Att skriva ett operativsystem (OS) är en komplex och utmanande uppgift, men det kan delas upp i flera viktiga steg. Här är en allmän översikt över processen:
1. Planering och design:
* Definiera mål och omfattning: Vilken typ av operativsystem bygger du? Ett operativsystem i realtid, en enkel kärna för inbäddade system, ett hobby-operativsystem för lärande eller något mer ambitiöst? Att definiera dina mål kommer att forma hela utvecklingsprocessen.
* Målarkitektur: Vilken hårdvaruplattform riktar du dig (x86, arm, risc-v, etc.)? Detta val påverkar startprocessen, minneshanteringen och tillgängliga hårdvarufunktioner.
* Funktioner och funktionalitet: Bestäm de kärnfunktioner du vill implementera:
* kärntyp: Monolitisk, mikrokernel, hybrid? Detta beslut påverkar starkt OS -strukturen och kommunikationsmekanismerna.
* Processhantering: Schemaläggningsalgoritmer, process skapande/avslutning, kommunikation mellan processer (IPC).
* Minneshantering: Virtuellt minne, personsökning, segmentering, minnesallokeringsalgoritmer.
* Filsystem: Stödda filsystemtyper, katalogstruktur, filoperationer (läs, skriv, etc.).
* enhetsdrivare: Hårdvaruabstraktionslager, kommunikation med kringutrustning (skivor, nätverkskort etc.).
* Systemsamtal: Gränssnitt för användarapplikationer för att få tillgång till kärntjänster.
* Arkitekturdesign:
* kärnstruktur: Hur kommer olika moduler att interagera? Hur organiseras minnet?
* datastrukturer: Definiera de viktigaste datastrukturerna för att hantera processer, minne, filer etc.
* Synkroniseringsmekanismer: Mutexer, semaforer, spinlocks etc. för att förhindra rasförhållanden och säkerställa dataintegritet i samtidiga miljöer.
* Utvecklingsmiljö: Välj dina verktyg:
* Programmeringsspråk: C och C ++ är de vanligaste valen, ofta i kombination med monteringsspråk för lågnivåuppgifter. Rust får dragkraft på grund av sina minnesskyddsfunktioner.
* kompilator och monterare: GCC, Clang, NASM, etc.
* Debugger: GDB används allmänt.
* Byggsystem: Göra, cmake, etc.
* emulator/virtuell maskin: QEMU, VirtualBox, VMware, etc. för att testa utan att riskera hårdvaruskador.
* Operativsystem för utveckling: Linux, macOS eller Windows kan användas som en utvecklingsmiljö.
2. Bootstrapping och Kernel initialisering:
* bootloader: Skriv en bootloader (ofta i montering) för att ladda kärnan i minnet. Detta innebär:
* BIOS/UEFI Interaktion: Kommunicera med BIOS/UEFI -firmware för att ladda OS.
* Laddar kärnan: Läser kärnbilden från disken till minnet.
* Växling till skyddat läge (x86): Aktivera skyddat läge för minneshantering och tillgång till fler systemresurser. Andra arkitekturer kan ha olika initialiseringssteg.
* Ställa in en stack: Initialisera stackpekaren.
* Hoppning till kärnans ingångspunkt: Överföra kontrollen till kärnans "huvud" -funktion (eller motsvarande).
* kärninitiering: Kärnan tar över och utför väsentlig installation:
* Avbrottshantering: Initiera avbrottsbeskrivningstabellen (IDT) och ställa in avbrottshanterare.
* Minneshanteringsinställning: Initiera minneshanteringssystemet (personsökning, etc.).
* Enhetsinitiering: Initiera grundläggande enheter som behövs för drift, till exempel konsolen (för utgång).
* Skapa den första processen: Skapa en initial process (ofta "init") för att starta miljön på användarnivån.
3. Minneshantering:
* Fysisk minneshantering: Spåra tillgängligt fysiskt minne. Implementera algoritmer för att tilldela och frigöra fysiska minnessidor.
* Virtual Memory Management: Implementera virtuellt minnesstöd, som gör det möjligt för processer att komma åt mer minne än fysiskt tillgängligt. Detta innebär ofta:
* Sidtabeller: Datastrukturer som kartlägger virtuella adresser till fysiska adresser.
* Pagoritmer: Algoritmer för hantering av sidtabellposter och hantering av sidfel (t.ex. minst nyligen använt - LRU).
* byte: Flytta sidor från RAM till disk för att frigöra minne.
* Minnesallokering: Implementera dynamiska minnesallokeringsfunktioner (t.ex. `malloc`,` fritt ') för kärn- och användarnivåprocesser.
4. Processhantering:
* Process skapande och uppsägning: Implementera systemsamtal för att skapa (t.ex. `gaffel ',` exec') och avsluta processer (t.ex. `exit ').
* Processplanering: Välj en schemaläggningsalgoritm (t.ex. Round Robin, Prioritetsbaserad, rättvis kö) för att avgöra vilken process som körs nästa.
* Kontextväxling: Implementera koden för att spara och återställa tillståndet för en process (register, stackpekare, etc.) vid växling mellan processer.
* Inter-Process Communication (IPC): Tillhandahålla mekanismer för processer för att kommunicera med varandra, till exempel:
* rör: Enkla enkelriktade kommunikationskanaler.
* Meddelande köer: Låt processer skicka och ta emot meddelanden.
* delat minne: Låt processer dela ett minnesregion.
* signaler: Mekanismer för att meddela händelserprocesser.
* Sockets: För nätverkskommunikation.
* trådar: Stöd för flera trådtrådar inom en enda process.
