Что нужно знать, чтобы написать операционную систему

Что нужно знать, чтобы написать операционную систему

Создание операционной системы — одна из сложнейших задач в программировании, поскольку требует обширных и комплексных знаний о работе компьютера. Каких именно? Разбираемся ниже.

Что такое ОС

Операционная система (ОС) — это программное обеспечение, которое работает с компьютерным железом и его ресурсами и является мостом между аппаратной и программной частью компьютера.

Компьютеры первого поколения не имели операционных систем. Программы на первых ЭВМ включали в себя код для непосредственной работы системы, связи с периферийными устройствами и вычислений, для выполнения которых эта программа и писалась. Из-за такого расклада даже простые по логике работы программы были сложны в программной реализации.

По мере того как компьютеры становились более разнообразными и сложными, писать программы, которые работали и как ОС, и как приложение, стало попросту неудобно. Поэтому, чтобы программы было легче писать, владельцы компьютеров начали разрабатывать программное обеспечение. Так и появились операционные системы.

ОС предоставляет всё необходимое для работы пользовательских программ. Их появление означало, что теперь программам не нужно контролировать весь объём работ компьютера (это отличный пример инкапсуляции). Теперь программам нужно было работать именно с операционной системой, а система уже сама заботилась о ресурсах и работе с периферией (клавиатура, принтер).

Кратко об истории операционных систем

Первая операционная система была создана в 1956 году компанией General Motors для единственного компьютера IBM. Остальные владельцы этих компьютеров последовали примеру и начали создавать собственные ОС.

Как можно догадаться, первые ОС сильно отличались друг от друга. Почти на каждом компьютере стояла своя система. Хоть они и облегчали написание программ, использовать такие программы можно было только на одном компьютере.

В 1960-х годах IBM стала первой выпускающей компьютеры компанией, которая взяла на себя процесс написания ОС под свои же компьютеры. Компания начала распространять компьютеры вместе со своей операционной системой.

В эти же годы компании Control Data Corporation, Computer Sciences Corporation, Burroughs Corporation, GE, Digital Equipment Corporation и Xerox тоже начали реализовывать свои ОС.

В конце 60-х была разработана первая версия ОС Unix. Написанная на Си, свободно доступная первые годы, Unix привлекала всё больше внимания и аудитории. Она легко портировалась на новые системы и начала набирать обороты.

Многие современные ОС, включая Apple OS X и все разновидности Linux-систем, являются дальними потомками Unix.

Microsoft Windows, в свою очередь, была написана для ряда персональных компьютеров IBM.

Первая ОС от Microsoft называлась не Windows, а MS-DOS. Эта система была создана в 1981 году, когда систему 86-DOS купили у компании Seattle Computer Products и модифицировали её под требования IBM.

Всем привычное название Windows появилось в 1985, когда MS-DOS обзавелась графическим интерфейсом.

Apple OS X, Microsoft Windows и ряд Linux-систем (включая Android) сейчас контролируют большую часть рынка операционных систем.

Составляющие операционной системы

ОС состоит из двух основных частей:

• ядро системы;
• системные программы.

Ядро (англ. kernel)

Сердце операционной системы. Именно оно запускается первым при включении компьютера (не считая BIOS и загрузчик). Ядро контролирует ресурсы компьютера и обрабатывает запросы от системных программ.

Системные программы

Работают поверх ядра. Такие программы нужны, в целом, не для пользователя, а для связи ядра с пользовательскими приложениями и периферией. Примеры системных программ: драйвера устройств, файловая система, сетевые программы, утилиты для дефрагментации диска.

Пользовательские программы

Не являются частью операционной системы. Именно эти программы уже имеют конкретное назначение. Текстовые редакторы, браузеры, медиа-плееры — всё это пользовательские программы. Они контролируются ядром и используют системные программы для доступа к периферии.

Что необходимо знать

Список вещей, которые необходимо знать для создания собственной ОС, очень длинный. Но в нём есть три основных пункта, на которые нужно обратить внимание в первую очередь:

• базовое понимание компьютерной науки (информатики);
• теория и опыт в программировании;
• знание высоко- и низкоуровневых языков программирования.

Изучение информатики

Разработка ОС — это не тоже самое, что, скажем, веб-разработка. Тут нельзя будет просто и быстро разобраться в базовых вещах. Для начала нужно получить крепкий базис информатики и только потом переходить к другим темам.

Coursera: Computer Science 101 — это курс, который подойдёт для тех, кто только начал осваиваться в информатике и программировании. Если у вас уже имеются элементарные знания в в этой области, то пропустите этот курс и переходите к следующему.

