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【Posts】『ゼロからのOS自作入門』を読んだ

OS自作 プログラミング 技術書

『ゼロからのOS自作入門』を手を動かしながら読んだ際に書き残したX（旧Twitter）のPostです。デバッグ情報や参照した資料などの記録を含みます。

引用形式で表示するために、.twitter-tweetを削除して埋め込んでいるPostがあります。

プログラミング言語自作に取り組んでいて、OS自作にも興味がわいたというところ、わかる気がします。まだうまく言えないけれど、なんとなくつながっている気がするんだよなぁ。

— Masahiro Oono (@words_oono) May 1, 2022

言語自作入門のJITコンパイラ編に取り組んだときに調達した Intel NUC にちょうど Ubuntu 20.04.6 LTS が入っているのでこれを開発用にして、N5095 を積んだ Beelink MINI S を試験用にすることにしました。 #ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) June 21, 2023

※ この開発用マシンで動作確認をしたのは5章の内容までです

まだ写経の要領がつかめないな。ま、じっくりやりましょう。

— Masahiro Oono (@words_oono) June 26, 2023

実機でマウスを動かせなかった悲しみを乗り越えた。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) June 28, 2023

※ 精神的には乗り越えましたが技術的には乗り越えられなかったので、6章以降はQEMUで動作確認をしながら読み進めることになります

あっ、InitializeLAPICTimer()を呼ぶのを忘れてた（笑）#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) July 4, 2023

時間が溶けていく。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 7, 2023

昨日10章まで写経して、ちょうど1/3読み終わったところ。目次を見る限り、ここから20章までの内容をどう実装するのかは特に興味を惹かれるところです。集中して写経していきます。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) July 8, 2023

※ 電子の森ラジオ018 生物として機械語を見る ゲスト 大神祐真さん 12:32あたり
※ 読了後に振り返ってみると、20章までに学んだ内容については21章以降の実装を進める過程で腹落ちした感じです

たのしそう、と思って読みはじめたけど、思った以上にたのしいですね。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 9, 2023

観てる。#ゼロからのOS自作入門
第7回 タイマー/第8回 マルチタスク https://t.co/OI8BRhzOXV @YouTubeより

— Masahiro Oono (@words_oono) July 13, 2023

観てる。#ゼロからのOS自作入門
第7回 タイマー/第8回 マルチタスク https://t.co/aSMkwIi7ql @YouTubeより

— Masahiro Oono (@words_oono) July 15, 2023

こ、これがぎっくり首ってやつか。動かせん（笑）

— Masahiro Oono (@words_oono) July 15, 2023

※ 首やっちゃいました。以降、サポーターを巻いて読むことになります

首が痛む割りに読めたので、よかったよかった。次は15章 ターミナルだー！ #ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) July 17, 2023

痛みに耐えて写経したところの読み直しから今夜はやろう。タスクに優先順位を付けたりウィンドウをアクティブ化したりするしくみは、OS自作に限らずゲームAIを書く時などにも使えそうなのでしっかり理解しておきたい。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 18, 2023

ちょうど16章の写経が終わりそうなタイミングで、輪読会の動画をアップしてくれていることに気づきました。https://t.co/4doAntmrPe #ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) July 20, 2023

なんか変だな、と思ったらコマンド履歴を実装するのを忘れていた。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 22, 2023

観てる。#ゼロからのOS自作入門
第9回 ファイルシステム/第10回 アプリケーション https://t.co/RrSNvvQQZm @YouTubeより

— Masahiro Oono (@words_oono) July 24, 2023

今日からは19章 ページングを読んでいきます。実は、この章と20章 システムコールの内容はぜひ実装してみたかったんです。たのしみー！ #ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) July 25, 2023

観てる。#ゼロからのOS自作入門
第11回 アドレス変換第/第12回 システムコール https://t.co/8cIWi8N7kG @YouTubeより

— Masahiro Oono (@words_oono) July 25, 2023

観てる。#ゼロからのOS自作入門
第11回 アドレス変換第/第12回 システムコール https://t.co/4RI2qVFa1S @YouTubeより

— Masahiro Oono (@words_oono) July 27, 2023

観てる。#ゼロからのOS自作入門
第11回 アドレス変換第/第12回 システムコール https://t.co/d80nj39aFD @YouTubeより

— Masahiro Oono (@words_oono) July 27, 2023

※ 第20章 システムコール

書籍とあわせて東工大の講義動画を観て写経していたら、じわじわと分かってきました。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) July 28, 2023

セグメントディスクリプタやCSレジスタ、ページング構造のエントリなどが関係し合いながらCPUの動作権限を切り替える処理を書くので混乱しないように、これって何だったかなー、とひとつひとつ確認しながら読み進めてる。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) July 29, 2023

8章でさらっと流したところをしっかり理解していく感じ。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 29, 2023

