os-dev-scratch

ゼロからの OS 開発

目的

最小限のオペレーティングシステムをゼロから構築する手順をエージェントに案内します。ブートローダーの段階（BIOS/GRUB 対 UEFI/limine）、GDT とページテーブルを使った 64 ビットロングモードのセットアップ、IDT と割り込みハンドラー、PIC/APIC の設定、基本的なキーボードドライバーとシリアルドライバー、物理メモリマネージャーと仮想メモリマネージャー、コンテキストスイッチングを扱い、参照アーキテクチャーとして xv6-RISC-V を取り上げます。

使用する場面

• 電源投入から main() までの OS の起動方法を学ぶとき
• x86-64 でプロテクトモード／ロングモードへの切り替えを実装するとき
• 物理メモリアロケーター（ビットマップ）とページテーブルマネージャーを作成するとき
• タイマー、キーボード、ページフォールトの割り込みを処理するとき
• QEMU の -kernel とクロスコンパイラー x86_64-elf-gcc でテストするとき
• xv6 の概念を独自の x86 または RISC-V カーネルに移植するとき

ワークフロー

1. ブート段階の概要

BIOS path (legacy)
├── BIOS POST
├── MBR (512 bytes) → boot sector loads stage2
├── GRUB/multiboot → loads kernel ELF
└── kernel entry (_start)

UEFI path (modern)
├── UEFI firmware
├── EFI bootloader (limine, systemd-boot)
├── Loads kernel + initrd from ESP
└── kernel entry (handoff with memory map)

2. ツールチェーンのセットアップ

# Cross-compiler for bare metal
brew install x86_64-elf-gcc x86_64-elf-binutils   # macOS
# or build from source / apt install gcc-x86-64-elf

x86_64-elf-gcc --version

# QEMU for testing
qemu-system-x86_64 --version

リンカースクリプトの基本事項：

/* linker.ld */
ENTRY(_start)
SECTIONS {
    . = 0x100000;          /* 1MB — typical kernel load address */
    .text : { *(.text .text.*) }
    .rodata : { *(.rodata .rodata.*) }
    .data : { *(.data .data.*) }
    .bss : { *(.bss .bss.*) }
}

x86_64-elf-gcc -ffreestanding -nostdlib -c kernel.c -o kernel.o
x86_64-elf-ld -T linker.ld kernel.o -o kernel.elf

3. Multiboot/limine による起動

# QEMU direct kernel boot (no disk)
qemu-system-x86_64 \
  -kernel kernel.elf \
  -serial stdio \
  -m 128M \
  -no-reboot -no-shutdown

# With limine (UEFI)
qemu-system-x86_64 \
  -bios /usr/share/ovmf/OVMF.fd \
  -drive file=disk.img,format=raw \
  -serial stdio

4. ロングモードのセットアップ

Protected mode (32-bit) → enable PAE → setup 4-level page tables → enable long mode

// Minimal GDT entry (64-bit flat segments)
struct gdt_entry {
    uint16_t limit_low;
    uint16_t base_low;
    uint8_t  base_mid;
    uint8_t  access;
    uint8_t  granularity;
    uint8_t  base_high;
} __attribute__((packed));

// Page table setup (4KB pages, identity map first 1GB)
uint64_t pml4[512] __attribute__((aligned(4096)));
uint64_t pdpt[512] __attribute__((aligned(4096)));
uint64_t pd[512] __attribute__((aligned(4096)));

void setup_paging(void) {
    for (int i = 0; i < 512; i++)
        pd[i] = (i * 0x200000) | 0x83;  // 2MB huge pages
    pdpt[0] = (uint64_t)pd | 0x03;
    pml4[0] = (uint64_t)pdpt | 0x03;
    __asm__ volatile("mov %0, %%cr3" :: "r"(pml4));
}

5. IDT と割り込みハンドラー

struct idt_entry {
    uint16_t offset_low;
    uint16_t selector;
    uint8_t  ist;
    uint8_t  type_attr;
    uint16_t offset_mid;
    uint32_t offset_high;
    uint32_t zero;
} __attribute__((packed));

