是否可以用 C 或 C++ 实现小型磁盘操作系统？答案

【问题标题】：Is it possible to implement a small Disk OS in C or C++?是否可以用 C 或 C++ 实现小型磁盘操作系统？
【发布时间】：2011-10-10 07:25:09
【问题描述】：

我不试图做任何这样的事情，但出于好奇，我想知道是否可以实现“整个操作系统”（不一定像 Linux 或 Microsoft Windows 那样大，但更像使用 C 和/或 C++ 编写的类似 DOS 的小型操作系统），不使用或只使用很少的程序集。

通过实现一个操作系统，我的意思是从头开始制作一个操作系统，启动引导加载程序和内核，再到 C 或 C++ 中的图形驱动程序（以及可选的 GUI）。我已经看到通过编译器访问低级功能在 C++ 中完成了一些低级的事情。这可以为整个操作系统完成吗？

我不是在问这是否是一个好主意，我只是在问它是否有可能？

【问题讨论】：

+1 - 一直想知道这是否可能
真正早期的 UNIX 是用 C 语言编写的 - 在 DEC PDP 上你可以从贝尔实验室获得一盘带有操作系统 C 代码的磁带。
@Schnommus 猜猜我不是唯一一个讨厌用 asm 编码的人。 :D
是的。 Microware Enhanced OS-9 几乎完全用 C 语言编写，并在绝对必要的情况下使用了一些汇编程序。仅供参考 - OS-9 是一个非常强大的多用户 *nix，类似于嵌入式 RTOS。

标签： c++ c operating-system systems-programming

【解决方案1】：

Obligatory link to the OSDev wiki，它描述了在 x86/x64 上创建操作系统所需的大部分步骤。

要回答您的问题，创建引导加载程序并启动保护模式将非常困难/不愉快，而无需借助至少一些程序集，尽管它可以保持在最低限度（特别是如果您没有真正计算诸如使用__asm__ ( "lidt %0\n" : : "m" (*idt) ); 作为“程序集”之类的东西。

一个很大的障碍（同样在 x86 上）是处理器以 16 位实模式启动，因此您需要一些 16 位代码。根据this discussion，您可以让 GCC 生成 16 位代码，但您仍然需要一些方法来设置内存、从某些存储介质加载代码等等，所有这些都需要以标准 C 的方式与硬件接口没有（中断、IO 端口等）的概念。

对于仅通过内存映射 IO 与硬件进行通信的体系结构，您可能会在纯 C 中编写除 C 启动代码（设置堆栈、初始化变量等）之外的所有内容，尽管特定要求中断例程/异常或系统调用门等可能难以实现（因为您必须访问特殊的 CPU 寄存器）。

【讨论】：

OTOH，只有 mmaped I/O 的架构往往具有比 PC BIOS 初始化更少硬件的固件（在嵌入式设备的极端情况下，您将不得不初始化 DRAM 和缓存）。

【解决方案2】：

我假设您有一个适用于 x86 的操作系统。在这种情况下，您至少需要几页汇编程序来设置保护模式和类似的东西，除此之外，还有很多关于分页、调用门、响铃、异常等所有东西的知识。如果你要使用某种形式的系统调用，您还需要几行汇编代码来在内核和用户空间模式之间切换。

除了这些之外，操作系统的其余部分都可以轻松地用 C 进行编程。对于 C++，您需要一个运行时环境来支持虚拟成员和异常等内容，但据我所知，这些都可以用 C 进行编程。

看看 Linux kernel source，最重要的汇编代码（用于 x86）可以在 arch/x86/boot 中找到，但您会注意到即使在该目录中，大多数文件也是用 C 编写的。此外您会在 arch/x86/kernel 目录中找到一些用于处理系统调用之类的装配线。

在 arch 目录之外几乎没有使用任何汇编程序（因为汇编程序是特定于机器的，该机器特定的代码属于 arch 目录）。甚至图形驱动程序也不使用汇编程序（例如，驱动程序/gpu/drm/nouveau 中的 nvidia 驱动程序）。

【讨论】：

【解决方案3】：

引导加载程序？你可能想跳过那一点。例如，Linux 经常由非 Linux 引导加载程序启动，例如 UBoot。毕竟，一旦系统运行，操作系统就会出现，但不会出现引导加载程序，它只是为了让操作系统正确进入内存。

一旦您选择了一个不错的现有引导加载程序，其余的几乎都是直截了当的。好吧，您必须自己处理内存和文件；你显然不能依赖fopen。但即使是 C++ 编译器，生成无需操作系统支持即可运行的代码也没有什么问题。

【讨论】：