tiny_os

ระบบปฏิบัติการเล็ก ๆ

การแนะนำ

Tiny OS เป็นระบบปฏิบัติการที่ทำงานบนสถาปัตยกรรม x86_64

การกำหนดค่าสภาพแวดล้อม

แพลตฟอร์มการพัฒนา

โครงการนี้ได้รับการพัฒนาในระบบ linux บนระบบ windows คุณสามารถเรียกใช้ระบบย่อย linux ได้โดยการติดตั้ง WSL

หากคุณใช้ WSL :

• ติดตั้งเซิร์ฟเวอร์ X ใน windows ; ขอแนะนำให้ติดตั้ง Xming หรือ VCXSVR
  • คุณต้องเริ่มต้นเซิร์ฟเวอร์ X ถึง -ac หรือตรวจสอบ disable access control ผ่าน GUI
• ใน WSL :
  • หากใช้ WSL (เวอร์ชัน 1):

   export DISPLAY=:0

  • หากใช้ WSL2 (เวอร์ชัน 2):

   export DISPLAY= $( cat /etc/resolv.conf | grep nameserver | awk ' {print $2} ' ) :0

  หากคุณไม่ต้องการป้อนคำสั่งข้างต้นทุกครั้งที่คุณเปิดเทอร์มินัลให้เพิ่มลงในตอนท้ายของไฟล์ ~/.bashrc หรือ ~/.profile
• หากข้อผิดพลาด Could not initialize SDL (No available video device) ... หรือข้อผิดพลาดใด ๆ เกี่ยวกับ GTK ให้ตรวจสอบว่าเซิร์ฟเวอร์ X ของคุณเริ่มต้นขึ้นหรือไม่และหาก DISPLAY ตัวแปรสภาพแวดล้อมถูกตั้งค่าอย่างถูกต้อง

สนิม

Rust เป็นภาษาการเขียนโปรแกรมระดับระบบที่ทันสมัยและโครงการนี้ส่วนใหญ่ได้รับการพัฒนาโดยใช้ภาษา Rust ดาวน์โหลดและติดตั้งผ่านเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ Rust หมายเหตุ: โครงการนี้ต้องการการติดตั้ง Toolchain เวอร์ชัน nightly

หลังจากการติดตั้งเสร็จสมบูรณ์ให้ติดตั้ง llvm-tools ผ่าน rustup :

rustup component add llvm-tools-preview

ติดตั้งเครื่องมือที่มีประโยชน์ผ่าน cargo เพื่อการพัฒนา:

cargo install cargo-binutils

ติดตั้ง bochs Emulator

การจำลองผ่านตัวจำลอง bochs ลิงค์ซอร์สโค้ดดาวน์โหลดลิงค์: Source Forge - Bochs X86 PC Emulator หลังจากดาวน์โหลดแล้วให้รวบรวมและติดตั้ง

รวบรวมเคอร์เนล

คำสั่งมีดังนี้:

cargo run --release

เส้นทางภาพเคอร์เนลที่คอมไพล์คือ target/os.img

เตรียมพร้อมสำหรับการทำมิเรอร์

สร้างไฟล์ os.img ในไดเรกทอรี ./bochs ผ่าน bximage :

bximage -func=create -hd=10M -imgmode=flat ./bochs/os.img -q

engrave ./target/os.img เข้า ./bochs/os.img ผ่านเครื่องมือ dd :

 # 注意下面的参数 count 要根据生成的 target/os.img 文件的大小进行调整
dd if=target/os.img of=bochs/os.img bs=512 count=250 conv=notrunc

เรียกใช้ bochs

bochs/conf มีไฟล์การกำหนดค่าต่อไปนี้ในไดเรกทอรี:

• bochsdbg-gdb.bxrc : คุณสามารถแก้ไขข้อบกพร่องจากระยะไกลผ่าน gdb และผูก localhost:1234 (คุณต้องเปิดใช้งาน --enable-gdb-stub เมื่อรวบรวม bochs )
• bochsdbg-win : เปิด debugger bochs พร้อมอินเทอร์เฟซกราฟิกบนแพลตฟอร์ม window
• bochsrc.bxrc : ไฟล์การกำหนดค่า bochs ขั้นพื้นฐานที่สุดโดยไม่ต้องใช้ฟังก์ชัน debug

เรียกใช้ bochs เพื่อเปิดใช้งานการจำลอง:

bochs -q -f bochs/conf/bochsrc.bxrc

เรียกใช้ qemu

ซึ่งแตกต่างจาก bochs , qemu สามารถโหลด target/os.img ที่สร้างขึ้นได้โดยตรง:

qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=bochs/os.img -boot c

makefile

มีไฟล์ Makefile ในไดเรกทอรีรูทของโครงการซึ่งกำหนดคำสั่งการทำงานและการดีบักบางอย่าง:

