Vitajte na [www.pocitac.win] Pripojiť k domovskej stránke Obľúbené stránky
1. Plánovanie a dizajn:
* Definujte ciele a rozsah: Aký druh OS staviate? OS v reálnom čase, jednoduché jadro pre zabudované systémy, hobby OS pre učenie alebo niečo ambicióznejšie? Definovanie vašich cieľov bude formovať celý vývojový proces.
* Target Architecture: Na ktorú hardvérovú platformu sa zameriavate (x86, ARM, RISC-V atď.)? Táto voľba ovplyvňuje proces bootovania, správu pamäte a dostupné funkcie hardvéru.
* Funkcie a funkčnosť: Určite základné funkcie, ktoré chcete implementovať:
* Typ jadra: Monolitický, mikrokernel, hybrid? Toto rozhodnutie výrazne ovplyvňuje štruktúru OS a komunikačné mechanizmy.
* Správa procesov: Algoritmy plánovania, tvorba/ukončenie procesu, interprocess komunikácia (IPC).
* Správa pamäte: Virtuálna pamäť, stránkovanie, segmentácia, algoritmy prideľovania pamäte.
* Systém súborov: Podporované typy systémov súborov, štruktúra adresárov, operácie súborov (čítať, zápis atď.).
* Ovládače zariadení: Hardvérová vrstva abstrakcie, komunikácia s periférnymi zariadeniami (disky, sieťové karty atď.).
* Systémové volania: Rozhranie pre užívateľské aplikácie na prístup k službám jadra.
* Dizajn architektúry:
* Štruktúra jadra: Ako budú interagovať rôzne moduly? Ako sa bude organizovať pamäť?
* Dátové štruktúry: Definujte kľúčové dátové štruktúry na správu procesov, pamäte, súborov atď.
* Synchronizačné mechanizmy: Mutexes, semafory, spinlocks atď., Aby sa predišlo rasovým podmienkam a zabezpečilo integritu údajov v súbežných prostrediach.
* Vývojové prostredie: Vyberte svoje nástroje:
* Programovací jazyk: C a C ++ sú najbežnejšou voľbou, často v kombinácii s jazykom montáže pre úlohy nízkej úrovne. Hrdza získava trakciu kvôli jej bezpečnostným prvkom pamäte.
* kompilátor a zostavovateľ: GCC, Clang, NASM, atď.
* debugger: GDB sa široko používa.
* BUILD SYSTÉM: Make, Cmake atď.
* emulátor/virtuálny stroj: QEMU, VirtualBox, VMware atď. Na testovanie bez riskovania poškodenia hardvéru.
* operačný systém pre vývoj: Linux, MacOS alebo Windows môžu byť použité ako vývojové prostredie.
2. Zavádzanie a inicializácia jadra:
* bootloader: Napíšte bootloader (často v zostave) na načítanie jadra do pamäte. To zahŕňa:
* interakcia BIOS/UEFI: Komunikácia s firmvérom BIOS/UEFI na načítanie OS.
* Načítanie jadra: Čítanie obrázka jadra z disku do pamäte.
* prepínanie do chráneného režimu (x86): Povolenie chráneného režimu pre správu pamäte a prístup k viacerým systémovým zdrojom. Ostatné architektúry môžu mať rôzne inicializačné kroky.
* Nastavenie zásobníka: Inicializácia ukazovateľa zásobníka.
* skákanie do vstupného bodu jadra: Prenos kontroly do funkcie „hlavnej“ jadra (alebo ekvivalent).
* inicializácia jadra: Jadro preberá a vykonáva základné nastavenie:
* prerušenie manipulácie: Inicializujte tabuľku deskriptora prerušenia (IDT) a nastavte prerušenie obsluhy.
* Nastavenie správy pamäte: Inicializujte systém správy pamäte (stránkovanie atď.).
* Inicializácia zariadenia: Inicializujte základné zariadenia potrebné na prevádzku, ako napríklad konzola (pre výstup).
* Vytvorenie prvého procesu: Vytvorte počiatočný proces (často `init`) na spustenie prostredia na úrovni používateľa.