Udacity: Intro to Computer Science использует веб-разработку в качестве подхода к обучению компьютерной науке. Хоть курс и не направлен на непосредственную разработку ОС, он даёт мощный базис в области программирования.

edX: Introduction to Computer Science — этот курс является самым исчерпывающим и углублённым в этом списке. Несмотря на это, он полностью бесплатен. Курс был разработан в Гарвардском Университете. В нём вас научат алгоритмам, структурам данных, управлению ресурсами, разработке ПО, а так же познакомят с такими языками программирования, как C, PHP и JavaScript.

Подборка книг для самостоятельного изучения Computer Science.

Изучение программирования

С крепкими знаниями в области информатики и хотя бы базовым пониманием программирования вам нужно набраться опыта в разработке проектов.

Udacity: Software Development Process — отличный курс для тех, кто ещё не принимал участие в крупных проектах. Тут вас ознакомят с подробностями рабочего процесса и работой с инструментарием (например Git), а также расскажут о настройке интегрированной среды разработки.

Изучение языков программирования

Для разработки операционной системы вам понадобится освоить минимум два языка программирования:

• низкоуровневый язык ассемблера;
• высокоуровневый язык программирования.

Первый используется для работы напрямую с процессором. Процессор «понимает» только машинный код, и для каждого типа процессора есть только один соответствующий язык. Одной из самых популярных архитектур процессора является x86. Она была разработана компанией Intel и на текущий момент широко используется многими производителями компьютерного железа, включая AMD. По этой причине в этой статье акцент будет именно на архитектуру x86.

Высокоуровневые языки программирования, в свою очередь, работают сразу на нескольких архитектурах. Самый популярный из таких языков — Cи. Чаще всего именно на нём и пишутся операционные системы. Но это не означает, что этот язык единственный. Для написания ОС можно использовать и более высокоуровневые языки, например C++ или Python.

Прим. перев. Есть пример написания «игрушечных» операционных систем на C#. Cosmos — некий конструктор ОС. В этой статье на практическом примере показывают написание системы всего в нескольких десятках строк.

Язык ассемблера для x86

«x86 Assembly Guide» — неплохо подойдёт для начального изучения ассемблера. Несмотря на то, что эта статья коротка для полного курса, в ней содержится всё необходимое для дальнейшего углубления.

Книга «Programming from the Ground Up» Джонатана Бартлетта является одной из основных по изучению ассемблера. В ней основами языка программирования подкрепляются базисы информатики.

Для изучения ассемблера есть ещё одна показательная книга — «The Art of Assembly Language», написанная Рэнди Гайдом. Изначально книга писалась специально для курсов, которые вёл автор в Калифорнийском университете Cal Poly и UC Riverside. В середине 90-х годов книга была признана определяющей в этой сфере.

Если вдруг вышеописанные материалы вам не подошли, вот ещё пара отличных книг:

Язык Cи

Как уже упоминалось выше, для написания ОС есть несколько высокоуровневых языков программирования. Однако самый популярный из них — Си.

Начать изучать этот язык можно отсюда. Этот ресурс ознакомит вас с базовыми понятиями и подготовит к более сложным задачам.

«Learn C the Hard Way» — название ещё одной книги. Кроме привычной теории в ней собрано много практических решений. Этот учебник расскажет обо всех аспектах языка.

Либо же можете выбрать одну из этих книг:

Разработка ОС

После освоения всего необходимого, что касается информатики, языка ассемблера и Cи, вам стоит прочесть хотя бы одну или две книги про непосредственную разработку ОС. Вот несколько ресурсов для этого:

«Linux From Scratch». Здесь рассматривается процесс сборки операционной системы Linux (учебник переведён на много языков, в том числе и на русский). Тут, как и в остальных учебниках, вам предоставят все необходимые базовые знания. Полагаясь на них можно попробовать себя в создании ОС. Чтобы сделать программную часть ОС более профессиональной, присутствуют дополнения к учебнику: «Beyond Linux from Scratch», «Automated Linux from Scratch», «Cross Linux from Scratch» или «Hardened Linux from Scratch».

«The little book about OS development» Эрика Хэйлина и Адама Ренберга. Этот учебник разработан в рамках продвинутого курса информатики и на момент его написания авторы являлись студентами Королевского Института Технологий в Стокгольме. В этой книге рассматривается разработка ОС для архитектуры x86 (причём с самого начала — с установки среды разработки). В этом курсе рассказывается о многих интересных темах, включая многозадачность, управление памятью и разработку файловой системы.

«Operation System Development Series» Broken Thorn Entertainment — серия из 25 уроков, посвящённых разработке ОС с нуля.

Примечание Эти уроки рассчитаны на то, что вы уже знакомы с IDE и владеете как языком ассемблера, так и Cи.

