1. Planning en ontwerp:

* Definieer doelen en reikwijdte: Wat voor soort besturingssysteem ben je aan het bouwen? Een real-time besturingssysteem, een eenvoudige kernel voor embedded systemen, een hobby-besturingssysteem om te leren of iets ambitieuzers? Het definiëren van uw doelen zal het hele ontwikkelingsproces vormgeven.

* Doelarchitectuur: Op welk hardwareplatform richt u zich (x86, ARM, RISC-V, enz.)? Deze keuze heeft invloed op het opstartproces, het geheugenbeheer en de beschikbare hardwarefuncties.

* Eigenschappen en functionaliteit: Bepaal de kernfuncties die u wilt implementeren:

* Kerneltype: Monolithisch, microkernel, hybride? Deze beslissing heeft een grote invloed op de structuur van het besturingssysteem en de communicatiemechanismen.

* Procesbeheer: Planningsalgoritmen, procescreatie/beëindiging, communicatie tussen processen (IPC).

* Geheugenbeheer: Virtueel geheugen, paging, segmentatie, algoritmen voor geheugentoewijzing.

* Bestandssysteem: Ondersteunde bestandssysteemtypen, mapstructuur, bestandsbewerkingen (lezen, schrijven, enz.).

* Apparaatstuurprogramma's: Hardware-abstractielaag, communicatie met randapparatuur (schijven, netwerkkaarten, enz.).

* Systeemoproepen: Interface voor gebruikerstoepassingen voor toegang tot kernelservices.

* Architectuurontwerp:

* Kernelstructuur: Hoe zullen verschillende modules met elkaar samenwerken? Hoe zal het geheugen georganiseerd zijn?

* Gegevensstructuren: Definieer de belangrijkste datastructuren om processen, geheugen, bestanden, enz. te beheren.

* Synchronisatiemechanismen: Mutexes, semaforen, spinlocks, enz. om race-omstandigheden te voorkomen en de gegevensintegriteit in gelijktijdige omgevingen te garanderen.

* Ontwikkelomgeving: Kies uw gereedschap:

* Programmeertaal: C en C++ zijn de meest voorkomende keuzes, vaak gecombineerd met assembleertaal voor taken op laag niveau. Roest wint aan populariteit dankzij de geheugenveiligheidsfuncties.

* Compiler en Assembler: GCC, Clang, NASM, enz.

* Debugger: GDB wordt veel gebruikt.

* Systeem bouwen: Merk, CMake, enz.

* Emulator/virtuele machine: QEMU, VirtualBox, VMware, enz., voor testen zonder risico op hardwareschade.

* Besturingssysteem voor ontwikkeling: Linux, macOS of Windows kunnen als ontwikkelomgeving worden gebruikt.

2. Bootstrapping en kernel-initialisatie:

* Bootlader: Schrijf een bootloader (vaak in assembly) om de kernel in het geheugen te laden. Dit houdt in:

* BIOS/UEFI-interactie: Communiceren met de BIOS/UEFI-firmware om het besturingssysteem te laden.

* De kernel laden: Het kernelimage van schijf naar geheugen lezen.

* Overschakelen naar de beveiligde modus (x86): Beveiligde modus inschakelen voor geheugenbeheer en toegang tot meer systeembronnen. Andere architecturen kunnen verschillende initialisatiestappen hebben.

* Een stapel opzetten: Initialiseren van de stapelaanwijzer.

* Naar het kernel-ingangspunt springen: Controle overdragen aan de `hoofd`-functie van de kernel (of gelijkwaardig).

* Kernel-initialisatie: De kernel neemt het over en voert essentiële instellingen uit:

* Onderbrekingsafhandeling: Initialiseer de interruptdescriptortabel (IDT) en stel interrupthandlers in.

* Geheugenbeheer instellen: Initialiseer het geheugenbeheersysteem (paging, enz.).

* Apparaatinitialisatie: Initialiseer basisapparaten die nodig zijn voor de werking, zoals de console (voor uitvoer).

* Het eerste proces maken: Creëer een initieel proces (vaak `init`) om de omgeving op gebruikersniveau te starten.

3. Geheugenbeheer:

* Fysiek geheugenbeheer: Volg het beschikbare fysieke geheugen. Implementeer algoritmen voor het toewijzen en vrijmaken van fysieke geheugenpagina's.

