64비트 멀티코어 OS 원리와 구조. 1

한승훈 지음

한빛미디어 2018년 10월 08일 출간 종이책 : 2011년 07월 04일 출간

작품소개

책소개

부트 로더에서 GUI까지, 운영체제의 모든 것을 직접 제작한다!

OS 개발 60일 프로젝트『64비트 멀티코어 OS 원리와 구조』제1권. 이 책은 저자가 직접 OS를 개발하면서 겪은 이야기를 개발 순서에 따라 정리한 것이다. 2년여 동안의 작업 과정을 빠짐없이 기록하여 부팅 과정부터 스케줄러, 동적 메모리 관리, 파일 시스템, GUI 시스템, 응용프로그램에 이르기까지 OS 전반에 걸친 내용을 모두 넣고자 하였다. 에뮬레이터 안에서 예제를 실습하기 때문에 간편하고, 복잡한 내용은 그림을 보면서 바로바로 설명해 이해하기 쉽다. 상세한 주석과 이해를 돕는 도해식 추가 설명이 소스 분석을 한층 더 쉽게 해준다.

목차

1부 OS 개발을 위한 힘찬 첫걸음

1장 시작하기 전에
1.1 들어가며
1.2 OS를 개발하는 과정에서 얻을 수 있는 세 가지
1.3 OS를 개발하는 데 필요한 지식
1.4 이 책의 주요 독자층
1.5 마치며

2장 OS 개발 환경을 구축하자
2.1 GCC 설치
2.1.1 Cygwin 설치
2.1.2 GCC 설치 확인과 테스트
2.2 크로스 컴파일러 만들기
2.2.1 GNU Binutils 생성하기
2.2.2 GCC 크로스 컴파일하기
2.3 NASM 설치
2.4 이클립스 설치
2.4.1 이클립스 설치하기
2.4.2 자바 런타임 환경 설치하기
2.4.3 이클립스 실행하기
2.5 QEMU 설치

3장 64비트 프로세서의 이모저모
3.1 운영 모드
3.1.1 64비트 OS가 갖추어야 할 필수 운영 모드
3.1.2 운영 모드 사이의 관계와 운영 모드의 전환
3.2 운영 모드와 레지스터
3.2.1 범용 레지스터
3.2.2 세그먼트 레지스터
3.2.3 컨트롤 레지스터
3.3 운영 모드와 메모리 관리 기법
3.3.1 리얼 모드의 메모리 관리 방식
3.3.2 보호 모드의 메모리 관리 방식
3.3.3 IA-32e 모드의 메모리 관리

4장 내 PC를 부팅하자
4.1 부팅과 부트 로더
4.1.1 부팅과 BIOS
4.1.2 부트 로더의 역할과 구성
4.2 부트 로더 제작을 위한 준비
4.2.1 이클립스 프로젝트 생성
4.2.2 MINT64 OS의 디렉터리 구조 생성
4.2.3 makefile 파일 생성
4.3 부트 로더 제작과 테스트
4.3.1 세상에서 가장 간단한 부트 로더
4.3.2 QEMU 실행
4.3.3 화면 버퍼와 화면 제어
4.3.4 세그먼트 레지스터 초기화와 Hello, World~!
4.3.5 부트 로더 테스트

5장 플로피 디스크에서 OS 이미지를 로딩하자
5.1 BIOS 서비스와 소프트웨어 인터럽트
5.2 OS 이미지 로딩 기능 구현
5.2.1 디스크 읽기 기능 구현
5.2.2 스택 초기화와 함수 구현
5.2.3 최종 부트 로더 소스 코드
5.3 테스트를 위한 가상 OS 이미지 생성
5.3.1 OS 이미지 통합과 QEMU 실행

2부 64비트 세상으로

6장 32비트 보호 모드로 전환하자
6.1 세그먼트 디스크립터 생성
6.1.1 코드 세그먼트 디스크립터와 데이터 세그먼트 디스크립터 타입 설정
6.1.2 세그먼트의 영역 설정
6.1.3 기본 오퍼랜드 크기와 권한 설정
6.1.4 기타 필드 설정
6.1.5 세그먼트 디스크립터 생성 코드
6.2 GDT 정보 생성
6.3 보호 모드로 전환
6.3.1 프로세서에 GDT 정보 설정
6.3.2 CR0 컨트롤 레지스터 설정
6.3.3 보호 모드로 전환과 세그먼트 셀렉터 초기화
6.3.4 보호 모드용 PRINTSTRING 함수
6.4 보호 모드용 커널 이미지 빌드와 가상 OS 이미지 교체
6.4.1 커널 엔트리 포인트 파일 생성
6.4.2 makefile 수정과 가상 OS 이미지 파일 교체
6.4.3 OS 이미지 통합 및 QEMU 실행