Вот ещё три книги, которые помогут вам ознакомиться с дисциплиной разработки ОС:

Сообщества, посвященные разработке ОС

Заниматься разработкой ОС в одиночку смело, но сложно. Гораздо проще найти единомышленников, которые, как и вы, решили попытать удачу в этом нелёгком деле. Существует пара подходящих мест:

• OSDev.org — это Вики с исчерпывающей информацией о разработке ОС и отличным форумом, где вы можете попросить о помощи или же наоборот сами кого-нибудь выручить.
• OS Development Channel на Реддите. Канал, также посвящённый разработке ОС.
• Computer Science, Programmers, StackOverflow от StackExchange — площадки, где вы можете задавать различные технические вопросы.

Заключение

Обучение разработке ОС — достаточно сложная задача. Однако в процессе вы разберётесь в работе процессора и аппаратного уровня, что поможет лучше понимать работу и оптимизацию высокоуровневых приложений и их взаимодействие друг с другом. Ну и в глазах коллег вы наверняка будете выглядеть очень крутым (но это не точно).

Эволюция Windows — как менялась самая популярная система

Операционная система Windows — это проприетарная операционных система c графическим интерфейсом компании Microsoft, которая работает на платформах x86, x86-64, IA-64 и ARM. На данный момент, Windows является самой распространенной ОС, среди установленных на персональные компьютеры. Предлагаю вернутся назад на 35 лет и посмотреть, какая она была! На нашем канале есть коротки ролик по этому, я решил написать статью, так как ролик зашел моей аудитории!

Windows 1.0 — 20 нoября 1985 гoдa

Компания Microsoft — 20 ноября 1985 официально выпустила Windows 1.0 (программная оболочка для MS-DOS). Системные требования: наличие жестокого диска или двух дискет, 256 KБ оперативной памяти, графический адаптер, MS-DOS 2.0. Операционная система Windows 1.0 не набрала такой популярности, как Macintosh от Apple. В итоге Microsoft поддерживала Windows 1.0 целых 16 лет, до 31 декабря 2001 года.

Windows 2.0 — 9 декабря 1987

Вторая версия Windows выходит с улучшенной графикой. Новые процессоры intel 286 и intel 386 позволили расширить возможности Windows 2.0. На рабочем столе появились значки, возможность запуск нескольких окон, которые можно наложить друг на друга, теперь пользователь может взаимодействовать с системой используя «горячие» комбинации клавиш. Windows 2.0 сделала компанию Microsoft – самой крупной в разработке программного обеспечения.

Windows 3.0 — 22 мая 1990 года

С версии Windows 3.0 – начинается успех системы. Новый пользовательский интерфейс (16-цветовых гамм). Под Windows 3.0 выходит пакет офисных приложений Microsoft Office, который включал Word, Excel и Powerpoint. За 2 года было продано 10 миллионов лицензий. Игра «Сапер» — сыграла большую роль в успехе Windows 3.0, игра и сейчас помогает офисным менеджерам скоротать время на работе.

Windows NT 3.1 — 27 июля 1993 года

Следующая 32-битная система Windows NT 3.1 была нацелена на корпоративных клиентов, включала интегрированные сети, многозадачный планировщик Windows, сервер домен (безопасный), поддержку нескольких процессорных архитектур. Тогда впервые появилась файловая система NTFS. Среди опытных пользователей Windows NT 3.1 называли самой стабильной операционной системой. Разработка NT велась отдельно от остальных систем Windows. Все началось, когда Microsoft и IBM начали совместную разработку OS/2, но что-то пошло не так и компании разошлись, тогда OS/2 пришлось переделать в Windows NT, которая по истечению нескольких лет спасет имя операционной системы.

Windows 95 — 24 августа 1995 года

Windows 95 — достаточно популярная операционная система, было продано 7 миллионов лицензий, но пользователи относились к новой версии Windows с агрессией и недоверием. Все предыдущие версии ставились поверх проверенного MS-DOS, но Windows 95 была полноценной операционной системой и требовала полного ухода от командной строки. Система работала не совсем стабильно, да и среда совершенна новая. Windows 95 была самой разрекламированной системой, это не помещало пользователям дать ей новое имя «Маздай» (от англ. «must die» — должен умереть) и WinDoze (Сонные окна). Рядовым пользователям приходилось привыкать к особенностям Windows 95, периодически переустанавливать её, чтобы получить былую стабильность системы, перейти было больше некуда, только на популярные среди программистов системы WinNT и Linux, OS/2 в которых рядовой пользователь не мог разобраться.

С Windows 95 был сформирован привычным всем графический интерфейс с кнопкой «Пуск», иконками на рабочем столе и панелью задач. Windows 95 познакомила весь мир с BSOD – «Синий экран смерти», который преследуют нас по сей день.

