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Creando un Núcleo Básico de Sistema Operativo

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En este tema, aprenderemos a crear un núcleo básico de sistema operativo (OS kernel) utilizando el lenguaje ensamblador. Este es un proyecto avanzado que consolidará muchos de los conceptos aprendidos en los módulos anteriores. A lo largo de este tema, cubriremos los siguientes puntos:

  1. Introducción a los Núcleos de Sistemas Operativos
  2. Configuración del Entorno de Desarrollo
  3. Escribiendo el Código del Núcleo
  4. Compilación y Pruebas
  5. Ejercicios Prácticos

  1. Introducción a los Núcleos de Sistemas Operativos

Un núcleo de sistema operativo es el componente central de un sistema operativo. Gestiona las operaciones del hardware y permite que el software se ejecute en el hardware. Los núcleos pueden ser de diferentes tipos, como monolíticos, microkernels, etc. En este tema, nos enfocaremos en crear un núcleo monolítico básico.

Conceptos Clave

  • Modo Real vs. Modo Protegido: Los procesadores x86 tienen dos modos de operación principales. El modo real es el modo de operación original de los procesadores x86, mientras que el modo protegido permite características avanzadas como la protección de memoria.
  • Interrupciones: Mecanismos que permiten que el hardware y el software interactúen de manera eficiente.
  • Segmentación y Paginación: Técnicas para gestionar la memoria.

  1. Configuración del Entorno de Desarrollo

Antes de comenzar a escribir el código del núcleo, necesitamos configurar nuestro entorno de desarrollo.

Herramientas Necesarias

  • NASM (Netwide Assembler): Un ensamblador para la arquitectura x86.
  • QEMU: Un emulador y virtualizador de hardware.
  • GNU Make: Una herramienta para automatizar la compilación.

Instalación de Herramientas

NASM

sudo apt-get install nasm

QEMU

sudo apt-get install qemu

GNU Make

sudo apt-get install make

  1. Escribiendo el Código del Núcleo

Estructura del Proyecto

Organizaremos nuestro proyecto en los siguientes archivos y directorios:

kernel/
├── boot/
│   └── boot.asm
├── kernel/
│   └── kernel.asm
└── Makefile

Código del Bootloader (boot.asm)

El bootloader es el primer código que se ejecuta cuando se arranca el sistema. Su tarea principal es cargar el núcleo en memoria y transferirle el control.

[BITS 16]
[ORG 0x7C00]

start:
    ; Configurar el segmento de datos
    mov ax, 0x07C0
    mov ds, ax
    mov es, ax

    ; Limpiar la pantalla
    call clear_screen

    ; Cargar el núcleo
    call load_kernel

    ; Saltar al núcleo
    jmp 0x1000:0x0000

clear_screen:
    ; Código para limpiar la pantalla
    ret

load_kernel:
    ; Código para cargar el núcleo
    ret

times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55

Código del Núcleo (kernel.asm)

El núcleo es el código que se ejecuta después de que el bootloader transfiere el control.

[BITS 16]
[ORG 0x1000]

start:
    ; Configurar el segmento de datos
    mov ax, 0x1000
    mov ds, ax
    mov es, ax

    ; Mostrar un mensaje en la pantalla
    call print_message

    ; Bucle infinito
    cli
    hlt

print_message:
    mov si, message
    call print_string
    ret

print_string:
    ; Código para imprimir una cadena
    ret

message db 'Hello, Kernel!', 0

  1. Compilación y Pruebas

Makefile

El Makefile automatiza el proceso de compilación.

all: os-image

os-image: boot/boot.bin kernel/kernel.bin
    cat $^ > os-image

boot/boot.bin: boot/boot.asm
    nasm -f bin $< -o $@

kernel/kernel.bin: kernel/kernel.asm
    nasm -f bin $< -o $@

clean:
    rm -f boot/boot.bin kernel/kernel.bin os-image

Compilación

Para compilar el proyecto, ejecuta:

make

Ejecución en QEMU

Para ejecutar el núcleo en QEMU, usa el siguiente comando:

qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=os-image

  1. Ejercicios Prácticos

Ejercicio 1: Modificar el Mensaje del Núcleo

Tarea: Modifica el mensaje que se muestra en la pantalla al arrancar el núcleo.

Solución:

message db 'Welcome to My OS Kernel!', 0

Ejercicio 2: Implementar una Función de Limpieza de Pantalla

Tarea: Completa la función clear_screen en el bootloader para limpiar la pantalla.

Solución:

clear_screen:
    mov ax, 0xB800
    mov es, ax
    xor di, di
    mov cx, 2000
    mov ax, 0x0720
    rep stosw
    ret

Conclusión

En este tema, hemos aprendido a crear un núcleo básico de sistema operativo utilizando el lenguaje ensamblador. Hemos cubierto desde la configuración del entorno de desarrollo hasta la escritura y compilación del código del núcleo. Los ejercicios prácticos proporcionan una oportunidad para aplicar y reforzar los conceptos aprendidos. En el siguiente tema, exploraremos cómo interactuar con el hardware desde el núcleo.

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