Как написать свою маленькую ОС

^[1]

Большое начинается с малого. Например, ядро Linux 0.0.1 ^[2] состояло всего из 10 239 строк кода, из них 20% комментарии. Такой проект вполне может осилить студент в качестве курсовой или дипломной работы, программируя по вечерам на домашнем ПК (собственно, Линус и написал его во время учёбы в университете, когда вернулся из армии).

Если один студент смог это сделать тогда, то почему нельзя повторить? И действительно, в интернете есть даже специальные обучающие ресурсы для написания новых ОС и целые сообщества энтузиастов, которые помогают друг другу в этом непростом деле.

Например, на сайте OSDev.org ^[3] представлено буквально пошаговое руководство для новичков по написанию собственной ОС с нуля.

Здесь представлена обучающая информация по всем компонентам операционной системы: документация по аппаратному обеспечению и архитектуре, памяти, прерываниям, часам и таймерам, обработке графики, звука, системе ввода-вывода, системе хранения, PCI, USB, сетевым картам, беспроводным сетям и т. д.

Насчёт «пошагового» руководства не шутка — есть раздел «Создание ОС» ^[4] и отдельная страничка «В каком порядке всё делать» ^[5].

Советы для начинающих:

1. Безусловно [в первую очередь] необходим вывод на экран строк и целых чисел (как десятичных, так и шестнадцатеричных). Это один из самых простых способов отладки. Практически каждый из нас в версии 0.01 проходил через kprint() или kout.
2. Вывод на последовательный порт сэкономит массу времени на отладку, исключив потерю информации из-за прокрутки. Вы сможете тестировать свою ОС с консоли, фильтровать интересные отладочные сообщения и автоматизировать некоторые тесты.
3. Очень полезно наличие работающей и надёжной системы обработки прерываний/исключений, которая может сбрасывать содержимое регистров (и, возможно, адрес ошибки).
4. Спланируйте карту памяти (виртуальную и физическую): решите, куда записывать данные.
5. Практически невозможно обойтись без выделения памяти во время выполнения программ (т. е. malloc и free), так что желательно как можно скорее реализовать кучу.

Есть довольно интересные проекты, которые выросли из сообщества разработчиков новых операционных систем. Например, Fomos ^[6] — экспериментальная ОС, написанная на Rust.

▍ Экспериментальная ОС на Rust

Fomos ^[6] — это чистый эксперимент по изучению экзоядер ^[7], а также насколько Rust упрощает написание таких систем.

Автор реализовал базовый минимум для ядра: графический вывод, динамическое распределение памяти, загрузку и запуск параллельных приложений (написано пять приложений: app_background ^[8], app_c ^[9], app_console ^[10], app_cursor ^[11], app_test ^[12]), поддержку мыши и клавиатуры (драйверы являются асинхронными задачами), все приложения тоже запускаются в асинхронном цикле, кооперативное планирование (приложения передают контроль как можно чаще).

Из уникальных функций автор называет то, что здесь приложения представляют собой просто функции контекста, а системные вызовы в этой ОС отсутствуют как явление. Когда приложение заканчивает работу (return;), контроль автоматически возвращается ядру.

Даже память приложения находится в контексте, который можно автоматически сохранить перед выходом:

//kernel just started
...
let app = App::new(..);
let ctx = disk.load(app.id).unwrap_or(Context::new(..));
loop{
    app._start(ctx);
    if restart_request{
        disk.save(app.id, ctx)
        break;
    }
}
//handle restart
...

См. также статьи Филиппа Оперманна про написание маленькой ОС на Rust ^[13].

▍ Статически связанный мини-линукс

Недалеко от «собственной ОС» стоит создание собственного дистрибутива Linux или кастомной сборки Windows (с удалением лишних программ, блокировкой телеметрии и т. д.).

В качестве примера можно посмотреть на Oasis ^[14] — «минимальный дистрибутив Linux». Это маленькая Linux-система, которая довольно сильно отличается от привычных дистрибутивов Linux, а скорее ближе к BSD.

Главная особенность Oasis — полная статическая связанность ^[15]. Это значит, что всё программное обеспечение в базовой системе статически связано, включая сервер отображения (velox ^[16]) и веб-браузер (netsurf ^[17]). Самое значительное преимущество статического связывания заключается в том, что приложение может быть уверено в наличии всех своих библиотек и в том, что все они правильной версии. Это позволяет избежать проблем с зависимостями (DLL Hell ^[18]), а также позволяет заключить приложение в один исполняемый файл. Полностью самодостаточный бинарник, который легко копировать с компьютера на компьютер — и запускать.

Другие особенности Oasis:

