如何从零开始写一个简单的操作系统

Posted 2023-05-11

题主你好，如何写一个简单的操作系统，不是三言两语能够讲清楚的，也不是一两行代码就可完成的。
要完成一个简单的操作系统，而不是一个裸机下打印一下hello world的引导扇区。这需要有足够的计算机系统的知识。包括但不仅限于汇编，C和操作系统原理。
在自己写操作系统这一领域，也有不少大作。我之前也曾拜读过一部分，曾奉为圭臬，跟随作者的脚步慢慢前进，但是没多久，就做不先去了。。。
当知识经过一段时间的沉淀，在回首，曾经的大作看起来亦有不妥之处。
操作系统系统是一个复杂的技术话题，如何实现一个简单的操作系统，楼上已有回答，题主也可读一些大作来参考实现。
最近我发现一个不错的公众号，就是做自己操作系统这方面的，公众号里的文章，试图通过简单的话语来阐述，那些晦涩的计算机概念。 此公众号的作者也曾写过一个小的内核，可以引导到shell执行。
我正在关注这个公众号，如果题主对这个主题十分感兴趣的画，也可以关注下，我们共同进步。
公众号：操作系统探究 参考技术A 早先写过一个玩具内核，现在正做操作系统课助教，带一伙学弟学妹做这个事情。 假定题主对操作系统有一定的认识（被丢去裸考期末考试不会挂科）。 总体路线图大约是这样的： *以下内容全是干货，试图在不干预题主自己的设计的条件下尽可能指出所有的大坑，此方案不能代替看书/读论文/上课/看手册等* 第一阶段：早期规划 1. 搞清楚自己打算写一个内核干啥：试着设计？练习实现？拿来实用的话打算跑什么呢？打不打算跨平台？打算跨哪些平台，兼容到什么程度？ 2. interface大概会长什么样？给用户空间提供哪些服务？（并不一定要和现有系统兼容或者怎么样） 3. 想怎么样boot？兼容一个现有bootloader还是自己写一个？内核被load的时候是什么格式？ 第二阶段：方案设计 4. 选个架构吧，推荐IA32或者ARMv7A之类的 5. 找到各种手册翻看一下，脑内构思一下内核里各种机制该用什么方案实现 6. 选个目标设备吧，qemu可以玩玩但是内核都写了，还是上个设备跑一跑比较好。（如果你打算在树莓派上做的话下一步你会比较郁闷） 7. 这个设备的启动流程怎么样，和之前的想法有没有冲突？ 8. 找到各种手册看一下，之前想好的实现方案有没有坑？时钟、中断、DMA之类的，大概怎么搞，心里要有数了。 9. 想不想要JTAG之类的调试方案？有没有？方不方便？ 10. 提前组织一下模块划分、代码结构、编译管理方案等。 第三阶段：初步实施 11. 选好之后就把设备买下吧，需要的SD卡啦电源啦都买下，按照noobs' kit之类的东西试试好不好用 12. 准备工具链。在linux上你需要gcc和binutils。libgcc要不要加？不加的话有什么坑？（CortexA9没有硬件整数除法我说的就是你）怎么处理？ 13. 编写字符输出驱动，不管是UART还是IA32的默认控制台或者是什么的。 14. 编写Hello world并作为最简单的内核或者bootloader运行。 15. （如果自己写bootloader）读启动介质的驱动和你想load的内核格式的支持代码应该写出来了。