从零开始：一步步教你建立自己的电脑操作系统

从零开始：一步步教你建立自己的电脑操作系统

你是否曾梦想过拥有一个完全属于自己的操作系统？一个可以完全按照你的意愿定制，没有预装软件，没有臃肿功能的系统？虽然这听起来像是一项艰巨的任务，但事实上，只要你有足够的耐心和对技术的渴望，完全可以从头开始构建自己的操作系统。本文将带你一步步了解这个过程，并提供详细的步骤和说明。

为什么要构建自己的操作系统？

在深入研究具体步骤之前，让我们先探讨一下为什么要花费大量时间和精力来构建自己的操作系统：

  • 极致的定制化： 你可以完全控制操作系统的每一个细节，从内核到用户界面，一切都由你决定。
  • 深入理解计算机原理： 构建操作系统是一个深入了解计算机硬件、操作系统原理和底层编程的绝佳方式。
  • 挑战和成就感： 完成这项挑战会带来巨大的成就感，这远非简单地使用现有操作系统所能比拟的。
  • 打造独一无二的产品： 你可以创造一个真正独一无二的操作系统，并根据自己的特定需求进行优化。
  • 学习各种编程语言： 从汇编语言到C语言，再到一些高级语言，你需要掌握多种编程语言才能完成这项任务。

准备工作

在开始构建操作系统之前，你需要做好以下准备：

1. 必要的知识

  • 计算机体系结构： 了解CPU、内存、硬盘等硬件的工作原理以及它们之间的交互方式。
  • 操作系统原理： 理解操作系统内核的功能、进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等核心概念。
  • 编程语言： 你需要掌握汇编语言（用于启动过程）、C语言（用于内核开发）和一些高级语言（用于用户空间应用程序）。
  • 数据结构与算法： 操作系统中会涉及到许多复杂的数据结构和算法。
  • 版本控制： 熟悉使用Git等版本控制工具来管理你的代码。

2. 开发环境

  • Linux环境： 推荐使用Linux系统作为开发环境，因为它提供了强大的工具和丰富的资源。
  • 虚拟机软件： VirtualBox或VMware等虚拟机软件可以帮助你在虚拟机中测试你的操作系统，避免对物理机器造成损坏。
  • 文本编辑器或IDE： 选择一个你熟悉的文本编辑器或IDE，例如Visual Studio Code、Vim、Emacs等。
  • 汇编器和编译器： GCC（GNU Compiler Collection）包含了C语言编译器和汇编器。
  • QEMU： QEMU是一个通用的开源机器模拟器和虚拟器，用于测试你的操作系统。

3. 参考资料

  • 操作系统书籍： 例如《操作系统概念》、《现代操作系统》、《深入理解计算机系统》等。
  • 网上教程和文档： 网上有很多关于操作系统开发的教程和文档，例如OSDev Wiki、Bochs文档、QEMU文档等。
  • 开源操作系统： 研究Linux内核、FreeBSD内核等开源操作系统的源代码，学习他们的实现方式。

构建操作系统的基本步骤

现在我们开始进入核心部分，一步步构建自己的操作系统。这个过程会非常复杂，需要耐心和细致的工作。

1. 启动引导程序（Bootloader）

启动引导程序是操作系统启动的第一步。它的主要任务是加载操作系统的内核到内存并执行它。

步骤：

  1. 编写汇编代码： 使用汇编语言编写一个简单的启动引导程序。这个程序主要做以下几件事：
    • 设置处理器进入保护模式。
    • 初始化栈指针。
    • 加载内核到内存。
    • 跳转到内核的入口点。
  2. 编译汇编代码： 使用汇编器将汇编代码编译成二进制文件。例如使用nasm汇编器。
    bash
    nasm boot.asm -f bin -o boot.bin

  3. 生成启动镜像： 将引导程序写入到虚拟硬盘的启动扇区。
    bash
    dd if=boot.bin of=disk.img bs=512 seek=0 count=1 conv=notrunc

汇编代码示例 (boot.asm)：

assembly
[org 0x7c00]
mov ax, 0x07c0
mov ds, ax
mov ax, 0x07e0
mov ss, ax
mov sp, 0x0fff