3. Správa pamäte:
* Správa fyzickej pamäte: Sledujte dostupnú fyzickú pamäť. Implementujte algoritmy na pridelenie a uvoľnenie stránok fyzickej pamäte.
* Správa virtuálnej pamäte: Implementujte podporu virtuálnej pamäte, ktorá umožňuje procesom prístup k väčšej pamäte, ako je fyzicky dostupné. To často zahŕňa:
* tabuľky strán: Dátové štruktúry, ktoré mapujú virtuálne adresy na fyzické adresy.
* algoritmy stránky: Algoritmy na správu položiek a porúch stránky stránok tabuľky (napr. Najmenej nedávno použité - LRU).
* Swapping: Presúvanie strán z pamäte RAM na disk na uvoľnenie pamäte.
* Pridelenie pamäte: Implementujte funkcie dynamickej alokácie pamäte (napr. „Malloc`,` Free`) pre procesy jadra a na úrovni používateľov.
4. Správa procesov:
* Vytváranie a ukončenie procesu: Implementujte systémové volania na vytvorenie (napr. „Fork`,` Exec`) a ukončite procesy (napr. `EXIT`).
* Plánovanie procesu: Vyberte si plánovací algoritmus (napr. Round Robin, prioritné, spravodlivé fronty), aby ste určili, ktorý proces beží ďalej.
* prepínanie kontextu: Pri prepínaní medzi procesmi implementujte kód na uloženie a obnovenie stavu procesu (registre, ukazovateľ zásobníka atď.).
* Interprocess Communication (IPC): Poskytnite mechanizmy pre procesy na vzájomnú komunikáciu, napríklad:
* potrubia: Jednoduché jednosmerné komunikačné kanály.
* fronty správy: Umožnite procesom odosielať a prijímať správy.
* Zdieľaná pamäť: Umožnite procesom zdieľať oblasť pamäte.
* signály: Mechanizmy na oznámenie procesov udalostí.
* Sockets: Pre sieťovú komunikáciu.
* vlákna: Podpora viacerých vlákien vykonávania v rámci jedného procesu.
5. Ovládače zariadení:
* Hardvérová abstrakčná vrstva (HAL): Vytvorte abstrakčnú vrstvu na izoláciu jadra od konkrétnych hardvérových detailov.
* Vývoj vodiča: Napíšte ovládače pre rôzne hardvérové zariadenia (radiče diskov, sieťové karty, grafické karty, vstupné zariadenia atď.). To zvyčajne zahŕňa:
* Pochopenie špecifikácií zariadenia: Čítanie dokumentácie zariadenia, aby ste pochopili, ako s ňou komunikovať.
* MAMPAPMAPMÁPNÁ I/O alebo Port I/O: Používanie týchto techník na odosielanie príkazov a prijímanie údajov zo zariadenia.
* prerušenie manipulácie: Manipulácia s prerušeniami generovanými zariadením.
* dma (priamy prístup k pamäti): Použitie DMA na prenos údajov priamo medzi zariadením a pamäťou bez zapojenia CPU.
6. Systém súborov:
* Dizajn systému súborov: Vyberte alebo navrhnúť systém súborov (napr. FAT32, EXT2, EXT3, EXT4, NTFS atď.).
* File Operations: Implementovať systémové výzvy na operácie súborov:
* Otvorené: Otvorte súbor.
* zatvoriť: Zatvorte súbor.
* čítaj: Prečítajte si údaje zo súboru.
* napíšte: Zapíšte údaje do súboru.
* hľadajte: Presuňte ukazovateľ súboru na konkrétne miesto.
* Vytvoriť: Vytvorte nový súbor.
* Odstrániť: Odstráňte súbor.
* Premenujte: Premenujte súbor.
* Správa adresárov: Implementovať systémové výzvy na operácie adresárov:
* Vytvoriť adresár: Vytvorte nový adresár.
* Odstrániť adresár: Odstráňte adresár.
* Obsah zoznamu zoznamu: Načítať zoznam súborov a podadresárov v adresári.
* metadáta súborov: Spravujte metadáta súborového systému (inódy, položky adresárov atď.) Na sledovanie atribútov a miest súborov.
7. Systémové hovory:
* Definujte rozhranie systémového hovoru: Definujte sadu systémových hovorov, ktoré môžu užívateľské aplikácie použiť na interakciu s jadrom.