Windows 98 — 25 июня 1998 года

Операционная система Windows 98 разработана специально для пользователей, включает в себя поддержку USB – устройств и DVD-дисков, утилиту Windows Update, которая автоматически устанавливает обновления Windows. Пользователи не торопились переходить на новую операционную систему, многие считали ее переходной между Windows 95 и грядущей Windows Millenium, которая должна была избавить пользователей от всех страданий.

Windows 2000 Professional — 17 февраля 2000 года

Домашняя операционная система не получилась. Windows 2000 Professional вышла для бизнес рынка (корпоративная система), в которой реализовали простую установку оборудования, беспроводные устройства, поддержку USB-устройств, инфракрасные устройства и IEEE 1394, а также массу уязвимостей, которые следующие 10 лет лечили с помощью множества обновлений. Пользователи поверили рекламе Microsoft, которая показывала, что Виндос 2000 самая безопасная операционка, так как она принадлежала к семейству Windows NT. Пользователи с большим рвением устанавливали Windows 2000 на домашние компьютер.

Windows Millenium Edition (Me) — 14 сентября 2000 года

Майкрософт выпустил новую систему, которая оказалась злой шуткой над пользователя, которые ждали лучшего. Windows ME была написали на основе кода Windows 95, это не понравилось пользователям и они не стали переходить на нее. Операционная система получила полезную утилиту «Восстановление системы», которая в случаи серьезной ошибки позволяла откатить систему на более ранний срок к созданной точки восстановления, это позволяло не переустанавливать систему и все установленные программы. Windows ME включала в себя программы для редактирования и просмотра видео — Windows Movie Maker и Windows Media Player, так как система была предназначена для конечного пользователя. Это последняя Виндовс на базе Win 95.

Windows XP — 25 октября 2001 года

Случилось то, чего ждали все пользователи Windows. Вышла красивая, понятная, стабильная, быстрая Windows XP, которая покорила всех пользователей и заставила забыть все от Win 95 до Win Me, — как плохой сон. Новая операционная система получила годовое название Windows NT 5.1, опытные пользователи набрались еще больше уверенности. Теперь, все плюсы семейства NT доступны домашним пользователям, в самом лучшем виде.Windows XP оставалась самой популярной операционной системой до 2012 года.

Windows Vista — 30 января 2007 года

Это самая большая неудача компании Microsoft за последние годы, выходит Windows Vista, которая была медленной, с глюками, нестабильная, но с красивым интерфейсом. Опытные пользователи переносили интерфейс Vista на стабильную и быструю Win XP. Компания Microsoft реализовала в первый год продаж 100 миллионов лицензий Windows Vista.

Windows 7 — 22 октября 2009 года

Новая операционная система Win 7 – быстрая, стабильная, красивая, с интерфейсом Aero. Windows 7 быстро набирала популярность среди домашних пользователей и бизнес — сегмента. Тогда «Семерка» начала конкурировать с проверенной временем Windows XP.

Windows 7 стала умнее и самостоятельней, система определяет подключенные устройства и устанавливает драйвера, правильно работает с любыми сетями, новая система безопасности, которая может обойтись без установки сторонних антивирусов. Виндовс 7 научилась поддерживать сенсорные экраны, но до ума довели только в следующий версии.

Windows 8 — 26 октября 2012 года

Операционной системы Windows 8 получила совершенно новый плиточный интерфейс Metro. Система была заточена под сенсорный экран, но для обычных мониторов (без сенсора) был реализован классический рабочий стол. Привычную кнопку «Пуск» убрали вообще, и сделали «Активную кнопку», которая при нажатии открывает меню с плитками. Плитки можно увеличивать и уменьшать, перетаскивать и сортировать в любом порядке, создавать группы и давать имена.

Windows 8 – стабильная, красивая, быстрая система. Имеет свой магазин приложений, одна учетная Microsoft для синхронизации всех устройств между собой, интегрированное облачное хранилище OneDrive. Справа появилась всплывающая рабочая панель, достаточно удобная и функциональная, умный поиск, который ищет на всех жестких дисках, съемных носителя, сетевых хранилищах и в интернете.

Большинство компьютеров работают под управлением операционных систем Windows 7 и Windows XP, пользователи не захотели пробовать «плиточный» интерфейс или просто не успели перейти на Windows 8, и перешли сразу на Windows 10.

Windows 10 — 30 сентября 2014 года

Компания Microsoft полностью признала, что навязанный «плиточный» интерфейс не пришелся по вкусу пользователя, пользователям не понравилось отсутствия кнопки «Пуск», которую Майкрософт вернули в новую операционную систему Windows 10. Система получила новую панель «Action Center», несколько активных рабочих столов, центр уведомлений, персонального ассистента Cortana.