KintsugiOS

Минималистичная операционная 32 разрядная система с монолитным ядром и собственным загрузчиком на (N)ASM и GCC 15

KintsugiOS — это минималистичная x86 операционная система, написанная на (N)ASM и C, созданная в образовательных целях для глубокого понимания принципов работы операционных систем. Название проекта отсылает к японскому искусству Kintsugi, где разбитая керамика восстанавливается золотым лаком, подчеркивая красоту несовершенства и непрерывного развития.

Последняя стабильная версия: v0.4.0a

Caution

KintsugiOS еще в активной стадии разработки и многие решения не финальные или нестабильные.

Также я занимаюсь переводом OSDEV-Notes

Особенности

Реализовано

• Собственный загрузчик с переходом из реального режима в защищённый

  • Двухэтапная загрузка: BIOS → загрузочный сектор → защищённый режим → ядро
  • Чтение ядра с диска через BIOS INT 0x13 (CHS/LBA)
  • Инициализация GDT, IDT и перепрограммирование PIC
  • Переход из реального режима (16-bit) в защищённый (32-bit)
  • Настройка сегментных регистров и стека

• GDT (Глобальная таблица дескрипторов) с полноценной сегментацией памяти

  • Три дескриптора: нулевой, сегмент кода, сегмент данных
  • Настройка прав доступа: Present, DPL, Type биты
  • Гранулярность 4KB для доступа ко всей 4GB памяти
  • База 0x00000000, лимит 0xFFFFFFFF

• Продвинутое управление памятью с двумя уровнями аллокации:

  • Аллокатор на основе связанных блоков памяти с разделением и слиянием
    • Структура блока: size, next pointer, is_free flag
    • Алгоритм best-fit для минимизации фрагментации
    • Автоматическое объединение соседних свободных блоков
    • Выравнивание на границу 16 байт
    • Динамическое расширение кучи от 1MB до 16MB
  • Функции диагностики:
    • kmemdump() — детальный дамп состояния кучи
    • get_meminfo() — статистика использования памяти
    • kmemcheck() — проверка целостности блоков

• Драйверы оборудования:

  • VGA-экран с поддержкой цветного текста и прокрутки
    • Прямой доступ к видеопамяти 0xB8000
    • 16 цветов текста и фона
    • Автоматическая прокрутка при заполнении экрана
    • Позиционирование курсора через порты 0x3D4/0x3D5
    • Функции: kprint(), kprint_at(), kprint_colored()
  • Терминальный слой (terminal.h/terminal.c) — логическая абстракция над экраном
    • Виртуальный буфер 80x200 символов с атрибутами
    • Поддержка автоскролла и ручной прокрутки
    • Отложенный рендеринг (dirty flag)
    • Функции для работы с вводом: backspace, enter, стрелки
    • Управление цветом и позицией курсора
  • Клавиатура (PS/2) с обработкой модификаторов (Shift, Ctrl, Alt, Caps Lock)
    • Обработка скан-кодов через порт 0x60
    • Таблицы символов для верхнего/нижнего регистра
    • Поддержка backspace, enter, специальных комбинаций (Ctrl+C)
    • Состояния модификаторов: shift_pressed, ctrl_pressed, alt_pressed, caps_lock
    • Интеграция с терминальным слоем для обработки стрелок и модификаторов
  • Таймер с программными прерываниями
    • Настройка PIT на частоту 50 Гц
    • Глобальный счётчик тиков
    • Функция wait() для задержек в миллисекундах
  • ATA PIO с поддержкой LBA-адресации
    • Поддержка LBA28 (до 128GB дисков)
    • Идентификация устройств через команду IDENTIFY
    • Чтение/запись секторов (512 байт)
    • Ожидание готовности устройства с таймаутами
    • Поддержка master/slave устройств