* Virtueel geheugenbeheer: Implementeer ondersteuning voor virtueel geheugen, waardoor processen toegang krijgen tot meer geheugen dan fysiek beschikbaar is. Vaak gaat het om:

* Paginatabellen: Datastructuren die virtuele adressen toewijzen aan fysieke adressen.

* Pagina-algoritmen: Algoritmen voor het beheren van de paginatabelitems en het afhandelen van paginafouten (bijvoorbeeld Minst Recent Gebruikt - LRU).

* Ruilen: Pagina's van RAM naar schijf verplaatsen om geheugen vrij te maken.

* Geheugentoewijzing: Implementeer dynamische geheugentoewijzingsfuncties (bijvoorbeeld 'malloc', 'gratis') voor processen op kernel- en gebruikersniveau.

4. Procesbeheer:

* Proces aanmaken en beëindigen: Implementeer systeemaanroepen om processen te creëren (bijvoorbeeld `fork`, `exec`) en te beëindigen (bijvoorbeeld `exit`).

* Procesplanning: Kies een planningsalgoritme (bijvoorbeeld Round Robin, Priority-based, Fair Queueing) om te bepalen welk proces vervolgens wordt uitgevoerd.

* Contextwisseling: Implementeer de code om de status van een proces (registers, stackpointer, etc.) op te slaan en te herstellen bij het schakelen tussen processen.

* Communicatie tussen processen (IPC): Bied mechanismen aan waarmee processen met elkaar kunnen communiceren, zoals:

* Pijpen: Eenvoudige unidirectionele communicatiekanalen.

* Berichtenwachtrijen: Sta toe dat processen berichten verzenden en ontvangen.

* Gedeeld geheugen: Sta processen toe een geheugengebied te delen.

* Signalen: Mechanismen voor het melden van processen van gebeurtenissen.

* Sockets: Voor netwerkcommunicatie.

* Threads: Ondersteuning voor meerdere uitvoeringsthreads binnen één proces.

5. Apparaatstuurprogramma's:

* Hardware Abstractielaag (HAL): Creëer een abstractielaag om de kernel te isoleren van specifieke hardwaredetails.

* Driverontwikkeling: Schrijf stuurprogramma's voor verschillende hardwareapparaten (schijfcontrollers, netwerkkaarten, grafische kaarten, invoerapparaten, enz.). Dit houdt doorgaans het volgende in:

* Inzicht in de apparaatspecificaties: Lees de documentatie van het apparaat om te begrijpen hoe u ermee kunt communiceren.

* Geheugentoegewezen I/O of poort I/O: Gebruik deze technieken om opdrachten te verzenden en gegevens van het apparaat te ontvangen.

* Onderbrekingsafhandeling: Omgaan met interrupts die door het apparaat worden gegenereerd.

* DMA (directe geheugentoegang): DMA gebruiken om gegevens rechtstreeks tussen het apparaat en het geheugen over te dragen, zonder tussenkomst van de CPU.

6. Bestandssysteem:

* Bestandssysteemontwerp: Kies of ontwerp een bestandssysteem (bijvoorbeeld FAT32, ext2, ext3, ext4, NTFS, enz.).

* Bestandsbewerkingen: Implementeer systeemoproepen voor bestandsbewerkingen:

* Geopend: Open een bestand.

* Sluiten: Sluit een bestand.

* Lees: Gegevens uit een bestand lezen.

* Schrijf: Gegevens naar een bestand schrijven.

* Zoeken: Verplaats de bestandsaanwijzer naar een specifieke locatie.

* Maak: Maak een nieuw bestand.

* Verwijderen: Verwijder een bestand.

* Hernoemen: Hernoem een ​​bestand.

* Directorybeheer: Systeemaanroepen voor directorybewerkingen implementeren:

* Maak map aan: Maak een nieuwe map.

* Map verwijderen: Verwijder een map.

* Lijst mapinhoud: Haal een lijst met bestanden en submappen binnen een map op.

* Metagegevens van bestandssysteem: Beheer metagegevens van het bestandssysteem (inodes, directory-items, enz.) om bestandskenmerken en locaties bij te houden.

7. Systeemoproepen:

* Systeemoproepinterface definiëren: Definieer de set systeemaanroepen die gebruikerstoepassingen kunnen gebruiken om met de kernel te communiceren.

