从0手写x86 Linux操作系统

李述铜

3561字约12分钟

2024-08-07

如果你对计算机底层技术感兴趣，或者想要挑战自己，深入学习操作系统的开发；那么这门《从0手写x86操作系统》课程绝对值得你关注。下面，我将详细介绍这门课程的内容、特色和学习收益，希望能够帮助你全面了解并做出选择。

课程简介

让我用一个视频来介绍这门课程。

同时，本课程所写的操作系统也支持从0手写TCP/IP协议栈网络协议栈上，以下是移植效果演示。

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课程背景

大概在十多前，还在读大三的时候，虽然当时读和的是非计算机专业，但是对计算机也产生了浓厚的兴趣。于是，经常跑去图书馆看各方面的书籍。

在这个过程中，偶然在图书馆书架的高层，发现了一本《Linux 0.11源码分析的书籍》，然后借来翻看。不过由于当时技术水平不够，很多东西不懂，编程水平也比较差劲；所以，看了久也没有看明白。加之也没有好的调试手段，只看了其中一小部分。当时也在想能不能写一个，但最终不了了之。

毕业多年后，由于从事的是嵌入式相关的开发，接触了很多芯片，也写了不少汇编代码/C代码。这样下来，对于计算机硬件底层相关知识的掌握变得更多。于是，必要的基础知识储备已经够了。

近几年有了空闲时间，又开始折腾这个事情。发现实现起来并不难，主要的问题反而在于要配置出一套合适的开发环境。前期使用过Eclipse+GCC等工具折腾过，发现不太理想。经过反复折腾，才找到了一种比较简单的方法。然后，不断地调整优化代码，最终有了这门课程。

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设计目标

这个课程是要设计成一个类似Linux 0.11的操作系统，并非完全复刻，但会涵盖其主要功能。具体功能如下图所示：

alt 主要功能

课程并不特别强调系统的功能复杂度。我相信，对于你而言，主要问题不在于实现功能很强大的系统，而是能否实现一个可以跑起来的系统。

所以，本课程果断抛弃了复杂的特性，例如，不涉及以下几方面的内容：

多核支持：对于绝大多数同学来说，设计一个单核的操作系统已经够复杂了，再上多核会人更加的晕
64位支持：使用64位的硬件平台，意味着更多的内核寄存器/更多汇编代码，更复杂的硬件特性。更加简单的32位已经跑以让操作系统跑起来，没有必要额外浪费时间在64位平台上。并且，64位和32位在硬件细节上相差并不是很大
复杂算法：在进程调度、内存管理等实现上，采用简单的实现算法，从而方便学习

有些同学没有搞清楚自己的学习目标，单纯地拿这个操作系统的功能和别的系统功能进行对比，认为这个太简单了。这种比较是不恰当的。因为，你需要的是一门教你学写操作系统的课程，而不是直接拿到一个功能复杂的系统。如果是后者是，直接用微软的Windows不是更好？

我认为学习这类课程的同学中，99%以上面临的问题是在于学习一个操作系统是如何实现的，而不是如何将操作系统的功能设计得更为强大。也就是，它能否帮你做什么，而不是最终做成什么样。

同时，由于操作系统开发的特殊性，代码编写不是问题，反而如何调试操作系统代码是更为关键性的问题。

因此，这个课程的主要目标是实现一个简单易于理解的系统，并且提供一套简单好用的开发环境。

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课程内容

内容安排

为了便于学习者学习，在设计这门课程时，我按照学习者的角度仔细安排了各章节内容。

这些内容之间前后连续，循序渐进，不断迭代。从一个最小的代码开始，通过逐步增加功能，最终完成整个系统的设计。

alt 课程安排

具体来说，它主要分为以下几个模块：

设计引导程序
在这部分中，介绍了x86架构的基础知识，实现实模式到保护模式的切换。先后设计了两级引导程序：boot和loader，实现二级加载，最终将ELF格式的操作系统加载到内核中运行。
多进程管理
在多任务操作系统中，进程管理是一个复杂但非常重要的部分。课程将深入解析进程调度、进程控制块（PCB）的设计与实现，帮助学员理解如何在操作系统中管理多个进程的执行。
在这个过程中，还会涉及到中断的管理。通过配置定时器中断，使得内核能够支持进程之间通过时间片调度运行。
同时，为了解决进程同步与访问资源的互斥功能，增加了信号量与互斥锁的实现。
内存管理是操作系统的核心功能之一。课程详细讲解了如何管理内存、实现分页机制等重要概念。通过实际的代码示例，学员将能够在实践中掌握内存分配和管理的原理。
虚拟内存管理
虚拟内在管理是操作系统的另一个项重要功能。这一部分详细介绍了利用位图管理算法，实现对物理页的管理。
除此之外，还介绍CPU的分页机制支持，通过代码为进程创建页表，从而让每个进程拥有自己的地址空间，互不影响。进程与进程之间相互隔离，进程只能访问操作系统的。
tty与文件系统
文件系统是操作系统与用户交互的重要接口。这一部分介绍了编写键盘和显示器的驱动程序，从而实现读取键盘输入并在屏幕上显示输出。
为了方便管理这些设备，引入了文件系统模块，从而使得进程能够直接调用操作系统的系统调用接口，如read(), write()等来实现文件输出。最终使用进程能够实现printf()来打印输出字符串。
Shell的开发与用户交互
最后，开发一个简单的Shell，为操作系统添加基本的用户交互功能。该shell可以接受用户输入的命令执行，同时也能够执行硬盘上的硬件程序。
在这部分中，将涉及到硬盘驱动程序的编写，文件系统的识别/文件读写/目录遍历等多种功能的实现。最重要的是，实现了fork()/exec()等系统调用。

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课程特色

这门课程有几个显著的优势，使它在众多同类课程中脱颖而出：

代码全程手写，非简单分析
操作系统内部实现的相关代码，每一行边讲解边手写，而不是简单地拿一大段代码进行简单的分析。内容循环渐进，不断深入，例如：
极少量的汇编语言，不到300行
从我接触的同学来，很多同学会卡在汇编语言上。所以，在设计这门课程时，我会尽可能减少了汇编语句的数量，能用C就用C，不得已才用汇编。最终，使得汇编语句砍得了不到300行（去掉注释），极大降低学习者成本。
即便是必须要使用汇编代码的场合，也尽可能使用简单的语句，不用复杂的逻辑。
支持MAC/Linux/Windows平台
不限制你具体所用的平台类型，无论用的是苹果（包含ARM版本）/Linux（Ubuntu）还是Windows，都可以学习该课程。
快速启动调试，且每一行代码均可调试
在编译完成后，能非常快地启动整个调试过程，无需进行复杂的操作。可以直接在VSCode中进行编译与调试，非常方便。
所有代码均可调试，无论是汇编语句，还是C语句。无论是操作系统内核，还是应用程序；所有在课程中编写的代码均可以进行源码级调试，极大方便学习者。
高性价比与持续支持
相较于市场上动辄上千元的高价课程，这门课程定价合理，性价比极高。更重要的是，学员购买课程后可以通过微信直接与作者沟通，获得一对一的答疑支持。这种直接且有效的支持对于学习效果的保障非常重要。
丰富的学习资源与精心制作的课程内容
不仅提供了高质量的视频教程，还有详尽的文档和代码示例。视频和文档结合的方式，使得学员可以在学习中随时查阅所需资料，既有助于理解，又方便复习。
精心制作的课程
详尽的文档