Data

Tools

Indexes

Applications

Experiments

Awesome

An open API service indexing awesome lists of open source software.

https://github.com/alexeev-prog/kintsugios

Minimalistic and rich x86_64 operation system in (F)ASM and C
https://github.com/alexeev-prog/kintsugios

asm c fasm i386 i386-elf-gcc operating-system os osdev x86 x86-assembly

Last synced: about 1 month ago
JSON representation

Minimalistic and rich x86_64 operation system in (F)ASM and C

Awesome Lists containing this project

README 

          
# KintsugiOS





  
Минималистичная операционная 32 разрядная система с монолитным ядром и собственным загрузчиком на (N)ASM и GCC 15


  



  

    docs

  

  Top Language

  Language Count

  License

  Issues

  

        Stars

  

  Last Commit

  Contributors






  




KintsugiOS — это минималистичная x86 операционная система, написанная на (N)ASM и C, созданная в образовательных целях для глубокого понимания принципов работы операционных систем. Название проекта отсылает к японскому искусству Kintsugi, где разбитая керамика восстанавливается золотым лаком, подчеркивая красоту несовершенства и непрерывного развития.



Текущая нестабильная версия: v0.2.0a

Последняя стабильная версия: [v0.1.1a](https://github.com/alexeev-prog/KintsugiOS/releases/tag/v0.1.1a)



> [!CAUTION]

> KintsugiOS еще в активной стадии разработки и многие решения не финальные или нестабильные.



 > Также я занимаюсь [переводом OSDEV-Notes](https://github.com/alexeev-prog/Osdev-Notes-RU)



![](https://raw.githubusercontent.com/alexeev-prog/KintsugiOS/refs/heads/main/gallery/image.png)



## Особенности



### Реализовано

- **Собственный загрузчик** с переходом из реального режима в защищённый

- **GDT (Глобальная таблица дескрипторов)** с полноценной сегментацией памяти

- **Продвинутое управление памятью** с двумя уровнями аллокации:

  - Аллокатор на основе связанных блоков памяти с разделением и слиянием

  - Страничная организация памяти (Paging) с интеграцией в аллокацию

- **Драйверы оборудования**:

  - VGA-экран с поддержкой цветного текста и прокрутки

  - Клавиатура (PS/2) с обработкой модификаторов (Shift, Ctrl, Alt, Caps Lock)

  - Таймер с программными прерываниями

  - ATA PIO с поддержкой LBA-адресации

- **Система прерываний** (IDT, ISR, IRQ) с кастомными обработчиками

- **Командная оболочка "Keramika Shell"** с поддержкой команд:

  - `help` — список команд

  - `clear` — очистка экрана

  - `end` — остановка CPU

  - `malloc` — выделение памяти

  - `free` — освобождение памяти

  - `info` — информация о системе

  - `memdump` — дамп памяти

  - И другие...

- **Библиотека KKLibC (Kintsugi Kernel LibC)** включая:

  - Работу со строками, генерация числа и прочие стандартные вещи (stdlib.h)

  - Форматированный вывод (stdio.h)

  - Функции памяти (mem.h)

  - Библиотека для математики (math.h)

  - Типы данных (ctypes.h)

  - Общий заголовочный файл kklibc.h

  - Страничная обработка памяти (paging.h)

  - Библиотека дополнительных типов данных (datatypes)

    - Вектора (vector.h)

  - Библиотека стандартных методов (stdlib.h)



### В разработке

 - [ ] Файловая система Fat12

 - [ ] Файловая система ext2

 - [ ] Планировщик задач

 - [ ] Пользовательское пространство

 - [ ] Inter-Process Communication

 - [ ] Загрузка ELF

 - [ ] Графический интерфейс

 - [ ] Многозадачность

 - [ ] Пользовательский режим

 - [ ] Сетевой стек

 - [ ] Псевдографический интерфейс

 - [ ] Полностью реализованный LibC



### Готово

 - [x] Виртуальная память (Paging)

 - [x] Динамические аллокаторы памяти

 - [x] Чувствительность к регистру

 - [x] Драйвер ATA PIO

 - [x] Система прерываний с обработкой исключений

 - [x] Полноценная shell-оболочка



## Требования



Для сборки и запуска KintsugiOS необходим следующий инструментарий:



