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 (N)ASM and C
https://github.com/alexeev-prog/kintsugios

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

Last synced: 4 months ago
JSON representation

Minimalistic and rich x86_64 operation system in (N)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.



Последняя стабильная версия: [v0.4.0a](https://github.com/alexeev-prog/KintsugiOS/releases/tag/v0.4.0a)



> [!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)





  




## Особенности



### Реализовано

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

  - Двухэтапная загрузка: BIOS → загрузочный сектор → защищённый режим → ядро

  - Чтение ядра с диска через BIOS INT 0x13 (CHS/LBA)

  - Инициализация GDT, IDT и перепрограммирование PIC

  - Переход из реального режима (16-bit) в защищённый (32-bit)

  - Настройка сегментных регистров и стека



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

  - Три дескриптора: нулевой, сегмент кода, сегмент данных

  - Настройка прав доступа: Present, DPL, Type биты

  - Гранулярность 4KB для доступа ко всей 4GB памяти

  - База 0x00000000, лимит 0xFFFFFFFF



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

  - Аллокатор на основе связанных блоков памяти с разделением и слиянием

    - Структура блока: size, next pointer, is_free flag

    - Алгоритм best-fit для минимизации фрагментации

    - Автоматическое объединение соседних свободных блоков

    - Выравнивание на границу 16 байт

    - Динамическое расширение кучи от 1MB до 16MB

  - Функции диагностики:

    - kmemdump() — детальный дамп состояния кучи

    - get_meminfo() — статистика использования памяти

    - kmemcheck() — проверка целостности блоков



- **Драйверы оборудования**:

  - VGA-экран с поддержкой цветного текста и прокрутки

    - Прямой доступ к видеопамяти 0xB8000

    - 16 цветов текста и фона

    - Автоматическая прокрутка при заполнении экрана

    - Позиционирование курсора через порты 0x3D4/0x3D5

    - Функции: kprint(), kprint_at(), kprint_colored()

  - **Терминальный слой (terminal.h/terminal.c)** — логическая абстракция над экраном

    - Виртуальный буфер 80x200 символов с атрибутами

    - Поддержка автоскролла и ручной прокрутки

    - Отложенный рендеринг (dirty flag)

    - Функции для работы с вводом: backspace, enter, стрелки

    - Управление цветом и позицией курсора

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

    - Обработка скан-кодов через порт 0x60

    - Таблицы символов для верхнего/нижнего регистра

    - Поддержка backspace, enter, специальных комбинаций (Ctrl+C)

    - Состояния модификаторов: shift_pressed, ctrl_pressed, alt_pressed, caps_lock

    - Интеграция с терминальным слоем для обработки стрелок и модификаторов

  - Таймер с программными прерываниями

    - Настройка PIT на частоту 50 Гц

    - Глобальный счётчик тиков

    - Функция wait() для задержек в миллисекундах

  - ATA PIO с поддержкой LBA-адресации

    - Поддержка LBA28 (до 128GB дисков)

    - Идентификация устройств через команду IDENTIFY

    - Чтение/запись секторов (512 байт)

    - Ожидание готовности устройства с таймаутами

    - Поддержка master/slave устройств



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

  - 48 записей в IDT (32 исключения + 16 аппаратных прерываний)

  - Ассемблерные заглушки для сохранения контекста

  - Ремаппинг PIC на вектора 32-47

  - Обработка исключений: деление на ноль, GPF, page fault и др.

  - API для регистрации обработчиков: register_interrupt_handler()

  - Автоматическая отправка EOI в контроллеры прерываний



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

  - `help` — список команд с описанием

  - `clear` — очистка экрана

  - `end` — остановка CPU (HLT инструкция)

  - `malloc` — выделение памяти с указанием размера

  - `free` — освобождение памяти по адресу

  - `info` — информация о системе: память, CPU, версия

  - `memdump` — дамп состояния кучи

  - `echo` — вывод текста с поддержкой аргументов

  - `sleep` — задержка в миллисекундах

  - `reboot` — перезагрузка системы

  - `rand` — генерация случайного числа по алгоритму xorshift32

  - `randrange` — случайное число в диапазоне

  - `binpow` — бинарное возведение в степень

  - `ls` — список файлов в корневой директории FAT12

  - `cat` — вывод содержимого файла

  - `load` — загрузка файла в память по адресу

  - `fat12info` — информация о файловой системе FAT12

  - `qemushutdown` — выключение QEMU через порт 0x604



- **Файловая система FAT12 (Read Only)** в kernel/fs/fat12.c

  - Чтение и парсинг загрузочного сектора FAT12

  - Извлечение параметров: bytes_per_sector, sectors_per_cluster, root_entries

  - Вычисление смещений: fat_start_sector, root_dir_start_sector, data_start_sector

