1. diel - Assembler - Tvorba operačného systému - Online kurz

Ďalší

Vitajte v kurze tvorby operačného systému v Assembleri. V nasledujúcom tutoriále začneme pracovať na návrhu nášho vlastného jednoduchého OS. V priebehu kurzu sa postupne naučíme vytvoriť návrh systému – štruktúru OS, prácu s FS, pamäťou, výber médií a cieľového CPU. Vytvoríme vlastný bootloader a nakoniec aj to hlavné – jadro systému, ktorý potom bude schopný nabootovať a oživiť počítač.

Požiadavky pre úspešné absolvovanie kurzu

Aby sme kurzom úspešne prešli, budeme potrebovať:

znalosť Assemblera aspoň na úrovni Základy assemblera
znalosť hardvéru (pamäť, súborový systém, periférie) aspoň na úrovni kurzu Staviame si počítač

Ešte pred samotným návrhom sa ale musíme pozrieť na to, ako vlastne procesor funguje od samotného stlačenia tlačidla na zapnutie počítača, až do doby, keď na obrazovke vidíme prihlasovací dialóg.

Bootovanie OS

Kvôli obmedzeniam Real Mode (mód práce procesora, vychádza z prapôvodnej architektúry x86, čo je 16 bitové rozšírenie mikroprocesora 8086 od Intelu) sa zavádzač systému rozdeľuje na aspoň dve časti. Tieto časti označujeme stage - fáza). Zavádzač sa totiž musel nachádzať na prvom sektore disku - s veľkosťou iba 512 B.

Prvá fáza (Stage 1) zavádzanie OS

Prvá fáza zavádzania, známa aj ako "boot sector" alebo "MBR (Master Boot Record)", je kľúčová pre inicializáciu bootovacieho procesu. Jej hlavnou úlohou je načítať a spustiť druhú fázu zavádzania. Prvá fáza je často veľmi jednoduchá kvôli obmedzeniu 512 bajtov, ktoré má k dispozícii.

Po zapnutí počítača vykoná firmvér, ako je BIOS alebo UEFI, POST (Power-On Self Test) a potom hľadá na disku bootovací sektor. Akonáhle BIOS nájde MBR (Master Boot Record), začne vykonávať inštrukcie v ňom obsiahnuté. V MBR je tiež často tabuľka rozdelenia disku, ktorá ukazuje, ako je disk rozdelený na oddiely. Ak máme viac operačných systémov na jednom disku, prvá fáza môže tiež obsahovať kód pre boot manager, ktorý umožňuje používateľom vybrať, ktorý OS chcú spustiť. Po dokončení svojich inštrukcií prvá fáza vyhľadá a načíta do pamäte druhú fázu zavádzania, ktorá potom prevezme kontrolu nad zavádzaním operačného systému.

Druhá fáza (Stage 2) zavádzanie OS

Druhá fáza zavádzania OS spravidla získa od BIOSu dôležité informácie o systéme (mapa pamäte, informácie o procesore atď.), a tieto informácie si uloží pre následné odovzdanie kernela (jadra celého systému). Ďalej druhá fáza pripravuje procesor (a popr. aj ďalšie zariadenia) na štart a správne fungovanie.

Inicializácia OS

Po tom, čo zavádzač (bootloader) dokončí svoju prácu a odovzdá kontrolu nad počítačom kernela, sme stále ešte ďaleko od privítania obrazovkou nabádajúcou nás k prihláseniu.

Operačný systém totiž ešte musí inicializovať mnoho rôznych zariadení, musí si zmapovať fyzickú pamäť, nájsť ďalšie pripojené zariadenia a mnoho ďalšieho.

Teraz, keď sme si prešli postupom, ako sa operačný systém bootuje a inicializuje, je zrejmé, že jadro je kľúčovou zložkou celého systému. Inicializácia OS pripravuje počítač na oživenie, ale jadro je tým, čo skutočne riadi všetky funkcie operačného systému.

Návrh jadra OS

Návrh OS záleží na rozhodnutí vývojárov. Niektoré návrhy sú jednoduchšie na implementáciu, niektoré sú zase rýchlejšie a stabilnejšie, a niektoré zase pre špecifické použitie. Tá najdôležitejšia časť návrhu sa týka rozhodnutia o type kernelu - jadra systému.

Jadro systému spravuje dostupné prostriedky (napr. alokuje pamäť RAM pre programy), komunikuje s hardvérom, alebo zaisťuje správne zabezpečenie pamäte programov. Pozrime sa na rôzne návrhy jadier OS, ich výhody, nevýhody, a nakoniec si aj vyberieme návrh nášho vlastného OS.

Monolithic Kernel (Monolitické Jadro)

Monolitické jadro obsahuje všetky svoje služby v "jednom balíčku", obvykle súboru. Všetky základné ovládače hardvéru sú obsiahnuté priamo v samotnom jadre, čo značne zvyšuje rýchlosť OS a znižuje potrebu posielania správ medzi jednotlivými procesmi.

Výhodou monolitického jadra je hlavne jeho rýchlosť. Naopak nevýhodné sú jeho náchylnosť k zrúteniu systému vplyvom jedinej chyby a nutnosť povoliť väčšiemu objemu kódu beh s najvyššou prioritou (oprávnením), čo je potenciálne rizikové s ohľadom na bezpečnostné diery.