 - [Кросс-компилятор i386 ELF GCC](http://newos.org/toolchains/i386-elf-15.1.0-Linux-x86_64.tar.xz)

 - FASM

 - NASM

 - GDB для отладки

 - MTools и Xorriso

 - QEMU или Bochs



Проверить готовность окружения можно скриптом:

```bash

./check-env.sh

```



## Сборка и запуск



### Базовая сборка

```bash

make

```



### Создание образа диска (hdd) и запуск в QEMU

```bash

make run

```



### Создание образа диска fda и запуск в QEMU

```bash

make run_fda

```



### Очистка проекта

```bash

make clean      # Удаление бинарных файлов

make clean_all  # Полная очистка

```



## Отладка



Для отладки KintsugiOS запустите систему в режиме отладки:



```bash

make debug        # образ диска hdd

make debug_fda    # образ диска fda

```



И подключитесь через ваш дебаггер (например gdb).



## Как работает загрузка



Загрузчик KintsugiOS — это критически важный компонент, написанный на ассемблере, который выполняет следующие задачи:



 + Инициализация и переход в защищенный режим: Загрузчик начинает работу в реальном режиме (16-бит), инициализирует стек, загружает GDT (Глобальную таблицу дескрипторов) и переключает процессор в 32-битный защищенный режим.

 + Загрузка ядра: С помощью функций BIOS загрузчик считывает ядро с диска в память по адресу 0x1000.

 + Подготовка к выполнению ядра: После перехода в защищенный режим управление передается ядру.



Компоненты загрузчика:



 + bootsector.asm — основной загрузочный сектор, который загружается BIOS по адресу 0x7c00. Устанавливает стек, загружает ядро и переключается в защищенный режим.

 + diskload.asm — содержит функцию disk_load для чтения секторов с диска с помощью прерываний BIOS.

 + gdt.asm — определяет GDT (Глобальную таблицу дескрипторов) для защищенного режима, включая дескрипторы для сегментов кода и данных.

 + switch_to32.asm — код переключения в защищенный режим, включая отключение прерываний, загрузку GDT и установку бита в регистре cr0.

 + puts_chars.asm и puts_chars32.asm — функции для вывода строк в реальном и защищенном режимах соответственно. В защищенном режиме вывод осуществляется напрямую в видеопамять VGA.

 + puts_hex.asm — функция для вывода чисел в шестнадцатеричном формате (используется для отладки).

 + kernel_entry.asm — точка входа для ядра, которая вызывает функцию kmain из ядра.



Процесс загрузки:



1. BIOS загружает первый сектор диска (512 байт) по адресу 0x7c00 и передает управление на его начало.

2. Загрузчик инициализирует стек и выводит сообщение о запуске в реальном режиме.

3. Загрузчик загружает ядро с диска в память по адресу 0x1000, используя функции BIOS.

4. Загрузчик загружает GDT и переключает процессор в защищенный режим.

5. В защищенном режиме загрузчик выводит сообщение об успешном переходе и передает управление ядру по адресу 0x1000.



## Команды оболочки



KintsugiOS включает оболочку "Keramika Shell" со следующими командами:



- `end` - остановка процессора

- `clear` - очистка экрана

- `malloc ` - выделение памяти (куча)

- `free 
` - освобождение памяти

- `info` - информация о системе

- `memdump` - дамп памяти

- `echp ` - вывод текста

- `help` - справка по командам

- `sleep ` - ожидать N секунд

- `reboot` - перезагрузка

- `rand ` - генерация случайного числа по алгоритму xorshift32

- `randrange   ` - генерация случайного числа в диапазоне при помощи xorshift32

- `binpow  ` - бинарное возведение в степень

- `fib ` - алгоритм фибоначчи



## Kintsugi Kernel LibC

KKLibc — это собственная реализация стандартной библиотеки языка C, разработанная специально для нужд ядра Kintsugi OS. В отличие от пользовательских libc (вроде glibc), она тесно интегрирована с архитектурой ядра, лишена избыточности и содержит только самые необходимые функции для работы в пространстве ядра.



**Структура и основные модули:**



Библиотека организована в набор модулей, каждый из которых отвечает за свою предметную область:



 + **`stdlib.h` / `stdlib.c`**: Ядро библиотеки. Содержит:

     + **Преобразования данных:** `itoa`, `utoa`, `atoi`, `hex_strtoint` для конвертации между числами и строками в различных системах счисления.