* Systeemoproephandlers implementeren: Implementeer de corresponderende handlers in de kernel om deze systeemaanroepen te bedienen. Dit houdt doorgaans het volgende in:

* Gebruikerscontext opslaan: De status van het gebruikersproces opslaan.

* Argumenten valideren: Het controleren van de geldigheid van de argumenten die door het gebruikersproces worden doorgegeven.

* De gevraagde bewerking uitvoeren: Het uitvoeren van de kernelcode om de gevraagde bewerking uit te voeren.

* Terugkerende resultaten: Het retourneren van de resultaten van de bewerking naar het gebruikersproces.

* Gebruikerscontext herstellen: De status van het gebruikersproces herstellen.

8. Omgeving op gebruikersniveau:

* Shell (opdrachtregelinterface): Maak een shell-programma waarmee gebruikers via opdrachten met het besturingssysteem kunnen communiceren.

* Standaardbibliotheken: Zorg voor standaard C-bibliotheken (libc) of soortgelijke bibliotheken voor andere talen, waardoor gebruikersprogramma's algemene functies kunnen gebruiken (bijvoorbeeld `printf`, `malloc`, `fopen`).

* Hulpprogramma's: Ontwikkel essentiële hulpprogramma's (bijvoorbeeld `ls`, `cp`, `mv`, `rm`) om bestanden en mappen te beheren.

* Compilers en linkers: Porteer of ontwikkel compilers en linkers zodat gebruikers hun eigen programma's kunnen compileren en koppelen.

9. Testen en foutopsporing:

* Eenheidstests: Schrijf unit-tests voor individuele kernelmodules en apparaatstuurprogramma's.

* Integratietests: Test de interactie tussen verschillende modules.

* Systeemtests: Test het volledige besturingssysteem onder verschillende werkbelastingen.

* Foutopsporingstechnieken:

* Afschriften afdrukken: Gebruik `printk` (of gelijkwaardig) om foutopsporingsberichten naar de console af te drukken.

* Kernel-debugger (GDB): Gebruik een kernel-debugger om door de code te lopen, variabelen te onderzoeken en breekpunten in te stellen.

* Loggen: Implementeer een logsysteem om gebeurtenissen en fouten vast te leggen.

* Detectie van geheugenlekken: Gebruik tools om geheugenlekken te detecteren en op te lossen.

* Bugvolgsysteem: Gebruik een bugvolgsysteem om geïdentificeerde bugs te beheren en te volgen.

10. Documentatie:

* Codedocumentatie: Documenteer de code met commentaar om het doel van functies, datastructuren en algoritmen uit te leggen.

* Gebruikersdocumentatie: Geef gebruikersdocumentatie over het gebruik van het besturingssysteem, inclusief systeemaanroepen, hulpprogramma's en configuratieopties.

* Ontwikkelaarsdocumentatie: Zorg voor documentatie voor ontwikkelaars die apparaatstuurprogramma's willen schrijven of willen bijdragen aan de kernel.

Belangrijke overwegingen:

* Incrementele ontwikkeling: Begin met een minimale kernel en voeg geleidelijk functies toe. Probeer niet alles in één keer te bouwen.

* Modulariteit: Ontwerp het besturingssysteem modulair, zodat verschillende componenten onafhankelijk van elkaar kunnen worden ontwikkeld en getest.

* Beveiliging: Besteed vanaf het begin aandacht aan veiligheidsoverwegingen. Voorkom bufferoverlopen, escalatie van bevoegdheden en andere beveiligingsproblemen.

* Naleving van normen: Overweeg het volgen van standaarden (bijvoorbeeld POSIX) om compatibiliteit met bestaande software te garanderen.

* Versiebeheer: Gebruik een versiebeheersysteem (Git) om wijzigingen bij te houden en samen te werken met andere ontwikkelaars.

* Betrokkenheid van de gemeenschap: Overweeg om uw project open te sourcen om feedback en bijdragen van de gemeenschap te krijgen.

Het schrijven van een besturingssysteem is een enorme onderneming die maanden of zelfs jaren kan duren. Het vereist een diepgaand begrip van computerarchitectuur, besturingssysteemprincipes en programmeertechnieken op laag niveau. Wees voorbereid op een uitdagende maar lonende ervaring! Succes!