Lekce 1 - Assembler - Tvorba operačního systému - Online kurz

Vítejte v kurzu tvorby operačního systému v Assembleru. V následujícím tutoriálu začneme pracovat na návrhu našeho vlastního jednoduchého OS. V průběhu kurzu se postupně naučíme vytvořit návrh systému - strukturu OS, práce s FS, pamětí, výběr médií a cílového CPU. Vytvoříme vlastní bootloader a nakonec i to hlavní - jádro systému, který pak bude schopen nabootovat a oživit počítač.

Požadavky pro úspěšné absolvování kurzu

Abychom kurzem úspěšně prošli, budeme potřebovat:

znalost Assembleru alespoň na úrovni Základy assembleru,
znalost hardware (paměť, souborový systém, periferie) alespoň na úrovni kurzu Stavíme si počítač.

Ještě před samotným návrhem se ale musíme podívat na to, jak vlastně procesor funguje od samotného stisknutí tlačítka na zapnutí počítače, až do doby, kdy na obrazovce vidíme přihlašovací dialog.

Bootování OS

Kvůli omezením Real Mode (mód práce procesoru, vychází z prapůvodní architektury x86, což je 16 bitové rozšíření mikroprocesoru 8086 od Intelu) se zavaděč systému rozděluje na aspoň dvě části. Tyto části označujeme stage - fáze). Zavaděč se totiž musel nacházet na prvním sektoru disku - o velikosti pouze 512 B.

První fáze (Stage 1) zavádění OS

První fáze zavádění, známá také jako "boot sector" nebo "MBR (Master Boot Record)", je klíčová pro inicializaci bootovacího procesu. Její hlavní úlohou je načíst a spustit druhou fázi zavádění. První fáze je často velmi jednoduchá kvůli omezení 512 bajtů, které má k dispozici.

Po zapnutí počítače provede firmware, jako je BIOS nebo UEFI, POST (Power-On Self Test) a poté hledá na disku bootovací sektor. Jakmile BIOS najde MBR (Master Boot Record), začne vykonávat instrukce v něm obsažené. V MBR je také často tabulka rozdělení disku, která ukazuje, jak je disk rozdělen na oddíly. Pokud máme více operačních systémů na jednom disku, první fáze může také obsahovat kód pro boot manager, který umožňuje uživatelům vybrat, který OS chtějí spustit. Po dokončení svých instrukcí první fáze vyhledá a načte do paměti druhou fázi zavádění, která poté převezme kontrolu nad zaváděním operačního systému.

Druhá fáze (Stage 2) zavádění OS

Druhá fáze zavádění OS zpravidla získá od BIOSu důležité informace o systému (mapa paměti, informace o procesoru atd.), a tyto informace si uloží pro následné předání kernelu (jádru celého systému). Dále druhá fáze připravuje procesor (a popř. i další zařízení) ke startu a správnému fungování.

Inicializace OS

Po tom, co zavaděč (bootloader) dokončí svou práci a odevzdá kontrolu nad počítačem kernelu, jsme pořád ještě docela daleko od přivítání obrazovkou vybízející nás k přihlášení.

Operační systém totiž ještě musí inicializovat mnoho různých zařízení, musí si zmapovat fyzickou paměť, najít další připojená zařízení a mnoho dalšího.

Nyní, když jsme si prošli postupem, jak se operační systém bootuje a inicializuje, je zřejmé, že jádro je klíčovou složkou celého systému. Inicializace OS připravuje počítač k oživení, ale jádro je tím, co skutečně řídí všechny funkce operačního systému.

Návrh jádra OS

Návrh OS záleží na rozhodnutí vývojáře. Některé návrhy jsou jednodušší k implementaci, některé jsou zase rychlejší a stabilnější, a některé zase pro specifické použití. Ta nejdůležitější část návrhu se týká rozhodnutí o typu kernelu - jádra systému.

Jádro systému spravuje dostupné prostředky (např. alokuje paměť RAM pro programy), komunikuje s hardwarem, nebo zajišťuje správné zabezpečení paměti programů. Podívejme se na různé návrhy jader OS, jejich výhody, nevýhody, a nakonec si i vybereme návrh našeho vlastního OS.

Monolithic Kernel (Monolitické Jádro)

Monolitické jádro obsahuje všechny své služby v "jednom balíčku", obvykle souboru. Všechny základní ovladače hardware jsou obsaženy přímo v samotném jádru, což značně zvyšuje rychlost OS a snižuje potřebu posílání zpráv mezi jednotlivými procesy.

Výhodou monolitického jádra je hlavně jeho rychlost. Naopak nevýhodné jsou jeho náchylnost ke zhroucení systému vlivem jediné chyby a nutnost povolit většímu objemu kódu běh s nejvyšší prioritou (oprávněním), což je potenciálně rizikové s ohledem na bezpečnostní díry.