     + **Работа со строками:** Полный набор функций для манипуляций со строками: `strlen`, `strcpy`/`strncpy`, `strcmp`/`strncmp`, `strcat`/`strncat`, `strchr`, `strstr`, `strtok`, `strspn`, `strcspn`.

     + **Работа с памятью:** Аналоги стандартных `memcpy`, `memset`, `memmove`, `memcmp`, `memchr`, а также низкоуровневые `memory_set`, `u32memory_set`.

     + **Генерация псевдослучайных чисел:** Реализация на основе быстрого алгоритма `xorshift32` (`rand`) и функция для получения числа в диапазоне (`rand_range`).

     + **Управление системой:** Функции `reboot()` и `wait(int ms)` для взаимодействия с железом.

     + **Форматированный вывод в буфер:** Реализации `sprintf`, `snprintf` и `vsnprintf` для безопасного и небезопасного формирования строк.

     + *Утилиты:* Алгоритм нечеткого поиска `fuzzy_search` для будущего использования в интерфейсах.



 + **`stdio.h` / `stdio.c`**: Модуль форматированного вывода. Реализует функции `printf`, `printf_colored` и `printf_at`, которые напрямую взаимодействуют с драйвером экрана (`screen.h`), обеспечивая вывод текста в заданном месте и цвете.



 + **`mem.h` / `mem.c`**: **Менеджер памяти (кучи) ядра.** Реализует динамическое выделение памяти внутри ядра.

     + **Аллокатор:** Использует алгоритм с разделением и слиянием свободных блоков памяти для минимизации фрагментации.

     + **Интеграция с Paging:** Функция `expand_heap` динамически запрашивает новые физические страницы через менеджер виртуальной памяти (`paging.h`) при нехватке памяти в куче, что делает кучу по-настоящему расширяемой.

     + **API:** Предоставляет знакомые API: `kmalloc`, `kfree`, `krealloc`.

     + **Отладка:** Содержит функции для отладки и мониторинга состояния кучи: `kmemdump`, `get_meminfo`.



 + **`paging.h` / `paging.c`**: **Менеджер виртуальной памяти.** Один из самых низкоуровневых и критичных модулей.

     + Организует 4-гигабайтное виртуальное адресное пространство ядра.

     + Реализует механизм страничной адресации x86 с двумя уровнями таблиц (Page Directory и Page Table).

     + Предоставляет функции для выделения (`alloc_frame`) и освобождения (`free_frame`) физических кадров памяти.

     + Содержит обработчик исключения Page Fault.

     + Предоставляет интерфейс `pkmalloc` для выделения выровненных по странице блоков памяти с возможностью получения физического адреса, что необходимо для работы с DMA и другими hardware.



 + **`math.h` / `math.c`**: Набор математических функций и алгоритмов, включая вычисление чисел Фибоначчи, бинарное возведение в степень, факториал и дискриминант.



 + **`ctypes.h` / `ctypes.c`**: Полная реализация стандартных функций классификации и преобразования символов (`isalpha`, `isdigit`, `toupper`, etc.).



 + **`datatypes/vector.h` / `vector.c`**: Реализация динамического массива (вектора) — фундаментальной структуры данных, которая будет полезна для управления списками процессов, дескрипторов файлов и т.д.



 + **`kklibc.h`**: Главный заголовочный файл, который включает все модули библиотеки для удобства.



**Философия дизайна:**



 + **Префиксы `k` и `p`:** Префикс `k` (например, `kmalloc`) означает принадлежность к ядру (kernel) и его куче. Префикс `p` (например, `pkmalloc`) означает работу с низкоуровневой страничной памятью (paging).

 + **Самостоятельность:** Библиотека минимально зависима от внешнего кода, что является обязательным требованием для кода ядра.

 + **Производительность над избыточностью:** Функции реализованы с оглядкой на скорость и минимальный расход памяти, а не на абсолютную совместимость со стандартом.



KKLibc является живым, развивающимся проектом и продолжает обрастать новыми функциями и оптимизациями по мере развития самой Kintsugi OS. Развитие KKLibc напрямую связано с развитием Kintsugi OS. Каждый новый системный вызов, драйвер или компонент ядра будет опираться на ее надежное и эффективное API.



