李术铜-从0手写自己的Linux X86操作系统｜完结无密
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从0开始：手写自己的Linux X86操作系统
在计算机科学的世界中，操作系统的地位就如同皇冠上的宝石，它管理着硬件资源，提供用户接口，是软件与硬件之间的桥梁。对于许多开发者来说，编写一个操作系统是一个充满挑战和成就感的任务。本文将引导你从零开始，手写一个基于Linux X86架构的操作系统。
一、准备工作
手写自己的 Linux x86 操作系统是一个非常具有挑战性和复杂性的任务，需要深入了解计算机体系结构、操作系统原理和汇编语言编程。以下是准备工作的一些步骤：
学习计算机体系结构和操作系统原理：
了解计算机体系结构的基本原理，包括处理器、内存、输入输出等组件的功能和相互之间的交互。
学习操作系统的基本原理，包括进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动程序等概念。
掌握汇编语言编程：
了解x86架构的汇编语言编程，掌握汇编语言的基本语法和指令集。
熟悉汇编语言与硬件之间的交互，包括访问内存、控制处理器寄存器等操作。
准备开发环境：
安装一个适合的汇编语言开发环境，例如GNU汇编语言编译器（gas）或NASM（Netwide Assembler）。
配置一个能够在虚拟机或实体机上运行的x86架构的模拟器或调试器，例如QEMU、Bochs等。
熟悉操作系统开发工具和文档：
学习使用操作系统开发工具和框架，例如GNU工具链、Bochs调试器等。
查阅相关的操作系统开发文档和教程，了解操作系统的设计和实现方法。
理解Linux操作系统的基本原理：
了解Linux操作系统的内核架构和关键组件，如进程调度、内存管理、文件系统等。
学习Linux内核的源代码，尝试理解其中的设计和实现细节。
参考现有的教程和资源：
寻找和阅读现有的操作系统开发教程和指南，例如《操作系统真象还原》、《30天自制操作系统》等。
参考开源的操作系统项目，了解其设计和实现方法，例如Linux内核、Minix等。
实践和调试：
开始编写简单的汇编语言程序，了解其与硬件之间的交互。
逐步实现操作系统的各个模块，包括引导程序、内核、设备驱动程序、文件系统等。
使用模拟器或调试器进行调试和测试，发现和修复问题。
二、启动过程
BIOS引导：操作系统的启动过程从BIOS开始。BIOS是一段固化在计算机硬件中的程序，它的作用是在计算机启动时检测硬件并加载引导扇区。你的操作系统的引导代码需要放在一个特定的扇区中，这个扇区会被BIOS读取并执行。
初始化CPU和内存：在引导代码中，你需要初始化CPU的寄存器，设置好内存的布局，以便后续的操作能够顺利进行。
三、内核实现
中断和异常处理：操作系统需要能够响应和处理各种中断和异常，如键盘中断、定时器中断等。你需要编写相应的中断和异常处理程序。
进程管理：进程是操作系统管理程序执行和资源分配的基本单位。你需要实现进程调度、上下文切换等功能。
内存管理：内存管理是操作系统的核心功能之一。你需要实现内存的分配和回收，以及地址转换等功能。
文件系统：文件系统用于存储和管理文件。你可以选择实现一种简单的文件系统，如FAT文件系统，或者更复杂的如ext4文件系统。
用户接口：为了方便用户与操作系统交互，你需要实现命令行界面或图形用户界面。
四、调试与测试
从零开始手写自己的 Linux x86 操作系统涉及到复杂的编程和系统设计。在这个过程中，调试和测试是不可或缺的环节，以确保系统的可靠性和稳定性。下面是一些基本的调试与测试策略：
- 使用虚拟机进行模拟
使用QEMU或Bochs等虚拟机：这些工具可以模拟x86硬件环境，让你在不影响主机操作系统的情况下加载和运行你的操作系统。它们提供了调试功能，比如断点、单步执行等。