内核load到哪里去？内核想要load到非常奇怪的地址（比如设备区或者和bootloader重叠）怎么办？ 16. 平台初始化要做一做了吧？页表准备一下该开MMU了吧？说道MMU就要说缓存，目标架构上缓存需要内核做哪些维护？如何启用？设备区怎么处理？（MIPS没有硬件table walker这种事情也要在这里处理掉） 17. 要不要跳虚拟地址？虚拟地址空间怎么划分？ 第四阶段：各种内核组件 18. 一套完整的线性映射能不能容纳？不能的话怎么办？类似vmalloc和ioremap的机制，要实现的话需要提前规划好。 19. 物理内存怎么管理？连续页的分配和回收使用怎样的算法？ 20. 任意大小内存块的分配和释放要怎么处理？有没有什么会要求非常大块的对齐（ARM的一级页表你别跑），怎么办？ 21. 虚拟地址空间怎么管理？用户空间的和内核自己的虚拟地址空间管理方案可不一样的。 22. 中断和出错该怎么处理？向量表怎么搞？中断路由怎么设置？ 23. 系统调用使用怎样的格式？中断信息获取之类的杂务该怎么做？ 24. 上下文保存和恢复应该怎么做？保存哪些内容？ 25. 各种驱动程序怎样部署和运行？静态携带还是动态注册？有没有打算做内核模块机制？怎么做？驱动的特权级要不要低于内核？怎么实现？驱动要不要参与未来的调度？和用户空间比有什么特别的？ 26. 进程和线程打算怎样实现？依靠用户空间的库来调度还是像linux这样做线程和线程组？进程描述符长什么样？ 27. 时钟怎么用？时钟比较器是共享的还是独享的？ 28. 调度算法是怎样的？有没有什么好处坏处？ 29. 自旋锁该怎么实现？有哪些使用要求？ 30. 内核提供哪些同步机制？怎么实现？ 31. 超过一个CPU的话，其他核心怎样唤醒？唤醒之后哪些初始化需要另做？ 32. 各种系统调用内部该如何实现？ 第五阶段：和用户态的配合 33. 怎样把提供的系统调用包成一个C库一类的东西？ 34. 做哪些文件系统支持？内核要不要导出虚拟文件系统？控制台输入输出算不算文件？ 第六阶段：可选内核组件 35. 管道、共享内存等IPC方案？ 36. 动态挂载和卸载文件系统？ 37. 前面提到过的内核模块？ 38. kexec和kdump一类的机制？ 39. ASLR？运行禁止？其他一些被动安全机制？ 40. 随机数生成器？ 41. 安全内存？处理器的加密解密部件？ 42. 缺页和换页？ 43. 区分一下用户？组？密码？shadow？ 44. 文件权限？SUID/SGID？ 45. 用户态的init差不多应该负担一些责任了？ 46. 管理一下电源和频率？idle的时候做点节能？ 47. 用文件/文件系统的方式和内核做一些交互？ 48. 网络？路由？名称服务？防火墙？ 49. 动态的设备管理？热插拔？ 50. （我想不出更多了）来点图形界面？本回答被提问者采纳 参考技术B 早先写过一个玩具内核，现在正做操作系统课助教，带一伙学弟学妹做这个事情。假定题主对操作系统有一定的认识（被丢去裸考期末考试不会挂科）。总体路线图大约是这样的：*以下内容全是干货，试图在不干预题主自己的设计的条件下尽可能指出所