• Система прерываний (IDT, ISR, IRQ) с кастомными обработчиками

  • 48 записей в IDT (32 исключения + 16 аппаратных прерываний)
  • Ассемблерные заглушки для сохранения контекста
  • Ремаппинг PIC на вектора 32-47
  • Обработка исключений: деление на ноль, GPF, page fault и др.
  • API для регистрации обработчиков: register_interrupt_handler()
  • Автоматическая отправка EOI в контроллеры прерываний

• Командная оболочка "Keramika Shell" с поддержкой команд:

  • help — список команд с описанием
  • clear — очистка экрана
  • end — остановка CPU (HLT инструкция)
  • malloc — выделение памяти с указанием размера
  • free — освобождение памяти по адресу
  • info — информация о системе: память, CPU, версия
  • memdump — дамп состояния кучи
  • echo — вывод текста с поддержкой аргументов
  • sleep — задержка в миллисекундах
  • reboot — перезагрузка системы
  • rand — генерация случайного числа по алгоритму xorshift32
  • randrange — случайное число в диапазоне
  • binpow — бинарное возведение в степень
  • ls — список файлов в корневой директории FAT12
  • cat — вывод содержимого файла
  • load — загрузка файла в память по адресу
  • fat12info — информация о файловой системе FAT12
  • qemushutdown — выключение QEMU через порт 0x604
  • del - удалить файл
  • create - создать файл
  • write - запись в файл

• Файловая система FAT12 (Files Only) в kernel/fs/fat12.c

  • Чтение и парсинг загрузочного сектора FAT12
  • Извлечение параметров: bytes_per_sector, sectors_per_cluster, root_entries
  • Вычисление смещений: fat_start_sector, root_dir_start_sector, data_start_sector
  • Обход 12-битных записей FAT с учётом чётности/нечётности кластеров
  • Форматирование имён файлов из формата 8.3 (удаление пробелов)
  • Поиск файлов в корневом каталоге по имени
  • Чтение файлов через обход цепочек кластеров
  • Буферизация таблицы FAT для уменьшения обращений к диску
  • Поддержка специальных значений FAT: 0xFF7 (bad cluster), 0xFF8-0xFFF (end of chain)
  • Функции: fat12_init(), fat12_find_file(), fat12_read_file(), fat12_list_root(), fat12_write_file(), fat12_delete_file(), fat12_create_file()
  • Создание файлов
  • Удаление файлов
  • Запись (перезапись) текста в файлы

• Библиотека KKLibC (Kintsugi Kernel LibC) включая:

  • Работу со строками, генерация числа и прочие стандартные вещи (stdlib.h)
    • strlen(), strcpy(), strcmp(), strtok(), strstr(), strchr()
    • itoa(), utoa(), atoi(), hex_strtoint()
    • strspn(), strcspn(), strpbrk()
  • Форматированный вывод (stdio.h)
    • printf(), printf_colored(), printf_at()
    • Поддержка форматирования: %d, %x, %s, %c, %u
    • Флаги: выравнивание, дополнение нулями, префиксы
    • sprintf(), snprintf(), vsnprintf()
  • Функции памяти (mem.h)
    • kmalloc(), kfree(), krealloc()
    • memcpy(), memset(), memmove(), memcmp(), memchr()
    • memory_set(), u32memory_set()
  • Библиотека для математики (math.h)
    • binary_pow() — бинарное возведение в степень
  • Типы данных (ctypes.h)
    • Стандартные типы: u8, u16, u32, s8, s16, s32
    • Функции классификации символов: isalpha(), isdigit(), etc.
    • Макросы: KB, MB, GB, ASSERT()
  • Общий заголовочный файл kklibc.h
    • Включение всех модулей библиотеки
    • Определение версии системы: VERSION
  • Библиотека стандартных методов (stdlib.h)
    • Генерация случайных чисел: rand(), rand_range() на основе xorshift32
    • Системные функции: reboot(), wait()
    • Функции поиска: fuzzy_search()