5. Enhetsdrivare:
* Hårdvaruabstraktionslager (HAL): Skapa ett abstraktionslager för att isolera kärnan från specifika hårdvaruinformation.
* Förarutveckling: Skriv drivrutiner för olika hårdvaruenheter (diskkontroller, nätverkskort, grafikkort, inmatningsenheter etc.). Detta innebär vanligtvis:
* Förstå enhetens specifikationer: Att läsa enhetens dokumentation för att förstå hur man kommunicerar med den.
* Memory-mappat I/O eller Port I/O: Använda dessa tekniker för att skicka kommandon och ta emot data från enheten.
* Avbrottshantering: Hantering av avbrott som genereras av enheten.
* DMA (Direct Memory Access): Använda DMA för att överföra data direkt mellan enheten och minnet utan att involvera CPU.
6. Filsystem:
* Filsystemdesign: Välj eller designa ett filsystem (t.ex. FAT32, EXT2, EXT3, EXT4, NTFS, etc.).
* Filoperationer: Implementera systemsamtal för filoperationer:
* öppet: Öppna en fil.
* Stäng: Stäng en fil.
* Läs: Läs data från en fil.
* skriv: Skriv data till en fil.
* Sök: Flytta filpekaren till en specifik plats.
* Skapa: Skapa en ny fil.
* radera: Ta bort en fil.
* Byt namn: Byta namn på en fil.
* Kataloghantering: Implementera systemsamtal för katalogoperationer:
* Skapa katalog: Skapa en ny katalog.
* Radera katalog: Ta bort en katalog.
* Listkataloginnehåll: Hämta en lista över filer och underkataloger i en katalog.
* Filsystemmetadata: Hantera filsystemmetadata (inoder, katalogposter etc.) för att spåra filattribut och platser.
7. Systemsamtal:
* Definiera systemsamtalgränssnitt: Definiera uppsättningen systemsamtal som användarapplikationer kan använda för att interagera med kärnan.
* Implementera systemsamtalshanterare: Implementera motsvarande hanterare i kärnan för att betjäna dessa systemsamtal. Detta innebär vanligtvis:
* Sparande användarkontext: Sparar användarprocessens tillstånd.
* Validera argument: Kontrollera giltigheten av de argument som godkänts av användarprocessen.
* Utföra den begärda operationen: Utföra kärnkoden för att utföra den begärda operationen.
* Återvändande resultat: Återlämna resultaten av operationen till användarprocessen.
* Återställ användarsammanhang: Återställa användarprocessens tillstånd.
8. Miljö på användarnivå:
* skal (kommandoradsgränssnitt): Skapa ett skalprogram som gör det möjligt för användare att interagera med OS genom kommandon.
* Standardbibliotek: Ge standard C -bibliotek (LIBC) eller liknande bibliotek för andra språk, vilket gör att användarprogram kan använda vanliga funktioner (t.ex. `printf`,` malloc`, `fopen`).
* verktyg: Utveckla viktiga verktyg (t.ex. `ls`,` cp`, `mv`,` rm`) för att hantera filer och kataloger.
* kompilatorer och länkar: Port eller utveckla kompilatorer och länkar så att användare kan sammanställa och länka sina egna program.
9. Testning och felsökning:
* Enhetstester: Skriv enhetstester för enskilda kärnmoduler och enhetsdrivare.
* Integrationstester: Testa interaktionen mellan olika moduler.
* Systemtester: Testa hela operativsystemet under olika arbetsbelastningar.
* felsökningstekniker:
* Utskrifter: Använd `printk '(eller motsvarande) för att skriva ut felsökningsmeddelanden till konsolen.
* Kernel Debugger (GDB): Använd en kärnfelsökare för att gå igenom koden, undersöka variabler och ställa in brytpunkter.
* loggning: Implementera ett loggningssystem för att spela in händelser och fel.
* Minnesläckedetektering: Använd verktyg för att upptäcka och fixa minnesläckor.
* bugspårningssystem: Använd ett buggspårningssystem för att hantera och spåra identifierade buggar.
10. Dokumentation:
* Koddokumentation: Dokumentera koden med kommentarer för att förklara syftet med funktioner, datastrukturer och algoritmer.
* Användardokumentation: Ge användardokumentation om hur du använder operativsystemet, inklusive systemsamtal, verktyg och konfigurationsalternativ.
* Utvecklingsdokumentation: Ge dokumentation för utvecklare som vill skriva enhetsdrivrutiner eller bidra till kärnan.
Viktiga överväganden:
* Inkrementell utveckling: Börja med en minimal kärna och lägg gradvis till funktioner. Försök inte bygga allt på en gång.
* Modularitet: Designa operativsystemet på ett modulärt sätt, så att olika komponenter kan utvecklas och testas oberoende.
* Säkerhet: Var uppmärksam på säkerhetsöverväganden från början. Förhindra buffertflöden, privilegiupptrappning och andra säkerhetssårbarheter.
* Standards överensstämmelse: Överväg att följa standarder (t.ex. POSIX) för att säkerställa kompatibilitet med befintlig programvara.
* Versionskontroll: Använd ett versionskontrollsystem (GIT) för att spåra förändringar och samarbeta med andra utvecklare.
* Gemenskapens engagemang: Överväg att öppna ditt projekt för att få feedback och bidrag från samhället.
Att skriva ett operativsystem är ett enormt företag som kan ta månader eller till och med år. Det kräver en djup förståelse för datorarkitektur, principer för operativsystem och programmeringstekniker på låg nivå. Var beredd på en utmanande men givande upplevelse! Lycka till!