• clean : ใช้ทำความสะอาดไฟล์ที่สร้างขึ้น
• build-release : ใช้ในการรวบรวมภาพเคอร์เนลเวอร์ชันรี release
• build-debug : ใช้ในการรวบรวมภาพเคอร์เนลเวอร์ชัน debug (ยังไม่เสร็จ)
• run-bochs : ใช้ในการรวบรวมภาพเคอร์เนลและเริ่มการจำลอง bochs
• run-qemu : ใช้ในการรวบรวมภาพเคอร์เนลและเริ่มการจำลอง qemu
• debug-bochs : ใช้ในการรวบรวมภาพเคอร์เนลเริ่ม bochs และ debug ระยะไกลผ่าน rust-gdb
• debug-qemu : ใช้ในการรวบรวมภาพเคอร์เนลเริ่มต้น qemu และ debug ระยะไกลผ่าน rust-gdb

โครงสร้างโครงการ

โครงการนี้แบ่งออกเป็น 4 ส่วน:

• builder : ตั้งอยู่ในไดเรกทอรี src ส่วนใหญ่จะใช้ในการรวบรวมและสร้างภาพเคอร์เนล
• boot : ตั้งอยู่ในไดเรกทอรี boot มันเป็น bootloader สำหรับ tiny OS
• boot_info : อยู่ในไดเรกทอรี boot_info มันมีโครงสร้าง BootInfo
• kernel : ตั้งอยู่ในไดเรกทอรี kernel มันเป็นรหัสเคอร์เนลของ tiny OS

แผนพัฒนา

• bootloader
  • เข้าสู่โหมดการป้องกัน
  • เปิดการจัดการเพจ
  • เปิดโหมดการแสดงผลกราฟิก VGA
  • รับ memory_map ผ่านฟังก์ชัน 0xe820 BIOS
  • เข้าสู่ long mode
  • เตรียมโครงสร้าง BootInfo สำหรับการส่งข้อมูลจากขั้นตอน bootloader ไปยัง kernel
  • การโหลดไฟล์เคอร์เนล elf
  • แมปที่อยู่เสมือนจริงสำหรับรหัสเคอร์เนลและข้ามไปที่เคอร์เนลเพื่อเรียกใช้
• เคอร์เนล
  • เตรียม logger (ใช้เพื่อใช้ฟังก์ชั่นการพิมพ์ tiny os และการดีบักระหว่างการพัฒนาเคอร์เนล)
  • จัดการข้อยกเว้นและการขัดจังหวะต่าง ๆ
    • การประมวลผลเบื้องต้นของการขัดจังหวะนาฬิกา
    • การประมวลผลเบื้องต้นของอินพุตแป้นพิมพ์
    • Page Fault ประมวลผลเบื้องต้น
    • การประมวลผลเบื้องต้นของ GP Fault
    • จัดการกับ Double Fault
  • ใช้การจัดสรรหน่วยความจำแบบไดนามิก
    • ใช้การจัดสรรหน่วยความจำเบื้องต้นผ่าน linked_list_allocator
    • ใช้การจัดสรรหน่วยความจำ buddy system
  • ใช้งานมัลติทาสก์ (การกำหนดเวลาไว้ล่วงหน้า)
  • ใช้การกำหนดเวลาการทำงานร่วมกันระดับเคอร์เนล
    • การดำเนินการเบื้องต้น
    • อัลกอริทึมการกำหนดเวลาที่ดีขึ้น
    • ใช้ spawn ทั่วโลกที่มีอยู่ทั่วโลก
  • การใช้ระบบไฟล์ FAT32
  • ใช้ shell
• การรวบรวม
  • ใช้ Builder ที่ยืดหยุ่นมากขึ้น (คุณสามารถเลือกที่จะรวบรวม debug และ release ภาพ)
  • สร้างภาพเคอร์เนลที่ bochs สามารถโหลดได้โดยตรงแทนที่จะแกะสลักเป็น bochs/os.img ผ่านเครื่องมือ dd

การอ้างอิง

• AMD64 Manual Manual Volume 2: การเขียนโปรแกรมระบบสถาปัตยกรรม
• Intel® 64 และ IA-32 สถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์นักพัฒนาซอฟต์แวร์คู่มือเล่ม 3 (3A, 3B, 3C & 3D): คู่มือการเขียนโปรแกรมระบบ
• "กู้คืนระบบปฏิบัติการ" เจิ้งแก๊งค์
• วิดีโอการเข้ารหัส Master Series: Bilibili - Coding Master
• OSDEV: OSDEV
• บล็อกระบบปฏิบัติการ: การเขียนระบบปฏิบัติการใน Rust