В разработке

• CHS Issue - решить проблему с секторами загрузочного диска (СРОЧНО)
• Файловая система Fat12 (Write+Read +Directories)
  • Запись новых данных без перезаписи в файл
  • Создание директорий
  • Удаление директорий
  • Перемеинование файлов, директорий
  • Перемещение и копирование файлов, директорий
• Файловая система ext2
  • Исследование структуры ext2
  • Чтение суперблока и групповых дескрипторов
  • Работа с inode и блоками данных
  • Поддержка каталогов и длинных имён
• Планировщик задач
  • Структуры данных для описания процессов
  • Механизм переключения контекста
  • Алгоритмы планирования (round-robin, приоритеты)
  • Очереди готовых и заблокированных процессов
• Пользовательское пространство
  • Разделение привилегий (ring 0 vs ring 3)
  • Системные вызовы через прерывания
  • Защита памяти через сегментацию/страничность
  • Базовые библиотеки для пользовательских программ
• Inter-Process Communication
  • Очереди сообщений
  • Разделяемая память
  • Семафоры и мьютексы
  • Каналы (pipes)
• Загрузка ELF
  • Парсинг заголовков ELF
  • Загрузка сегментов в память
  • Настройка таблиц страниц
  • Передача управления точке входа
• Графический интерфейс
  • Переход в графический режим VESA
  • Примитивы рисования: линии, прямоугольники, текст
  • Оконная система
  • Обработка событий мыши
• Многозадачность
  • Создание и уничтожение процессов
  • Управление ресурсами процессов
  • Синхронизация и взаимное исключение
  • Сигналы и обработчики
• Пользовательский режим
  • Механизм переключения между кольцами защиты
  • Проверка прав доступа
  • Обработка нарушений привилегий
  • API системных вызовов
• Сетевой стек
  • Драйвер сетевой карты (например, RTL8139)
  • Протоколы: Ethernet, IP, ARP
  • Транспортные протоколы: TCP, UDP
  • Сокеты и API для сетевых операций
• Псевдографический интерфейс
  • Текстовый режим с расширенными символами
  • Оконный менеджер в текстовом режиме
  • Диалоговые окна и элементы управления
  • Обработка фокуса ввода
• Полностью реализованный LibC
  • Расширение KKLibC полным набором функций
  • Поддержка плавающей точки
  • Функции работы со временем и датой
  • Локализация и кодировки

Готово

• Файловая система Fat12 (File Only)
  • Чтение загрузочного сектора и параметров
  • Обход корневого каталога
  • Чтение цепочек кластеров
  • Форматирование имён файлов 8.3
  • Удаление файлов
  • Запись в файлы
  • Создание файлов
• Динамические аллокаторы памяти
  • Аллокатор кучи с best-fit алгоритмом
  • Разделение и слияние блоков
  • Диагностика и отладка памяти
• Терминальный слой абстракции
  • Виртуальный буфер 80x200 символов
  • Отложенный рендеринг
  • Управление прокруткой и вводом
  • Интеграция с драйверами клавиатуры и экрана
• Драйвер ATA PIO
  • LBA-адресация 28-бит
  • Идентификация устройств
  • Чтение/запись секторов
• Система прерываний с обработкой исключений
  • Полная IDT с 48 записями
  • Обработчики всех стандартных исключений
  • API для регистрации обработчиков
• Полноценная shell-оболочка
  • 16 встроенных команд
  • Разбор аргументов и история ввода
  • Интеграция с файловой системой
  • Управление памятью и системой

Архитектурные изменения

Терминальный слой

В системе появился новый уровень абстракции — терминальный слой (terminal.h/terminal.c). Это логический слой между низкоуровневым доступом к видеопамяти и высокоуровневыми функциями ввода-вывода ядра. Ключевые преимущества:

• Виртуальный буфер: Теперь экран — это лишь окно в логический буфер размером 80x200 символов, что позволяет реализовать прокрутку истории.
• Отложенный рендеринг: Обновление экрана происходит только когда это необходимо (флаг dirty), что оптимизирует производительность.
• Унифицированный API: Все функции вывода (kprint, kprintln, kprint_colored) теперь используют единый интерфейс, который может работать либо напрямую с экраном, либо через терминальный слой.
• Управление вводом: Добавлены функции для обработки специальных клавиш (backspace, enter, стрелки) в контексте терминала.