* Implementujte obsluhy volania systému: Implementujte príslušné obsluhy do jadra na servis týchto systémových hovorov. To zvyčajne zahŕňa:
* Uloženie kontextu používateľa: Uloženie stavu procesu používateľa.
* Overenie argumentov: Kontrola platnosti argumentov odovzdaných procesom používateľa.
* Vykonanie požadovanej operácie: Vykonanie kódu jadra na vykonanie požadovanej operácie.
* Vracajúce sa výsledky: Vrátenie výsledkov operácie do procesu používateľa.
* Obnovenie kontextu používateľa: Obnovenie stavu procesu používateľa.
8. Prostredie na úrovni používateľa:
* shell (rozhranie príkazového riadku): Vytvorte program Shell, ktorý umožňuje používateľom interagovať s OS prostredníctvom príkazov.
* Štandardné knižnice: Poskytnite štandardné knižnice C (LIBC) alebo podobné knižnice pre iné jazyky, čo umožňuje užívateľským programom používať bežné funkcie (napr. „Printf`,` Malloc`, `fopen`).
* Utilities: Vypracujte Essential Utilities (napr. „LS`,` CP`, `MV`,` RM`) na správu súborov a adresárov.
* kompilátory a linkery: Port alebo vyvíjajte kompilátory a linkery, aby používateľom umožnili zostaviť a prepojiť svoje vlastné programy.
9. Testovanie a ladenie:
* jednotkové testy: Napíšte testy jednotiek pre jednotlivé moduly jadra a ovládače zariadení.
* Integračné testy: Otestujte interakciu medzi rôznymi modulmi.
* Systémové testy: Otestujte celý OS v rámci rôznych pracovných zaťažení.
* Debugging Techniques:
* Tlačové príkazy: Použite „printk` (alebo ekvivalent) na tlač ladiacich správ na konzolu.
* debugger jadra (gdb): Použite debugger jadra na prechádzanie kódu, preskúmanie premenných a nastavenie bodov prerušenia.
* Protokolovanie: Implementovať systém protokolovania na zaznamenávanie udalostí a chýb.
* Detekcia úniku pamäte: Použite nástroje na detekciu a opravu únikov pamäte.
* Systém sledovania chýb: Použite systém sledovania chýb na správu a sledovanie chýb identifikovaných.
10. Dokumentácia:
* Dokumentácia kódu: Zdokumentujte kód s komentármi, aby ste vysvetlili účel funkcií, dátových štruktúr a algoritmov.
* Užívateľská dokumentácia: Poskytnite používateľskú dokumentáciu o tom, ako používať OS, vrátane systémových hovorov, nástrojov a možností konfigurácie.
* Developer Dokumentácia: Poskytnite dokumentáciu pre vývojárov, ktorí chcú písať ovládače zariadení alebo prispievať do jadra.
Dôležité úvahy:
* Prírastkový vývoj: Začnite s minimálnym jadrom a postupne pridajte funkcie. Nesnažte sa stavať všetko naraz.
* modularita: Navrhnite OS modulárnym spôsobom, aby bolo možné vyvinúť a testovať rôzne komponenty nezávisle.
* Zabezpečenie: Venujte pozornosť bezpečnostným úvahami od začiatku. Zabráňte pretekám vyrovnávacej pamäte, eskalácii privilégií a iným zraniteľnostiam bezpečnosti.
* Dodržiavanie štandardov: Zvážte nasledujúce štandardy (napr. POSIX), aby ste zaistili kompatibilitu s existujúcim softvérom.
* Ovládanie verzií: Na sledovanie zmien a spoluprácu s ostatnými vývojármi použite riadiaci systém verzie (GIT).
* Zapojenie komunity: Zvážte otvorenie svojho projektu, aby ste získali spätnú väzbu a príspevky od komunity.
Písanie OS je obrovský podnik, ktorý môže trvať mesiace alebo dokonca roky. Vyžaduje si hlboké porozumenie počítačovej architektúry, princípov operačného systému a techník programovania na nízkej úrovni. Buďte pripravení na náročný, ale obohacujúci zážitok! Veľa šťastia!