※ 「なんでも継続」Shiro Kawai まだ下書き

観てる。#ゼロからのOS自作入門
第11回 アドレス変換第/第12回 システムコール https://t.co/iW2TL4by9p @YouTubeより

— Masahiro Oono (@words_oono) July 30, 2023

おっ、講義動画はこれで終わりなんだね。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 30, 2023

ふわっふわしたところを補足して読み返した。
CPL=3 のときに割り込みが発生して CPL=0 に切り替わるとき、CPU の仕様で TSS.RSP0 の値が RSP に設定されるが、アプリがシステムコールを実行中に割り込みが発生したときは CPU=0 なので RSP はアプリ用のスタックを指したまま変わらない。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 30, 2023

アプリ用領域のマッピングは各コンテキストで固有だから、割り込みが発生して RestoreContext() が呼ばれコンテキストが切り替えが発生すると、PML4table を指す CR3 が更新されてアプリ用スタックが載っているページング構造のエントリの present フラグが0になる。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 30, 2023

present フラグが0のときは有効な物理アドレスが設定されていないことを意味し、この状態で iret 命令を実行してスタックへのアクセスが発生すると、CPU がページフォルトを発生させてOSがクラッシュする。

— Masahiro Oono (@words_oono) July 30, 2023

この書き方なんか見たことある気がするなぁ、と思ったら、まあまあ言語自作入門テキストで似た感じのコードを書いていたりしてね、そういう繋がりを見つけるのもたのしみのひとつ。

— Masahiro Oono (@words_oono) August 6, 2023

※ 「言語自作入門テキスト」とは、「10日くらいでできる！プログラミング言語自作入門」のことです

目次をながめたときに24章以降は難しそうと思ったんだけど、やっぱり「ちょっと」難しくなるみたいだ（ごくり… "次章からはまたちょっと難しい内容になると思うので、今のうちに楽しんでしまいましょう。" #ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) August 7, 2023

後回しにしていた IST の設定（osbook_day21a）も済ませた。

— Masahiro Oono (@words_oono) August 8, 2023

そういえばgrepコマンドを追加する直前のb5cc526aで、Makefile.elfappのCPPFLAGSに-Dオプションを追加して定義している「__SCLE」は何なんだろう？ 外してもいちおうgrepコマンドは動いているみたいだけど。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) August 9, 2023

おかしい、どんどんOSがバギーになってきてる（笑）

— Masahiro Oono (@words_oono) August 13, 2023

26.6「ファイル書き込み（2）」の内容をコードに反映するとcpコマンドが成功するはずなのだがページフォルトが発生するようになってしまった。どこかで写経ミスったかも、めんどくさそうなバグを引いてしまった。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) August 14, 2023

※ 後日、検証するために当該問題が発生したコミットまで戻り再現を試みましたがページフォルトは発生しませんでした（なぜだ…

しかし、うまいことに次章（27章）でデマンドページングを実装することに気付き、原因が気になったものの一旦バグを残して先に進むことにした。直ってくれー！ と祈りながら27.1「デマンドページング」を写経するとcpコマンドが成功するようになった。ほっ。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) August 14, 2023

RustとWebAssemblyによるゲーム開発が届いていた。しかし、ゼロからのOS自作入門を読了 or 挫折するまでは他の技術書を読むことを禁止しているので、そろりそろりとページをめくって構文の面構えをたのしむだけにとどめている。ううむ、読みたい…。

— Masahiro Oono (@words_oono) August 15, 2023

図がとても分かりすくて助かります。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) August 16, 2023

※「分かりすくて」->「分かりやすくて」

※ なんだろう

システムコールまわりが初見ではよく分からなくて、いちどマルチタスクまで戻ってしっかり読み直したけど、こんどはメモリマップトファイルとコピーオンライトのところでコードを読むのが辛くなったので、ファイルシステムやFATまで戻ってもういちど読み直した。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) August 18, 2023

※「mikanos-buildリポトリ」->「mikanos-buildリポジトリ」
※ https://github.com/uchan-nos/mikanos-build

PF祭り開催中

— Masahiro Oono (@words_oono) August 20, 2023

よーし、リダイレクト成功した！ PF祭りを抜けた！

— Masahiro Oono (@words_oono) August 20, 2023

28.3「リダイレクト」の内容をコードに反映した後、ターミナルにて「echo deadbeef > piyo」を実行した際、ページフォルトが発生するようになった。調査したところapps/cpを実行した歳もページフォルトが発生するようになっていた。ファイル生成まわりの処理があやしい。#ゼロからのOS自作入門

— Masahiro Oono (@words_oono) August 21, 2023

※「実行した歳も」->「実行した際も」

コミットをたどって検証したところ、27.2「メモリマップトファイル」の内容をコードに反映した段階で「apps/cp memmap abc」の実行によりページフォルトが発生することを確認した。

— Masahiro Oono (@words_oono) August 21, 2023

※ 当該問題の対策とあわせて26.5「ファイル書き込み（1）」の「ABCという空のファイルが生成されるはずなのだが生成できなかった」問題の対策をしたコードです