Система вывода

Реализован механизм переключения между режимами вывода (screen_output_switch.h):

• OUTPUT_MODE_SCREEN — прямой вывод в видеопамять (совместимость со старым кодом)
• OUTPUT_MODE_TERMINAL — вывод через терминальный слой

Это позволяет постепенно мигрировать код на использование новой системы без полного переписывания.

Требования

Для сборки и запуска KintsugiOS необходим следующий инструментарий:

• Кросс-компилятор i386 ELF GCC
• FASM
• NASM
• GDB для отладки
• MTools и Xorriso
• QEMU или Bochs
• Make
• Python

Проверить готовность окружения можно скриптом:

./check-env.sh

Сборка и запуск

Базовая сборка

make quick

Создание образа диска (hdd) и запуск в QEMU

make run

Создание образа диска fda и запуск в QEMU

make run_fda

Создание образа диска флоппи с fat12

make run_fat12

Очистка проекта

make clean      # Удаление бинарных файлов
make clean_all  # Полная очистка

Отладка

Для отладки KintsugiOS запустите систему в режиме отладки:

make debug        # образ диска hdd
make debug_fda    # образ диска fda

И подключитесь через ваш дебаггер (например gdb).

Как работает загрузка

Загрузчик KintsugiOS — это критически важный компонент, написанный на ассемблере, который выполняет следующие задачи:

• Инициализация и переход в защищенный режим: Загрузчик начинает работу в реальном режиме (16-бит), инициализирует стек, загружает GDT (Глобальную таблицу дескрипторов) и переключает процессор в 32-битный защищенный режим.
• Загрузка ядра: С помощью функций BIOS загрузчик считывает ядро с диска в память по адресу 0x007e00.
• Подготовка к выполнению ядра: После перехода в защищенный режим управление передается ядру.

Компоненты загрузчика:

• bootsector.asm — основной загрузочный сектор, который загружается BIOS по адресу 0x7c00. Устанавливает стек, загружает ядро и переключается в защищенный режим.
• diskload.asm — содержит функцию disk_load для чтения секторов с диска с помощью прерываний BIOS.
• gdt.asm — определяет GDT (Глобальную таблицу дескрипторов) для защищенного режима, включая дескрипторы для сегментов кода и данных.
• switch_to32.asm — код переключения в защищенном режиме, включая отключение прерываний, загрузку GDT и установку бита в регистре cr0.
• puts_chars.asm и puts_chars32.asm — функции для вывода строк в реальном и защищенном режимах соответственно. В защищенном режиме вывод осуществляется напрямую в видеопамять VGA.
• puts_hex.asm — функция для вывода чисел в шестнадцатеричном формате (используется для отладки).
• kernel_entry.asm — точка входа для ядра, которая вызывает функцию kmain из ядра.

Процесс загрузки:

1. BIOS загружает первый сектор диска (512 байт) по адресу 0x7c00 и передает управление на его начало.
2. Загрузчик инициализирует стек и выводит сообщение о запуске в реальном режиме.
3. Загрузчик загружает ядро с диска в память по адресу 0x007e00, используя функции BIOS.
4. Загрузчик загружает GDT и переключает процессор в защищенный режим.
5. В защищенном режиме загрузчик выводит сообщение об успешном переходе и передает управление ядру по адресу 0x007e00.