;设置保护模式
mov ax, cr0
or ax, 1
mov cr0, ax

;跳转到32位代码
jmp 0x08:start32

[bits 32]
start32:
mov ax, 0x10
mov ds, ax
mov es, ax
mov fs, ax
mov gs, ax
mov ss, ax

call main;调用内核入口函数

hlt

2. 内核（Kernel）

内核是操作系统的核心部分，负责管理硬件资源、提供系统调用接口等。

步骤：

  1. 编写内核代码： 使用C语言编写内核代码。内核代码需要实现以下功能：
    • 初始化硬件设备。
    • 管理内存。
    • 创建和管理进程。
    • 提供系统调用接口。
    • 实现文件系统。
  2. 编译内核代码： 使用C语言编译器将内核代码编译成二进制文件。
    bash
    gcc -m32 -nostdlib -ffreestanding -c kernel.c -o kernel.o
    ld -Ttext=0x1000 -melf_i386 kernel.o -o kernel.elf
    obcopy -O binary kernel.elf kernel.bin

    注意：这里需要使用特殊的编译和链接选项，确保生成的是可以在内核空间运行的代码。

  3. 将内核加载到内存： 在引导程序中，需要将内核二进制文件加载到内存中，并跳转到内核的入口点。

C语言内核代码示例 (kernel.c)：

c
#include

void kmain()
{
// 清屏
char* video_mem = (char*)0xb8000;
for(int i = 0; i < 2000; i++) { video_mem[i * 2] = ' '; video_mem[i * 2 + 1] = 0x0f; } // 打印信息 char* str = "Hello From kernel!"; int i = 0; while(str[i] != 0) { video_mem[i*2] = str[i]; video_mem[i*2+1] = 0x07; i++; } while (1); }

3. 内存管理

内存管理是操作系统内核的核心功能之一。它负责分配、回收和保护内存资源。

步骤：

  1. 物理内存管理： 实现物理内存的分配和回收。可以使用位图或链表等数据结构来跟踪内存的使用情况。
  2. 虚拟内存管理： 引入虚拟内存的概念，将进程的逻辑地址映射到物理地址，实现内存隔离和保护。
  3. 分页机制： 利用分页机制实现虚拟地址到物理地址的映射。

内存管理代码示例 (kernel.c，内存管理部分)：

c
// 简单的物理内存管理（位图）
#define MEMORY_SIZE 1024 * 1024 // 1MB
#define PAGE_SIZE 4096 // 4KB
#define NUM_PAGES MEMORY_SIZE / PAGE_SIZE

uint8_t memory_map[NUM_PAGES / 8];

void init_memory()
{
// 初始化内存位图
for (int i = 0; i < NUM_PAGES / 8; i++) { memory_map[i] = 0; } } int allocate_page() { for (int i = 0; i < NUM_PAGES; i++) { if (!(memory_map[i/8] & (1 << (i%8)))) //找到未使用的页 { memory_map[i/8] |= (1 << (i%8)); //标记为已使用 return i * PAGE_SIZE; //返回物理地址 } } return -1; // 返回-1表示分配失败 } void free_page(uint32_t addr) { int page_index = addr / PAGE_SIZE; if (page_index >= 0 && page_index < NUM_PAGES) { memory_map[page_index/8] &= ~(1 << (page_index%8)); } }

4. 进程管理

进程管理是操作系统的另一个核心功能，它负责创建、调度和管理进程。

步骤：

  1. 进程创建： 定义进程控制块（PCB）来管理进程的相关信息，例如进程ID、状态、优先级等。
  2. 进程调度： 实现进程调度算法，例如先来先服务、短作业优先、轮转调度等。
  3. 进程切换： 实现进程上下文切换，保存和恢复进程的执行状态。

进程管理代码示例（简化版）

c
// 进程控制块结构体
typedef struct pcb
{
uint32_t pid;
uint32_t esp; // 栈指针
} PCB;

PCB current_process;

//创建一个新进程（简化的示例）
PCB create_process(uint32_t entry_point)
{
PCB new_process;
new_process.pid = /* 获取唯一的PID */;
new_process.esp = /* 分配新的栈空间 */; // 这里需要分配内存
//将新进程的入口点写入栈
// 模拟上下文切换
return new_process;
}

//切换到指定进程
void switch_process(PCB* next)
{
current_process = *next;
// 将next 进程的esp 恢复。
// 模拟进程上下文切换的操作，包括寄存器等。
}

