从1开始写操作系统

介绍

一个简单的类unix内核，目前准备支持x86和arm架构，其中arm目标支持平台是raspi2b。在本系列文章中主要用arm的代码作为例子，原因是x86架构有较重的历史负担导致编码异常困难，但是x86部分我也差不多写了个大概，两者代码会考虑的。主要参考已有的类unix内核，xv6/FreeNOS/linux，重写一个通用的类unix的内核，并且提供一个最小根目录文件系统，验证可行性。

选择x86和raspi2b的另一个重要原因是qemu支持模拟这两种硬件型号，降低对实际物理硬件的依赖和调试难度。

开源代码地址

借用sqlite作者的话：

May you do good and not evil.
May you find forgiveness for yourself and forgive others.
May you share freely, never taking more than you give.

https://github.com/5dplay/tiny-kernel-v2.git

局限

• 目前仅在qemu上开发， 需要格外支持 才能在硬件机器上正常工作。
• 由于时间精力以及能力有限，目前的实现 仅支持32位，即使是arm也仅使用aarch32指令集。
• 仅支持单核，多核与单核相比多的是一系列并发处理上的问题，不影响整体框架。后续若是有精力再单独讨论smp相关的实现。
• 无论是内存管理还是其他的基本采用最简单的实现方式，但会提供接口以供他人编写出更酷的实现方式。
• BootLoader目前没有计划考虑支持。
• 驱动支持列表少。

路线图

• 0. 工具链 && 编译环境搭建
• 1. 启动
• 2. 内存管理
  • 1. 内存布局
  • 2. 虚拟地址映射
  • 3. 内存分配管理
    • 1.内核空间
    • 2.用户空间
• 3. 中断管理
  • 1. 中断服务例程
  • 2. 中断API
  • 3. 系统调用
• 4. 驱动
  • 1. 存储管理器 IDE(x86)/eMMC(raspi3b)
  • 2. 串口（x86可选，raspi2b必选）
  • 3. 键盘（x86可选）
• 5. 进程管理
  • 1. 第一个进程init
  • 2. 调度
• 6. 文件系统
  • 1.索引式文件系统（必选）
  • 2.FAT式文件系统（可选，并且支持力度不够，不必强行兼容）
• 7. 系统调用
  • 1. 文件系统相关
  • 2. 进程调度相关

整体架构

整体框架参考linux，分别为内存管理，文件系统，进程管理，中断，驱动。

代码目录

整体代码目录参考linux。

FAQ

为什么使用宏内核而不是微内核？

我个人开发上对宏内核更加熟悉，并且使用宏内核有助于理解linux的设计和实现。如果对微内核有兴趣不妨去看一下FreeNOS?

为什么使用C语言而不是别的更为高级语言（C++/Go/Rust）？

其他高级语言都极大程度屏蔽底层硬件的差异性，并且或多或少有运行时支持（在裸机上需要自己实现这些运行时支持的接口）。可以这么认为，在内核编程方面，其他高级语言除了语法糖好看一点之外，和C语言并没有更多可取之处，而后者对硬件的表达能力更强。作为一个玩具级别的内核，没必要折腾高级语言。

IDE？

看个人选择，我是在ubuntu20.04下做开发的，所以选择的是vim + coc + clangd-12。windows下选择也挺多的，此外轻量级一点的vscode也不错。