Команды оболочки

KintsugiOS включает оболочку "Keramika Shell" со следующими командами:

• end - остановка процессора
• clear - очистка экрана
• malloc <size> - выделение памяти (куча)
• free <address> - освобождение памяти
• info - информация о системе
• memdump - дамп памяти
• echo <text> - вывод текста
• help - справка по командам
• sleep <ms> - ожидать N миллисекунд
• reboot - перезагрузка
• rand <seed> - генерация случайного числа по алгоритму xorshift32
• randrange <seed> <min> <max> - генерация случайного числа в диапазоне при помощи xorshift32
• binpow <base> <exponent> - бинарное возведение в степень
• ls - список файлов в корневой директории FAT12
• cat <filename> - вывод содержимого файла
• load <filename> [address] - загрузка файла в память по адресу (по умолчанию 0x007e0000)
• fat12info - информация о файловой системе FAT12
• qemushutdown - выключение QEMU через порт 0x604

Kintsugi Kernel LibC

KKLibc — это собственная реализация стандартной библиотеки языка C, разработанная специально для нужд ядра Kintsugi OS. В отличие от пользовательских libc (вроде glibc), она тесно интегрирована с архитектурой ядра, лишена избыточности и содержит только самые необходимые функции для работы в пространстве ядра.

Структура и основные модули:

Библиотека организована в набор модулей, каждый из которых отвечает за свою предметную область:

• stdlib.h / stdlib.c: Ядро библиотеки. Содержит:

  • Преобразования данных: itoa, utoa, atoi, hex_strtoint для конвертации между числами и строками в различных системах счисления.
  • Работа со строками: Полный набор функций для манипуляций со строками: strlen, strcpy/strncpy, strcmp/strncmp, strcat/strncat, strchr, strstr, strtok, strspn, strcspn.
  • Работа с памятью: Аналоги стандартных memcpy, memset, memmove, memcmp, memchr, а также низкоуровневые memory_set, u32memory_set.
  • Генерация псевдослучайных чисел: Реализация на основе быстрого алгоритма xorshift32 (rand) и функция для получения числа в диапазоне (rand_range).
  • Управление системой: Функции reboot() и wait(int ms) для взаимодействия с железом.
  • Форматированный вывод в буфер: Реализации sprintf, snprintf и vsnprintf для безопасного и небезопасного формирования строк.
  • Утилиты: Алгоритм нечеткого поиска fuzzy_search для будущего использования в интерфейсах.

• stdio.h / stdio.c: Модуль форматированного вывода. Реализует функции printf, printf_colored и printf_at, которые напрямую взаимодействуют с драйвером экрана (screen.h), обеспечивая вывод текста в заданном месте и цвете.

• mem.h / mem.c: Менеджер памяти (кучи) ядра. Реализует динамическое выделение памяти внутри ядра.

  • Аллокатор: Использует алгоритм с разделением и слиянием свободных блоков памяти для минимизации фрагментации.

  • API: Предоставляет знакомые API: kmalloc, kfree, krealloc.

  • Отладка: Содержит функции для отладки и мониторинга состояния кучи: kmemdump, get_meminfo.

• math.h / math.c: Набор математических функций и алгоритмов, включая вычисление чисел Фибоначчи, бинарное возведение в степень, факториал и дискриминант.

• ctypes.h / ctypes.c: Полная реализация стандартных функций классификации и преобразования символов (isalpha, isdigit, toupper, etc.).

• kklibc.h: Главный заголовочный файл, который включает все модули библиотеки для удобства.

Философия дизайна:

• Самостоятельность: Библиотека минимально зависима от внешнего кода, что является обязательным требованием для кода ядра.
• Производительность над избыточностью: Функции реализованы с оглядкой на скорость и минимальный расход памяти, а не на абсолютную совместимость со стандартом.

KKLibc является живым, развивающимся проектом и продолжает обрастать новыми функциями и оптимизациями по мере развития самой Kintsugi OS. Развитие KKLibc напрямую связано с развитием Kintsugi OS. Каждый новый системный вызов, драйвер или компонент ядра будет опираться на ее надежное и эффективное API.

