Tworzenie systemu operacyjnego – część 0x00: Wstęp i formalizmy

Skąd pomysł?

Po ponad 6 miesiącach od powstania idei serii postów, pierwsza część ujrzała właśnie światło dzienne. Pomysł na cykl notek zrodził mi się zaraz po ukończeniu kursu „Systemy operacyjne” na mojej ulubionej uczelni. Według (genialnego!) Prowadzącego, około 15% studentów po tym kursie przystępuje do napisania własnego systemu operacyjnego i wygląda na to, że ja jestem w grupie tych ~19 osób. Zapowiada się świetna zabawa :)

Co to będzie?

Seria będzie dokumentować i opowiadać o moich zmaganiach z próbą napisania (od zera) systemu operacyjnego o pewnej funkcjonalności. W postach postaram się zawrzeć wiedzę i kod, który krok po kroku będzie układał się w pełnowartościowy system operacyjny.

Po co to?

Cykl postów o tematyce programowania systemu operacyjnego będzie dokumentacją moich poczynań. Posty będą zdecydowanie miały charakter poznawczy, gdyż w żadnym przypadku nie jestem autorytetem w tej dziedzinie, a (na razie!) tylko początkującym amatorem. Proponuję więc nie polegać na zawartej tu wiedzy podczas kolokwiów z architektury komputerów ;) Proszę też o regularne komentarze z poprawkami do prezentowanych przeze mnie zagadnień – z pewnością będę je wtedy poprawiał. Przy okazji serii mam nadzieję zachęcić czytelników do zagłębienia się w fascynujący świat programowania systemowego, odkryć go nieco, a może nawet skłonić do napisania własnego systemu operacyjnego? Ponadto, nie znalazłem w internecie publikacji w języku polskim, które prowadziłyby krok po kroku (no dobrze, kilka by się znalazło, jednak kroki kończyły się zwykle na 3 odcinkach) po niezwykle zawiłej tematyce tworzenia systemu operacyjnego – będę więc pionierem ;> Przypominam również, że powstający system operacyjny nie ma za zadanie przewyższyć udziału rynkowego takich świetnych systemów jak Microsoft Windows, GNU/Linux czy Mac OS X, gdyż byłoby to niedorzeczne. To po prostu zwykły projekt eksperymentalny.

Co będzie potrzebne?

Najważniejszą rzeczą jest wytrwałość i chęć zdobywania wiedzy :) Posiadając te dwie cechy, nawet całkowity nowicjusz sporo może wynieść z tego cyklu. W swoich wypocinach postaram się zgrabnie balansować między nadmierną gęstością tekstu, a przesadną zwięzłością. Trudniejsze rzeczy postaram się dokładnie objaśniać, łatwiejsze będę traktował po macoszemu, dodając odnośniki, z których będzie można doczytać więcej. Zachęcam do komentowania rzeczy niejasnych i skomplikowanych tak, abym z czasem mógł dostosować poziom.

System operacyjny, przynajmniej z początku, będzie napisany w języku C z małym dodatkiem assemblera x86 (będę używał „dialektu” NASM-a), zatem znajomość C, jak również nieco assemblera zdecydowanie się przyda.

Z całą pewnością potrzebny będzie jakiś działający system operacyjny z dostępnymi narzędziami programistycznymi. W swoich postach będę opisywał tworzenie systemu operacyjnego w środowisku GNU/Linux w połączeniu z typowymi dla tej platformy narzędziami takimi jak gcc czy binutils. Przedstawione przykłady, da się jednak bez problemu skompilować pod Windowsem, czy Mac OS X, wymagałoby to jednak nieco więcej pracy (jeśli będzie taka potrzeba, mogę opisać techniki w oddzielnym poście). Zwolenników systemów innych niż Linux zachęcam do zainstalowania jakiejś łatwej i przyjemnej dystrybucji, choćby na maszynie wirtualnej i programowania w takim środowisku. Gwarantuję, że inicjalny trud się opłaci.

Kolejna rzeczą, która nie jest konieczna, ale znacząco ułatwi nam programowanie i testowanie naszego systemu będzie emulator platformy x86 (gdyż na tą platformę będzie powstawał nasz system). Mój wybór padł na qemu. Emulator przyda się, aby uruchamiać świeżo skompilowany system – choć oczywiście dla wytrwałych pozostaje opcja odpalania systemu na prawdziwej maszynie.