  - Обход 12-битных записей FAT с учётом чётности/нечётности кластеров

  - Форматирование имён файлов из формата 8.3 (удаление пробелов)

  - Поиск файлов в корневом каталоге по имени

  - Чтение файлов через обход цепочек кластеров

  - Буферизация таблицы FAT для уменьшения обращений к диску

  - Поддержка специальных значений FAT: 0xFF7 (bad cluster), 0xFF8-0xFFF (end of chain)

  - Функции: fat12_init(), fat12_find_file(), fat12_read_file(), fat12_list_root()



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

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

    - strlen(), strcpy(), strcmp(), strtok(), strstr(), strchr()

    - itoa(), utoa(), atoi(), hex_strtoint()

    - strspn(), strcspn(), strpbrk()

  - Форматированный вывод (stdio.h)

    - printf(), printf_colored(), printf_at()

    - Поддержка форматирования: %d, %x, %s, %c, %u

    - Флаги: выравнивание, дополнение нулями, префиксы

    - sprintf(), snprintf(), vsnprintf()

  - Функции памяти (mem.h)

    - kmalloc(), kfree(), krealloc()

    - memcpy(), memset(), memmove(), memcmp(), memchr()

    - memory_set(), u32memory_set()

  - Библиотека для математики (math.h)

    - binary_pow() — бинарное возведение в степень

  - Типы данных (ctypes.h)

    - Стандартные типы: u8, u16, u32, s8, s16, s32

    - Функции классификации символов: isalpha(), isdigit(), etc.

    - Макросы: KB, MB, GB, ASSERT()

  - Общий заголовочный файл kklibc.h

    - Включение всех модулей библиотеки

    - Определение версии системы: VERSION

  - Библиотека стандартных методов (stdlib.h)

    - Генерация случайных чисел: rand(), rand_range() на основе xorshift32

    - Системные функции: reboot(), wait()

    - Функции поиска: fuzzy_search()



### В разработке

 - [ ] Файловая система Fat12 (Write+Read)

   - Реализация записи файлов

   - Создание новых записей в каталоге

   - Обновление таблицы FAT при выделении кластеров

   - Запись данных в секторы диска

 - [ ] Файловая система ext2

   - Исследование структуры ext2

   - Чтение суперблока и групповых дескрипторов

   - Работа с inode и блоками данных

   - Поддержка каталогов и длинных имён

 - [ ] Планировщик задач

   - Структуры данных для описания процессов

   - Механизм переключения контекста

   - Алгоритмы планирования (round-robin, приоритеты)

   - Очереди готовых и заблокированных процессов

 - [ ] Пользовательское пространство

   - Разделение привилегий (ring 0 vs ring 3)

   - Системные вызовы через прерывания

   - Защита памяти через сегментацию/страничность

   - Базовые библиотеки для пользовательских программ

 - [ ] Inter-Process Communication

   - Очереди сообщений

   - Разделяемая память

   - Семафоры и мьютексы

   - Каналы (pipes)

 - [ ] Загрузка ELF

   - Парсинг заголовков ELF

   - Загрузка сегментов в память

   - Настройка таблиц страниц

   - Передача управления точке входа

 - [ ] Графический интерфейс

   - Переход в графический режим VESA

   - Примитивы рисования: линии, прямоугольники, текст

   - Оконная система

   - Обработка событий мыши

 - [ ] Многозадачность

   - Создание и уничтожение процессов

   - Управление ресурсами процессов

   - Синхронизация и взаимное исключение

   - Сигналы и обработчики

 - [ ] Пользовательский режим

   - Механизм переключения между кольцами защиты

   - Проверка прав доступа

   - Обработка нарушений привилегий

   - API системных вызовов

 - [ ] Сетевой стек

   - Драйвер сетевой карты (например, RTL8139)