Планы на будущее

Для KKLibc

• Решение проблем с кучей: Текущая архитектура с двумя аллокаторами (kmalloc и pkmalloc) мощная, но требует доработки для полной стабильности. Основная задача — устранить все возможные scenarious повреждения кучи, особенно в моменты, когда kmalloc вызывает expand_heap, который, в свою очередь, через pkmalloc и alloc_frame запрашивает новые физические страницы. Необходимо тщательно протестировать это взаимодействие на предмет race condition и корректности обновления внутренних структур данных аллокатора.
• Внедрение кананингов (Canaries): Для отладки повреждения кучи планируется добавить механизм "канареек" — специальных значений, размещаемых вокруг выделенных блоков памяти. При освобождении памяти или в отладочной сборке будет проверяться целостность этих канареек, что позволит сразу обнаружить операции записи за пределами выделенного блока (buffer overflow).
• Отладочный аллокатор: Реализация специальной версии kmalloc, которая ведет логи всех операций выделения/освобождения памяти (с указанием размера, адреса и callstack'а). Это незаменимый инструмент для поиска утечек памяти (memory leaks) в ядре.
• Планировщик и синхронизация: Когда будет реализован планировщик задач и многозадачность, критически важным станет сделать аллокатор потокобезопасным. Это потребует добавления механизмов синхронизации (спинлоков или мьютексов) внутрь функций kmalloc и kfree.
• Поддержка пользовательского пространства: В будущем, когда появится разграничение на режим ядра и пользовательский режим, KKLibc будет разделена. Большая часть останется в ядре, а для пользовательского пространства будет создана отдельная, возможно, урезанная и более безопасная версия библиотеки.
• Оптимизация производительности: Постоянный процесс: переписывание ключевых функций (например, memcpy, memset) на ассемблере для максимальной скорости, внедрение более эффективных алгоритмов поиска свободных блоков памяти.
• Новые модули: По мере необходимости будут добавляться новые структуры данных (связные списки, хэш-таблицы), функции для работы со строками в кодировке UTF-8 и другие утилиты, требуемые развивающейся операционной системой.

Для ядра

• Улучшение терминального слоя:
  • Реализация истории команд
  • Поддержка вкладок и нескольких виртуальных терминалов
  • Цветовая палитра и темы
  • Поддержка мыши в текстовом режиме
• Файловые системы: Реализация FAT12 и ext2
• Многозадачность: Планировщик задач и механизмы IPC
• Пользовательский режим: Разграничение привилегий
• Сетевой стек: Базовая поддержка сетевых протоколов
• Графический интерфейс: Псевдографическая оболочка

Литература и источники

Ассемблер

• Зубков С. В. «Assembler для DOS, Windows и Unix»
• Введение в машинный код
• Программирование на ассемблере под DOS

Язык C

• Керниган Б., Ритчи Д. «Язык программирования C»
• Шилдт Г. «Полный справочник по C»
• C standard library for embedded systems

Операционные системы

• Таненбаум Э. «Современные операционные системы»
• Таненбаум Э. «Операционные системы: Разработка и реализация»
• OSDEV Wiki
• FlingOS™ Documentation

Архитектура ЭВМ

• Таненбаум Э. «Архитектура компьютера»
• Гук М. «Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия»

---

Также вы можете подробно просмотреть в документе DOCLINKS весь материал со ссылками.

Лицензия

KintsugiOS распространяется под лицензией MIT. Подробнее см. в файле LICENSE.

Вклад в проект

Приветствуются issues и pull requests. Перед внесением изменений пожалуйста:

1. Обсудите планируемые изменения в issue
2. Следуйте существующему кодстайлу
3. Добавляйте комментарии на русском языке
4. Тестируйте изменения в QEMU и Bochs

Благодарности

Особая благодарность сообществу OSDev и авторам учебных материалов, указанных в разделе "Литература и источники".

---

_{Название "Kintsugi" отсылает к японскому искусству восстановления керамики золотым лаком — метафора красоты в несовершенстве и постоянного развития.}