Низкоуровневый АД: пишем свою ОС — Часть 1. Загрузчик и стартовое ядро

Всем здрасте, и сегодня мы начнем наше прохождение через низкоуровневый кодинг - написание ОС. Сегодня мы напишем загрузчик (точнее конфиг к GRUB) и простенькое ядро, которое будет выводить "Hello OSDev!"

Что нам понадобится:

Linux (у меня Kali Linux 2025.1a)
i686-elf-gcc и i686-elf-ld (тык)
qemu-system-i386
nasm
grub-mkrescue

Создадим несколько папок:

mkdir boot #тут будет лежать скрипт для линковки mkdir bin #тут - готовые бинарники mkdir kernel #само ядро mkdir iso #здесь будем собирать ISO mkdir iso/boot #файл ядра mkdir iso/boot/grub #тут конфиги GRUB

Тут все просто - мы будем использовать GRUB. Но нам будет нужно написать к нему конфиг, чтобы он смог загружать именно наш загрузчик. Он будет лежать в iso/boot/grub .Конфиг простой:

set timeout=0 set default=0 menuentry "Habr OS" { multiboot /boot/kernel.bin }

В 4 строчке "Habr OS" - название нашей ОС, которая будет отображаться в меню выбора GRUB. Можете выбрать его сами (Но берите ТОЛЬКО английские буквы)

А теперь и сам наш загрузчик:

; boot/loader.s [org 0x7C00] [bits 16] KERNEL_OFFSET equ 0x1000 ; Адрес ядра в памяти (4 КБ после загрузчика) start: cli mov ax, 0 mov ds, ax mov es, ax mov ss, ax mov sp, 0x7C00 sti call load_kernel call enable_pm jmp 0x08:KERNEL_OFFSET ; 0x08 = селектор кода из GDT ; Загружаем ядро с диска (секторы 2-16) load_kernel: mov bx, KERNEL_OFFSET mov ah, 0x02 ; BIOS: read sectors mov al, 15 ; Читаем 15 секторов (7.5 КБ) mov ch, 0 ; Cylinder 0 mov cl, 2 ; Sector 2 (после загрузчика) mov dh, 0 ; Head 0 int 0x13 jc .error ret .error: jmp $ ; Переход в защищённый режим enable_pm: lgdt [gdt_descriptor] mov eax, cr0 or eax, 1 mov cr0, eax ret ; GDT (минимальная, без ошибок) gdt: dq 0x0 ; Null descriptor code_segment: dw 0xFFFF ; Limit (low 16 bits) dw 0x0000 ; Base (low 16 bits) db 0x00 ; Base (middle 8 bits) db 10011010b ; Flags: code, 32-bit db 11001111b ; Flags: limit (high 4 bits), granularity db 0x00 ; Base (high 8 bits) data_segment: dw 0xFFFF dw 0x0000 db 0x00 db 10010010b ; Flags: data db 11001111b db 0x00 gdt_descriptor: dw gdt_descriptor - gdt - 1 ; Size of GDT dd gdt ; Address of GDT times 510 - ($ - $) db 0 dw 0xAA55

В нем мы в основном указываем GDT

Мы подошли к самому интересному - ядру. Создадим в папке kernel файл kernel.c. И тут мы столкнемся с тем, что использовать stdlib... нельзя! Потому что мы используем кросс-компилятор и библиотек он таких не знает. И тем более для каждой ОС она своя.

Давайте опишем сначала все для Multiboot (то есть для GRUB)

#define MULTIBOOT_MAGIC 0x1BADB002 #define MULTIBOOT_FLAGS 0 typedef unsigned int u32 typedef struct { u32 magic; u32 flags; u32 checksum; } __attribute__((packed)) multiboot_header_t; multiboot_header_t multiboot_header = { MULTIBOOT_MAGIC, MULTIBOOT_FLAGS, -(MULTIBOOT_MAGIC + MULTIBOOT_FLAGS) };

Для GRUB - макросы с флагами и адресом загрузки после GRUB и структура с этими данными

Дальше - стек

unsigned char stack[4096] __attribute__((aligned(16))); unsigned char* stack_top = stack + sizeof(stack);

Тут мы описываем массив символов, который является стеком, и указатель на символ, идущий после стека

Далее у нас идет основная функция ядра - _start()

void _start() { __asm__ volatile ("mov %0, %%esp" : : "r" (stack_top)); char* video_memory = (char*)0xB8000; const char* message = "Hello OSDev! And hello Habr.ru!"; for (int i = 0; message[i] != '\0'; i++) { video_memory[i * 2] = message[i]; video_memory[i * 2 + 1] = 0x07; } while(1); }

Мы пишем через ассемблеровую вставку, что куча свободной памяти начинается с того места, где закончился стек. Далее - создаем переменную с адресом VGA-видеопамяти, создаем переменную с сообщением... Стоп. Зачем так много пробелов?? Это для переноса строки, ведь \n, \t и \v и т. п. НЕ работают в консоли (пока что). В цикле for мы выводим символ, причем всегда четный элемент видеопамяти (вкл. 0) - сам символ, а нечетным - его цвет (0x07 - светло-серый на черном). А цикл while позволяет не уйти процессору в дали дальние и выйти из памяти ядра.

Ах да, мы забыли про linker.ld и сборочный скрипт! Вот linker.ld (он в boot лежит):

ENTRY(_start) OUTPUT_FORMAT(elf32-i386) OUTPUT_ARCH(i386) SECTIONS { . = 0x1000; .text : { *(.text._start) *(.text*) } .rodata : { *(.rodata*) } .data : { *(.data) } .bss : { *(COMMON) *(.bss) } }

Тут отмечается точка старта программы.

Ну а теперь сборка! Для этого я использую спец. скрипт build.sh. Вот его внутренности:

nasm -f bin boot/loader.s -o bin/loader.bin && i686-elf-gcc -c kernel/kernel.c -o bin/kernel.o -ffreestanding -m32 && i686-elf-ld -T boot/linker.ld -o bin/kernel.bin bin/kernel.o && cat bin/loader.bin bin/kernel.bin > bin/os.bin && cp bin/kernel.bin iso/boot/kernel.bin && grub-mkrescue -o bin/os.iso iso && echo "build succsess"

Первым делом мы собираем наш пользовательский загрузчик. Далее мы собираем ядро для bare metal и без подключения sdtlib. Дальше линкуем пользовательский загрузчик с ядром, копируем в папку где генрируется ISO и генерируем сам ISO. Дальше можно уже засунуть его в QEMU (команда qemu-system-i386 -cdrom bin/os.iso -machine pc -d int -D qemu.log) и посмотреть на те самые строчки, которые мы ждали...

Ну а далее на нашу ОС есть планы:

1. Реализуем ввод

2. Сделаем простые команды (типа shutdown, echo)

Спасибо что прочитали статью! Буду писать продолжение

(примечание: это копия пока что неопубликованной моей статьи на хабре)

Низкоуровневый АД: пишем свою ОС — Часть 1. Загрузчик и стартовое ядро

Шаг 1. Структура папок

Шаг 2. Загрузчик

Шаг 3. Ядро

Шаг 4. Сборка, запуск