• Быстрая сборка со 100%-ной воспроизводимостью. Все пакеты собираются с помощью samurai ^[19], используя манифесты сборки, которые генерируются скриптами Lua ^[20]. Это даёт множество преимуществ: оптимальное время сборки, предсказуемость и воспроизводимость билдов и уменьшение зависимостей во время сборки.
• Минимальные требования для загрузки. Загрузка Oasis возможна на любой POSIX-системе с git, lua, curl, утилитой sha256, стандартными утилитами сжатия и кросс-компилятором x86_64-linux-musl.
• BearSSL как системная TLS и криптобиблиотека. BearSSL ^[21] на С — это невероятно эффективная, лаконичная и красивая библиотека (20 КБ скомпилированного кода, занимает 25 КБ в памяти), которая не получила широкого распространения, но Oasis использует её повсеместно вместо LibreSSL. Кроме того, дистрибутив использует и другие более легковесные альтернативы распространённым инструментам: sbase вместо coreutils, ubase вместо util-linux, pigz вместо gzip, mandoc вместо man-db, bearssl вместо openssl, oksh вместо bash, sdhcp вместо dhclient или dhcpcd, vis вместо vim или emacs, byacc вместо bison, perp и sinit вместо sysvinit или systemd, Netsurf вместо Chromium/Firefox и т. д.
• Отсутствие менеджера пакетов. Вместо этого задаётся набор спецификаций ^[22], какие файлы из каких пакетов следует включить в систему, а система сборки записывает полученное дерево файловой системы в git-репозиторий.
• Хорошая интеграция с независимыми пакетными системами, такими как pkgsrc ^[23] и nix ^[24].
• Чрезвычайно простая настройка. Самый сложный файл в конфигурации по умолчанию — это скрипт инициализации системы /etc/rc.init ^[25] из 16 строк.
• Соответствие стандарту ISO C (в целом). Основной целью является сборка с помощью cproc ^[26], компилятора C, который гораздо строже относится к стандарту ISO C, чем gcc или clang, и на порядки меньше по размеру. Большинство пакетов Oasis уже успешно собираются с помощью cproc, над остальными идёт работа ^[27].

Подробнее о процессе установки и администрирования Oasis см. в вики ^[28] проекта.

▍ Интерфейс ОС на игровом движке

Кроме настоящих ОС, бывают и ненастоящие, то есть фейковые «оболочки», просто создающие видимость операционной системы, но не имеющие ядра. Например, GodotOS ^[29] выглядит и ведёт себя как настоящая система, не являясь таковой на самом деле. В интернет-демонстрации ^[30] вы можете просматривать папки, редактировать текстовые файлы, просматривать изображения, играть в игры и многое другое. Всё это в едином консистентном интерфейсе, причём очень красивом.

Демо-версия ^[30] GodotOS, трейлер ^[31]

GodotOS — скорее игрушка, чем серьёзный проект. Его цель — сделать минималистичный и эстетически приятный рабочий стол. Разработчики креативно использовали игровой 2D- и 3D-движок Godot Engine ^[32] не совсем по назначению. Оказывается, с его помощью можно создавать UI для десктопных приложений ^[33], а не только игры.

▍ Ядро xv6

Учебная операционка x86 ^[34] — повторная реализация оригинальной Unix Version 6 (v6) от Денниса Ритчи и Кена Томпсона. Как известно, на этой фундаментальной исторической ОС основаны многие популярные системы современности, в том числе Linux и macOS (через ответвление BSD из Unix-семейства).

Эта учебная ОС изучается на курсе «Разработка операционных систем» ^[35] Массачусетского технологического института (лабораторные задания ^[36] по курсу).

Недавно на Хабре был опубликован цикл статей ^[37] с переводом книги Расса Кокса и соавторов «xv6: простая, Unix-подобная учебная операционная система» ^[38].

▍ Браузерные движки

Современные браузеры по своей сложности вплотную приблизились к операционным системам. Собственно, и по функциональности они уже не слишком уступают им, ведь в браузере можно запускать практически любые приложения, написанные на любых языках, и даже на ассемблере (WebAssembly), то есть на языке низкого уровня. Например, «хромбуки» от Google работают на операционной системе ChromeOS, а она по сути представляет собой браузер Chrome, который загружается поверх ядра Linux.

Поэтому создание новых браузерных движков по сложности может быть близко к написанию новых ОС. Из интересных новинок в этой области можно упомянуть Shadow ^[39] — браузерный движок, почти полностью написанный на JavaScript.

Компоненты Shadow

На специальной демо-страничке ^[40] можно посмотреть, как Shadow парсит разные сайты. Пока что он справляется только с относительно простыми для рендеринга веб-страничками. Например, Хабр для него слишком сложен ^[41], как и большинство других сайтов.

А вот домашнюю страничку SerenityOS ^[42] он парсит практически без ошибок:

Для сравнения, скриншот той же странички в Chrome (попробуйте найти отличия):

Кстати, SerenityOS ^[43] (на КДПВ) — ещё один пример альтернативной ОС в стиле Unix, с графическим интерфейсом в стиле 90-х и функциями из разных современных операционных систем. Об этой необычной системе уже рассказывали на Хабре ^[44]. Причём на Хабре была новость ^[45], что разработчики SerenityOS выпустили кроссплатформенный браузер Ladybird ^[46] на собственном движке. Тоже в своём роде рекурсия.

Кроссплатформенный браузер Ladybird от создателей SerenityOS

В отличие от Shadow, этот браузер поддерживает все современные стандарты по тестам Acid3 ^[47].

И это далеко не единственный браузерный движок от независимых разработчиков. В качестве примеров можно вспомнить Servo ^[48] (движок на Rust, изначально разработанный Mozilla, сейчас поддерживается силами Linux Foundation) и Flow ^[49]. Как и с операционными системами, здесь огромное поле для экспериментов.

Разработка собственной ОС даже с практическим руководством ^[4] — долгий и трудный путь, но в то же время увлекательный и полезный. Можно представить, как начинающий разработчик сперва строго придерживается пошаговых советов и плана, а потом всё дальше отходит от них и принимает собственные решения о дизайне своей операционной системы. В итоге он может создать нечто действительно уникальное и революционное, как Дмитрий Завалишин с операционной системой «Фантом» ^[50].

Phantom OS

Даже если она окажется неприменима на практике, фундаментальная польза от любых инноваций всегда несомненна, ведь они двигают человечество вперёд.

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻 ^[51]

Автор: Анатолий Ализар

Источник ^[52]