   - Протоколы: Ethernet, IP, ARP

   - Транспортные протоколы: TCP, UDP

   - Сокеты и API для сетевых операций

 - [ ] Псевдографический интерфейс

   - Текстовый режим с расширенными символами

   - Оконный менеджер в текстовом режиме

   - Диалоговые окна и элементы управления

   - Обработка фокуса ввода

 - [ ] Полностью реализованный LibC

   - Расширение KKLibC полным набором функций

   - Поддержка плавающей точки

   - Функции работы со временем и датой

   - Локализация и кодировки



### Готово

 - [x] Файловая система Fat12 (Read Only)

   - Чтение загрузочного сектора и параметров

   - Обход корневого каталога

   - Чтение цепочек кластеров

   - Форматирование имён файлов 8.3

 - [x] Динамические аллокаторы памяти

   - Аллокатор кучи с best-fit алгоритмом

   - Разделение и слияние блоков

   - Диагностика и отладка памяти

 - [x] Терминальный слой абстракции

   - Виртуальный буфер 80x200 символов

   - Отложенный рендеринг

   - Управление прокруткой и вводом

   - Интеграция с драйверами клавиатуры и экрана

 - [x] Драйвер ATA PIO

   - LBA-адресация 28-бит

   - Идентификация устройств

   - Чтение/запись секторов

 - [x] Система прерываний с обработкой исключений

   - Полная IDT с 48 записями

   - Обработчики всех стандартных исключений

   - API для регистрации обработчиков

 - [x] Полноценная shell-оболочка

   - 16 встроенных команд

   - Разбор аргументов и история ввода

   - Интеграция с файловой системой

   - Управление памятью и системой



## Архитектурные изменения



### Терминальный слой

В системе появился новый уровень абстракции — терминальный слой (`terminal.h/terminal.c`). Это логический слой между низкоуровневым доступом к видеопамяти и высокоуровневыми функциями ввода-вывода ядра. Ключевые преимущества:



- **Виртуальный буфер**: Теперь экран — это лишь окно в логический буфер размером 80x200 символов, что позволяет реализовать прокрутку истории.

- **Отложенный рендеринг**: Обновление экрана происходит только когда это необходимо (флаг `dirty`), что оптимизирует производительность.

- **Унифицированный API**: Все функции вывода (`kprint`, `kprintln`, `kprint_colored`) теперь используют единый интерфейс, который может работать либо напрямую с экраном, либо через терминальный слой.

- **Управление вводом**: Добавлены функции для обработки специальных клавиш (backspace, enter, стрелки) в контексте терминала.



### Система вывода

Реализован механизм переключения между режимами вывода (`screen_output_switch.h`):

- `OUTPUT_MODE_SCREEN` — прямой вывод в видеопамять (совместимость со старым кодом)

- `OUTPUT_MODE_TERMINAL` — вывод через терминальный слой



Это позволяет постепенно мигрировать код на использование новой системы без полного переписывания.



## 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

 - Make

 - Python



Проверить готовность окружения можно скриптом:

```bash

./check-env.sh

```



## Сборка и запуск



### Базовая сборка

```bash

make quick

```



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

```bash

make run

```



### Создание образа диска fda и запуск в QEMU

```bash

make run_fda

```



### Создание образа диска флоппи с fat12

```bash

make run_fat12

```



### 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 0x007e00.

 + 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 защищенном режиме, 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 0x007e00, 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 0x007e00.



## 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

- `echo ` - вывод текста

- `help` - справка по командам

- `sleep ` - ожидать N миллисекунд

- `reboot` - перезагрузка

- `rand ` - генерация случайного числа по алгоритму xorshift32

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

- `binpow  ` - бинарное возведение в степень

- `ls` - список файлов в корневой директории FAT12

- `cat ` - вывод содержимого файла

- `load  [address]` - загрузка файла в память по адресу (по умолчанию 0x007e0000)

- `fat12info` - информация о файловой системе FAT12

- `qemushutdown` - выключение QEMU через порт 0x604



## 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.



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

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



 + **`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.).



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



**Философия дизайна:**



 + **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

- **Улучшение терминального слоя:**

  - Реализация истории команд

  - Поддержка вкладок и нескольких виртуальных терминалов

  - Цветовая палитра и темы

  - Поддержка мыши в текстовом режиме

- **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.