5. 文件系统

文件系统是操作系统用来存储和管理文件的机制。

步骤：

  1. 磁盘分区： 对硬盘进行分区，并格式化为特定的文件系统。
  2. 文件系统结构： 实现文件系统的基本结构，例如目录、文件、inode等。
  3. 文件操作： 实现创建、删除、读取、写入等文件操作。

这里因为实现文件系统复杂度较高，所以不会提供代码示例，但需要知道其大致的实现思路。例如可以通过虚拟磁盘文件来实现简单的文件系统，并在内存中维护文件系统的结构。

6. 设备驱动

设备驱动程序是操作系统用来控制硬件设备的接口。

步骤：

  1. 了解硬件： 阅读硬件设备的文档，了解其寄存器、命令等信息。
  2. 编写驱动程序： 使用C语言编写驱动程序，实现对硬件设备的控制。
  3. 注册驱动程序： 将驱动程序注册到操作系统内核中。

这部分内容也比较复杂，涉及到硬件的底层操作，需要根据具体的硬件设备进行开发。 例如需要自己实现键盘，显示器等等的驱动。

7. 系统调用

系统调用是用户空间程序与内核进行交互的接口。

步骤：

  1. 定义系统调用接口： 定义系统调用的编号和参数。
  2. 实现系统调用： 在内核中实现系统调用的处理函数。
  3. 用户空间接口： 在用户空间程序中使用系统调用接口。

系统调用示例：

例如定义一个简单的系统调用：打印字符串到屏幕。

  1. 在内核中定义系统调用：
    c
    //内核代码
    #define SYSCALL_PRINT 1

    void sys_print(char* str) {
    // … 将字符串输出到屏幕的代码。
    char* video_mem = (char*)0xb8000;
    int i = 0;
    while(str[i] != 0)
    {
    video_mem[i*2] = str[i];
    video_mem[i*2+1] = 0x07;
    i++;
    }
    }

    void syscall_handler(int syscall_num, uint32_t arg1) {
    if(syscall_num == SYSCALL_PRINT) {
    sys_print((char*)arg1);
    }
    }

    // 注册系统调用处理函数 （需要根据架构设置不同的中断）
    // 在汇编代码中定义中断处理函数并跳转到 syscall_handler

  2. 在用户空间中调用系统调用：
    c
    //用户空间代码（实际上需要一个链接库来封装系统调用）
    #define SYSCALL_PRINT 1
    void print_string_syscall(char* str) {
    asm volatile (
    “int 0x80” // 调用0x80中断（根据架构不同需要修改）
    ::”a”(SYSCALL_PRINT), “b”(str)
    );
    }

    // 然后用户程序就可以使用这个系统调用
    void user_program()
    {
    print_string_syscall(“Hello From User Space\n”);
    while(1);
    }

8. 用户空间应用程序

用户空间应用程序是运行在操作系统之上的应用程序，它们使用系统调用接口来访问内核提供的服务。

步骤：

  1. 编写应用程序： 使用高级语言编写应用程序，例如C++、Python等。
  2. 编译应用程序： 使用编译器将应用程序编译成可执行文件。
  3. 加载应用程序： 将应用程序加载到内存并执行。

测试和调试

在构建操作系统的过程中，你需要不断地进行测试和调试。可以使用虚拟机软件和调试工具来帮助你查找和修复错误。

1. 使用QEMU

QEMU是一个强大的虚拟机软件，可以模拟各种硬件环境，方便你测试和调试你的操作系统。

bash
qemu-system-i386 -fda disk.img -s -S # 使用gdb调试，-s 让其监听1234端口，-S 让其启动不执行

2. 使用GDB

GDB是一个强大的调试工具，可以帮助你跟踪程序的执行过程，查看内存状态等。

bash
gdb ./kernel.elf
target remote localhost:1234 # 连接到qemu
set architecture i386 #设置架构
b kmain #在kmain设置断点
c # 继续执行

总结

构建一个操作系统是一个非常复杂和耗时的过程，需要你掌握多种技术和工具，并具备足够的耐心和毅力。但这个过程也是一个非常有价值的学习过程，可以让你深入了解计算机系统的工作原理，并为你未来的技术发展打下坚实的基础。

本文只是对操作系统构建过程的一个简单介绍，实际的实现过程要复杂得多。希望这篇文章能为你提供一个入门的起点，并激发你对操作系统开发的兴趣。

记住，不要害怕失败，不断尝试和学习，你终将成功！

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