从零开始写 OS 内核

系列目录

• 序篇
• 准备工作
• BIOS 启动到实模式
• GDT 与保护模式
• 虚拟内存初探
• 加载并进入 kernel
• 显示与打印
• 全局描述符表 GDT
• 中断处理
• 虚拟内存完善
• 实现堆和 malloc
• 创建第一个内核线程
• 多线程运行与切换
• 锁与多线程同步
• 进程的实现
• 进入用户态
• 一个简单的文件系统
• 加载可执行程序
• 系统调用的实现
• 键盘驱动
• 运行 shell

扩展并重载 GDT

本篇我们将在 kernel 中重新定义并扩展全局描述符表 GDT，并再次加载它。本篇的内容也会比较简单，更多的是对 x86 相关手册文档的查阅和熟悉。

GDT 在 loader 阶段我们已经初步定义并加载过一次，在那里我们只定义了 kernel 的 code 和 data 段，因为到目前为止，以及在后面相当长的一段时间里，我们始终处于 kernel 空间中，以 CPU 特权级 0 进行运行。但是作为一个 OS，最终是要运行并管理用户程序的，因此 GDT 中还需要加入用户态的 code 和 data 段。

另外我们也希望对前面的 GDT 重新整理一下，毕竟在汇编下比较混乱，很多数据结构管理起来不清晰。

GDT 代码

GDT 以及 segment 相关的知识，是 x86 体系架构的历史遗留产物，非常令人讨厌。但是 Intel 为了历史兼容，又不得不始终保留这些历史包袱。我们也不必花太多心思和脑筋在这上面，只要按照文档规范，把该填都填了，该写的都写了，轻轻带过就可以了。它并不是我们项目的核心部分。

按惯例，先给出代码链接，主要源文件是 src/mem/gdt.c。

关于 GDT 的文档，你可以参考这里。

首先我们需要定义 GDT entry 的数据结构：

struct gdt_entry {
  uint16 limit_low;
  uint16 base_low;
  uint8  base_middle;
  uint8  access;
  uint8  attributes;
  uint8  base_high;
} __attribute__((packed));
typedef struct gdt_entry gdt_entry_t;

它对应的是这样一个 64 bit 的结构：

其中 base 是指 segment 的内存基址，limit 则是长度，它可以有 1 或者 4KB 两种单位。

其余部分则是图二中展示的一些标志比特位，这里就不多费笔墨了，还是要对着文档仔细校对。

然后我们定义 GDT 表：

static gdt_entry_t gdt_entries[7];

我们这里分配了 7 个 entry：

• 第 0 项保留；
• 第一个是 kernel 的 code segment；
• 第二个是 kernel 的 data segment；
• 第三个是 video segment，这个不是必须的，可以无视；
• 第四个是 user 的 code segment；
• 第五个是 user 的 data segment；
• 第六个是 tss；

从第四个开始，都是用户态需要用到的。其中第六个 tss 目前不必深究，后面进入用户态时我们会回过来再细看这部分。

然后我们定义设置 GDT entry 的函数：

static void gdt_set_gate(
    int32 num, uint32 base, uint32 limit, uint8 access, uint8 flags) {
  gdt_entries[num].limit_low = (limit & 0xFFFF);
  gdt_entries[num].base_low = (base & 0xFFFF);
  gdt_entries[num].base_middle = (base >> 16) & 0xFF;
  gdt_entries[num].access = access;
  gdt_entries[num].attributes = (limit >> 16) & 0x0F;
  gdt_entries[num].attributes |= ((flags << 4) & 0xF0);
  gdt_entries[num].base_high = (base >> 24) & 0xFF;
}

对照着上面那幅图看就可以了。

将 GDT 表中的这些 entry 都设置上：

  // kernel code
  gdt_set_gate(1, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // kernel data
  gdt_set_gate(2, 0, 0xFFFFF, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // video: only 8 pages
  gdt_set_gate(3, 0, 7, DESC_P | DESC_DPL_0 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);

  // user code
  gdt_set_gate(4, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_CODE | DESC_TYPE_CODE, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);
  // user data
  gdt_set_gate(5, 0, 0xBFFFF, DESC_P | DESC_DPL_3 | DESC_S_DATA | DESC_TYPE_DATA, FLAG_G_4K | FLAG_D_32);

对比 kernel 和 user 部分的差别，主要是两点：

• Access Byte 中的 Privl：一共两个 bit 位，对 kernel 来说它是 00，而对 user 则是 11，它的含义是 DPL (Descriptor Privilege Level)，代表的是访问这个 segment 需要的最小 CPU 特权级。

• Limit：因为用户空间限制在了 3GB 以下，所以它的 Limit 是 0xBFFFF，注意 Flags 的 Gr (Granularity) 位是 1，所以 Limit 的 单位是 4KB，可以计算得到 (0xBFFFF + 1) * 4KB = 3GB；

有了这两点限制，当 CPU 处于用户态时，它就无法访问 3GB 以上的 kernel 空间，这样 segment 机制的作用就发挥出来了。