## Планы на будущее



### Для KKLibc

 + **Решение проблем с кучей:** Текущая архитектура с двумя аллокаторами (`kmalloc` и `pkmalloc`) мощная, но требует доработки для полной стабильности. Основная задача — **устранить все возможные scenarious повреждения кучи**, особенно в моменты, когда `kmalloc` вызывает `expand_heap`, который, в свою очередь, через `pkmalloc` и `alloc_frame` запрашивает новые физические страницы. Необходимо тщательно протестировать это взаимодействие на предмет race condition и корректности обновления внутренних структур данных аллокатора.

 + **Внедрение кананингов (Canaries):** Для отладки повреждения кучи планируется добавить механизм "канареек" — специальных значений, размещаемых вокруг выделенных блоков памяти. При освобождении памяти или в отладочной сборке будет проверяться целостность этих канареек, что позволит сразу обнаружить операции записи за пределами выделенного блока (buffer overflow).

 + **Отладочный аллокатор:** Реализация специальной версии `kmalloc`, которая ведет логи всех операций выделения/освобождения памяти (с указанием размера, адреса и callstack'а). Это незаменимый инструмент для поиска утечек памяти (memory leaks) в ядре.

 + **Планировщик и синхронизация:** Когда будет реализован планировщик задач и многозадачность, **критически важным станет сделать аллокатор потокобезопасным**. Это потребует добавления механизмов синхронизации (спинлоков или мьютексов) внутрь функций `kmalloc` и `kfree`.

 + **Поддержка пользовательского пространства:** В будущем, когда появится разграничение на режим ядра и пользовательский режим, KKLibc будет разделена. Большая часть останется в ядре, а для пользовательского пространства будет создана отдельная, возможно, урезанная и более безопасная версия библиотеки.

 + **Оптимизация производительности:** Постоянный процесс: переписывание ключевых функций (например, `memcpy`, `memset`) на ассемблере для максимальной скорости, внедрение более эффективных алгоритмов поиска свободных блоков памяти.

 + **Новые модули:** По мере необходимости будут добавляться новые структуры данных (связные списки, хэш-таблицы), функции для работы со строками в кодировке UTF-8 и другие утилиты, требуемые развивающейся операционной системой.



### Для ядра

- **Файловые системы:** Реализация FAT12 и ext2

- **Многозадачность:** Планировщик задач и механизмы IPC

- **Пользовательский режим:** Разграничение привилегий

- **Сетевой стек:** Базовая поддержка сетевых протоколов

- **Графический интерфейс:** Псевдографическая оболочка



## Литература и источники



### Ассемблер

- Зубков С. В. «Assembler для DOS, Windows и Unix»

- [Введение в машинный код](http://wasm.ru/article.php?article=1022001)

- [Программирование на ассемблере под DOS](http://wasm.ru/article.php?article=1022003)



### Язык C

- Керниган Б., Ритчи Д. «Язык программирования C»

- Шилдт Г. «Полный справочник по C»

- [C standard library for embedded systems](https://github.com/peterzuger/libc)



### Операционные системы

 - Таненбаум Э. «Современные операционные системы»

 - Таненбаум Э. «Операционные системы: Разработка и реализация»

 - [OSDEV Wiki](http://osdev.org)

 - [FlingOS™ Documentation](http://flingos.co.uk/docs/)



### Архитектура ЭВМ

- Таненбаум Э. «Архитектура компьютера»

- Гук М. «Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия»



---



Также вы можете подробно просмотреть в документе [DOCLINKS](./DOCLINKS.md) весь материал со ссылками.



## Лицензия



KintsugiOS распространяется под лицензией MIT. Подробнее см. в файле LICENSE.



## Вклад в проект



Приветствуются issues и pull requests. Перед внесением изменений пожалуйста:

1. Обсудите планируемые изменения в issue

2. Следуйте существующему кодстайлу

3. Добавляйте комментарии на русском языке

4. Тестируйте изменения в QEMU и Bochs



## Благодарности



Особая благодарность сообществу OSDev и авторам учебных материалов, указанных в разделе "Литература и источники".



---





Название "Kintsugi" отсылает к японскому искусству восстановления керамики золотым лаком — метафора красоты в несовершенстве и постоянного развития.