虚拟机的快照功能：利用虚拟机的快照功能可以快速恢复到特定状态，这对于测试不同的代码修改非常有用。
- 使用调试器
GDB：GNU Debugger (GDB) 是一个强大的调试工具，可以用来调试汇编语言和C语言编写的程序。通过使用GDB的远程调试功能，你可以在虚拟机内运行的操作系统上设置断点、执行单步调试、检查寄存器和内存状态等。
内核调试：对于内核级别的调试，可以考虑使用KGDB或其他内核调试工具，这些工具可以让你在操作系统内核运行时进行调试。
- 日志和打印
串口输出：在早期阶段，你的操作系统可能还没有图形界面。使用串口（或虚拟机提供的等效功能）输出日志信息是一种简单有效的调试方法。
内核打印信息：在内核代码中合理地添加打印语句（例如，在Linux内核开发中使用的printk函数），可以帮助跟踪代码执行流程和状态。
- 单元测试
开发测试用例：对于操作系统的各个模块（如内存管理、文件系统等），编写单元测试来验证其功能的正确性。
自动化测试：建立自动化测试流程，每次修改代码后自动运行测试用例，帮助及时发现和修正错误。
- 持续集成
使用CI工具：集成持续集成（Continuous Integration, CI）工具，如Jenkins、Travis CI等，可以自动化编译和测试流程。每次代码提交后，CI工具自动编译操作系统并运行测试用例，确保修改没有引入新的错误。
- 性能测试和优化
性能分析：使用性能分析工具（如gprof、perf等）来识别操作系统中的性能瓶颈。
优化：根据性能测试的结果，对代码进行优化，提高系统的效率和响应速度。
- 社区反馈和协作
开源你的项目：考虑将你的操作系统项目开源，通过GitHub等平台分享。这样可以获得社区的反馈，甚至吸引其他开发者参与贡献。
五、优势以及适合人群
用途： 教学和学习：手写操作系统是理解计算机底层工作原理的最佳途径之一。通过亲自实践，你可以深入了解操作系统的各个组成部分，包括启动过程、内存管理、进程调度、文件系统等。
定制化需求：自己编写操作系统可以满足特定的定制化需求。例如，你可能需要一个精简的、专注于特定任务的操作系统，而不是现有的通用操作系统。
嵌入式系统：嵌入式系统通常需要精简、高效的操作系统。通过自己编写操作系统，你可以根据具体的嵌入式设备和应用场景进行定制，提高系统的性能和可靠性。
优势： 定制化程度高：自己编写操作系统可以根据需求定制各个组件，使得系统更加精简、高效，减少不必要的功能和开销。
理解底层原理：通过亲自实践，你可以更深入地理解计算机底层的工作原理，包括处理器架构、内存管理、设备驱动等，这对于系统编程和底层优化非常有帮助。
学习和成长：手写操作系统是一项非常具有挑战性的任务，通过不断学习和实践，你可以提高自己的编程能力和系统设计能力，成长为更优秀的软件工程师。
适合人群： 对计算机底层原理感兴趣的人：如果你对计算机底层的工作原理感兴趣，并且愿意花时间深入学习和实践，那么手写操作系统是一个很好的选择。
系统编程爱好者：如果你喜欢系统编程，并且希望深入了解操作系统的内部工作原理，那么手写操作系统可以帮助你实现这个目标。
希望定制化操作系统的人：如果你有特定的定制化需求，希望开发一个精简、高效的操作系统，那么手写操作系统是一个不错的选择。
五、持续改进
操作系统是一个不断发展和完善的系统，你需要根据用户的需求和使用反馈来不断优化和改进你的操作系统。你可以添加新的功能，提高性能，增强安全性等。
编写一个操作系统是一项艰巨的任务，但也是一个充满乐趣和成就感的过程。通过这个过程，你不仅能够深入理解计算机的运行原理和操作系统的设计思想，还能够锻炼你的编程能力和解决问题的能力。希望本文能够为你提供一个有价值的参考和指导，帮助你在编写操作系统的道路上走得更远。