Formalizmy

Koniec gadania, przystępujmy do rzeczy. Chcemy napisać system operacyjny, no dobrze… tylko co to tak właściwie jest? W literaturze dałoby się znaleźć setki mniej lub bardziej zmyślnych/złożonych/obszernych definicji, wymyślić nowych można by było kilka kolejnych, a więc… która jest dobra? Odpowiedzi na to pytanie nie ma, gdyż brakuje obiektywnych kryteriów oceny, czy dana definicja jest poprawna, zła, ładna, zgrabna itd. Mi najbardziej do gustu przypadła następująca:

System operacyjny jest to zbiór programów i procedur spełniających dwie podstawowe funkcje:

– zarządzanie zasobami systemu komputerowego,

– tworzenie maszyny wirtualnej.

Natomiast najtrafniejsza definicja zasobu systemu to wg mnie:

Zasobem systemu jest każdy jego element sprzętowy lub programowy, który może być przydzielony danemu procesowi.

Definicją procesu zajmiemy się przy innej okazji.

Teraz kilka słów wyjaśnień. Jak widać z definicji systemu operacyjnego – nie jest on sam w sobie programem, a zbiorem programów i procedur. System, który będziemy implementować za jakiś czas będzie wyglądał z punktu widzenia czysto technicznego jakby był jednym programem, jednak to tylko decyzja implementacyjna – w ogólności tak być nie musi. Pierwsza funkcja, którą pełni system operacyjny wydaje się być jasna – zarządza on zasobami, które oferuje. Zarządza, czyli udziela dostępu użytkownikowi, czy też raczej programowi użytkowemu. Zasoby sprzętowe to na przykład dysk twardy, pamięć, czy też komputery podłączone w sieci, do stacji na której działa system operacyjny. Zasoby programowe to natomiast wszelkiego rodzaju tablice, czy też semafory. Druga funkcja, czyli tworzenie maszyny wirtualnej może brzmieć nieco tajemniczo. Sama maszyna wirtualna jest raczej kojarzona z procesem wirtualizacji, stawianiem odseparowanych serwerów itp., tym razem chodzi jednak po prostu o tworzenie warstwy abstrakcji łatwej do oprogramowania, użytkowania i tę właśnie warstwę nazywamy maszyną wirtualną. Nieformalnie reasumując: system operacyjny ma za zadanie oferować to, co posiada, w przystępnej formie ;)

Rozważmy teraz takie pytanie: Czy program działający na mikrokontrolerze np. mikrofalówki, lodówki, czy pralki jest systemem operacyjnym? Odpowiedź na to pytanie (według podanej wyżej definicji) to: nie. Program ten jest zadany odgórnie, nie ma możliwości oprogramowywania go – nie posiada żadnej warstwy abstrakcji i o zasobach tutaj też trudno mówić. Z kolei, zastanówmy się nad takim telewizorem, który działa w oparciu o jądro Linux. Tu sprawa nie jest już taka prosta. W końcu wiadomo, że Linux to system operacyjny (puryści mogliby się doczepić do tego stwierdzenia.. ;)), tylko że ten system dla użytkownika końcowego jest całkowicie przezroczysty – nie ma on bezpośredniego dostępu do zasobów, szczególnej maszyny wirtualnej też tu nie widać. Zatem, czy patrząc na telewizor w kontekście pudełka,  w którego środku coś się dzieje i otrzymujemy obraz, należy mówić o systemie operacyjnym? Tak jak już mówiłem, z definicjami nie jest łatwo.

Na koniec

To tyle na pierwszy odcinek serii. W kolejnym odcinku zajmiemy się już konkretami, czyli własnościami architektury x86. Poniżej załączam listę stron z materiałami, które zdecydowanie będą się przydawać.

OSDev.org – bardzo aktywny serwis typu wiki, traktujący o tematyce programowania systemów operacyjnych. Polecam od niego zaczynać szukanie odpowiedzi na pojawiające się wątpliwości.

Bona Fide OS Developer – strona zawiera pokaźną ilość przydatnych tutoriali, niestety nie jest zbyt często uaktualniana

Operating System Resource Center – skarbnica wiedzy o wszelakich zasobach systemów operacyjnych. Panuje tam trochę bałaganu, nie mniej jednak, można tam znaleźć masę przydatnych informacji.

Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manuals – darmowe (!) podręczniki Intela do architektury x86 (i x86-64), zawierające 2 grube tomy na temat programowania systemowego. Przystępnie napisane, zwięźle objaśniają subtelności architektoniczne. Da się tam chyba znaleźć odpowiedź na każde pytanie, choć tego nikt nie jest pewien, bo nikt nie dał rady ich przeczytać ;)

Into the Void – skrócony (jakby ten intelowski okazał się za długi, ciężko dostępny) opis instrukcji architektury x86

W porządku, to tyle. Do usłyszenia w następnej części!

Jedno przemyślenie nt. „Tworzenie systemu operacyjnego – część 0x00: Wstęp i formalizmy”

Możliwość komentowania jest wyłączona.