу: одна буква — один диск. Поддерживаются как MBR разделы, так и GPT разделы.
Разработка драйверов устройств
Не обошлось тут и без этого — брать чужой код как-то некультурно и не практично, если раскапывать репозитории линукса — так можно и заблудиться.
Если честно, то я сторонник того, что главное в программе — функционал, но в тоже время считаю, что за графику можно и функционалом немного пожертвовать: к примеру, VIM.
Конечно, это стало самой интересной стадией разработки: прочитать тонны документации, а потом понять, что ты поставил return для отладки, из-за чего часть структуры не заполнялась вовсе. Думаю, что это достаточно хорошо заставляет тебя напрячь мозг, ибо даже после десятого прочтения доков какие-то аспекты всё равно остаются тебе непонятны, и приходиться заниматься долгой отладкой на реальном железе.
Отладка
Отладка ОС занимает огромную кучу времени: скомпилить сорсы, скопировать на виртуальный диск, сохранить образ диска, проверить на эмуляторе, после чего скопировать файлы на флешку и проверить уже на реальном железе. А главное — никаких отладчиков, выводи в текстовый режим, либо в окошечки — повисло — ставь return’ы.
Итоги
Да, ОС всё еще в стадии разработки, хочется под новый год получить стабильную бета-версию, а может в будущем даже продолжить разработку на более серьезном уровне.
Что хочу сказать напоследок — если тема разработки ОС кого-то заинтересовала, или кто-то хочет узнать аспекты работы с какими-либо устройствами и интерфейсами, хитрости реализации, или просто помочь проекту (не деньгами, а кодом) — можете отписать об этом в комментариях, все пожелания будут учтены, и в деталях и красках будут описаны интересующее вас аспекты.
Этичного хакинга!