// ISR stub (assembly) → common handler → dispatch by vector
void interrupt_handler(struct trap_frame *frame) {
    if (frame->vector == 14)  // page fault
        handle_page_fault(frame->cr2, frame->error_code);
    else if (frame->vector == 33)  // keyboard IRQ remapped
        keyboard_handler();
}

# Test page fault
# QEMU monitor: info registers

6. PIC と APIC

// Legacy PIC remapping (8259)
// Remap IRQ 0-15 to vectors 32-47
outb(0x20, 0x11); outb(0xA0, 0x11);
outb(0x21, 0x20); outb(0xA1, 0x28);  // vector offsets
// ...

// Modern: use APIC/IOAPIC (ACPI MADT parsing)
// LAPIC timer for preemption

7. シリアルドライバーとキーボードドライバー

// COM1 serial (0x3F8)
void serial_putc(char c) {
    while ((inb(0x3F8 + 5) & 0x20) == 0);
    outb(0x3F8, c);
}

// PS/2 keyboard scancode → ASCII lookup table
void keyboard_handler(void) {
    uint8_t scancode = inb(0x60);
    char c = scancode_to_ascii[scancode];
    if (c) serial_putc(c);
    outb(0x20, 0x20);  // EOI to PIC
}

qemu-system-x86_64 -kernel kernel.elf -serial stdio
# printk output appears in terminal

8. 物理メモリマネージャー

// Bitmap allocator over usable RAM regions
// From multiboot memory map or UEFI memory map
#define PAGE_SIZE 4096
uint8_t *frame_bitmap;
uint64_t total_frames;

uint64_t alloc_frame(void) {
    for (uint64_t i = 0; i < total_frames; i++) {
        if (!test_bit(frame_bitmap, i)) {
            set_bit(frame_bitmap, i);
            return i * PAGE_SIZE;
        }
    }
    return 0;  // OOM
}

9. コンテキストスイッチング

struct context {
    uint64_t rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rbp, rsp;
    uint64_t r8, r9, r10, r11, r12, r13, r14, r15;
    uint64_t rip;
};

void switch_context(struct context *old, struct context *new);
// Assembly: save callee-saved regs to old, restore from new, ret to new->rip

まず協調的スケジューリングを実装し、その後でタイマー IRQ によるプリエンプションを追加します。

10. xv6-RISC-V の参照資料

git clone https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv
cd xv6-riscv && make qemu

xv6 のコンポーネント	x86 での相当機能
kernel/vm.c	ページテーブル管理
kernel/trap.c	IDT／割り込みディスパッチ
kernel/proc.c	コンテキストスイッチ、スケジューラー
kernel/plic.c	PIC/APIC 割り込みコントローラー
user/usys.pl	システムコールスタブ

よくある問題

症状	原因	対処方法
起動時にトリプルフォールトが発生する	GDT/IDT またはスタックが無効	割り込みを有効にする前にスタックをセットアップします
QEMU の画面が真っ黒になる	シリアル出力が設定されていない	-serial stdio を指定し、早い段階で serial_init を呼び出します
カーネルでページフォールトが発生する	アドレスがマップされていない	カーネルをアイデンティティーマップし、CR3 を確認します
IRQ が一度も発生しない	PIC のマスク、または IDT がロードされていない	lidt を実行し、PIC で IRQ のマスクを解除します
タイマーが動作しない	LAPIC が初期化されていない	ACPI を解析し、LAPIC タイマーを調整します
リンカーの再配置エラー	ロードアドレスが誤っている	linker.ld をブートローダーの想定に合わせます

関連スキル

• skills/low-level-programming/assembly-x86 — ISR スタブ用の x86-64 アセンブリ
• skills/low-level-programming/assembly-riscv — xv6-RISC-V の参照 ISA
• skills/platform/riscv-privileged — RISC-V のトラップ処理とページテーブル
• skills/virtualization/qemu-kvm — カーネル開発向けの QEMU フラグ
• skills/kernel/kernel-internals — これらの概念の Linux における実装
• skills/low-level-programming/linux-kernel-modules — 基本が動作したら Linux に進む