7장 C언어로 커널 작성하기
7.1 실행 가능한 C 코드 커널 생성 방법
7.1.1 빌드 조건과 제약 사항
7.1.2 소스 파일 컴파일 - 라이브러리를 사용하지 않는 오브젝트 파일 생성 방법
7.1.3 오브젝트 파일 링크 - 라이브러리를 사용하지 않고 특정 어드레스에서 실행 가능한 커널 이미지 파일 생성 방법
7.2 C 소스 파일 추가와 보호 모드 엔트리 포인트 통합
7.2.1 C 소스 파일 추가
7.2.2 보호 모드 엔트리 포인트 코드 수정
7.2.3 makefile 수정
7.3 커널 빌드와 실행
7.3.1 이미지 메이커 프로그램 작성
7.3.2 커널 이미지 생성과 실행

8장 A20 게이트를 활성화하여 1MB이상 영역에 접근해보자
8.1 IA-32e 모드 커널과 메모리 맵
8.2 IA-32e 모드 커널을 위한 메모리 초기화
8.2.1 메모리 초기화 기능 추가
8.2.2 빌드와 실행
8.3 1MB 어드레스와 A20 게이트
8.3.1 A20 게이트의 의미와 용도
8.3.2 A20 게이트 활성화 방법
8.4 A20 게이트 적용과 메모리 크기 검사
8.4.1 A20 게이트 활성화 코드 적용
8.4.2 메모리 크기 검사 기능 추가
8.4.3 빌드와 실행

9장 페이징 기능을 활성화하여 64비트 전환을 준비하자
9.1 선형 주소와 4단계 페이징 기법
9.2 페이지 테이블 구성과 공간 할당
9.2.1 64GB의 물리 메모리 관리를 위한 메모리 계산
9.2.2 페이지 테이블을 위한 공간 할당
9.2.3 공통 속성 필드 설정
9.2.4 페이지 디렉터리 엔트리용 속성 필드 설정
9.3 페이지 테이블 생성과 페이징 기능 활성화
9.3.1 페이지 엔트리를 위한 자료구조 정의와 매크로 정의
9.3.2 페이지 엔트리 생성과 페이지 테이블 생성
9.3.3 프로세서의 페이징 기능 활성화
9.4 보호 모드 커널에 페이지 테이블 생성 기능 추가
9.4.1 페이징 기능 관련 파일 생성
9.4.2 C 커널 엔트리 포인트 수정
9.5 빌드와 실행

10장 64비트 모드로 전환하자
10.1

책 속으로

저자 서문
목표를 향해 노력하는 모든 분들을 응원하며…
2008년 필자의 오랜 꿈이자 목표인 OS를 구상하던 무렵 듀얼코어 프로세서가 싱글코어 프로세서를 밀어내고 영역을 확장해 나갔습니다. 그 당시 필자도 듀얼코어 프로세서로 바꾼 지 얼마 되지 않았던 터라 쿼드코어 프로세서가 출시된다는 소식에 깜짝 놀랐던 기억이 납니다. 그런데 지금은 옥타코어 프로세서가 시중에 나와 있고, 스마트폰에도 듀얼코어 프로세서가 사용되고 있으니 기술의 발전 속도가 엄청난 것 같습니다.

64비트와 멀티코어 프로세서를 지원하는 OS를 만들겠다는 각오로 처음 시작할 때는 이렇게 책으로 나오리라고는 상상도 못했습니다. 필자가 취미로 진행하던 프로젝트들처럼 1차 결과물이 나오면 그대로 하드 디스크 한쪽에 보관할 예정이었습니다. 그런데 이런 생각은 뜬 눈으로 밤을 지새고 주말을 반납하면서 점점 바뀌어 갔습니다.

예상했던 것보다 벽은 훨씬 높았습니다. 할 수 있는 시도를 모두 하고도 결과가 좋지 않았을 때는 눈앞이 깜깜했습니다. 시행착오를 거듭할수록 OS를 만드는 일을 기록으로 남겨야겠다는 생각을 했고, 마침내 이렇게 책으로 나오게 되었습니다.

이 책은 필자가 직접 OS를 개발하면서 겪은 이야기를 개발 순서에 따라 정리한 것입니다. 기능별로 묶을 수도 있지만, 개발 순서를 택한 이유는 OS를 개발하는 데 힘든 점 중 하나가 다음에 무엇을 할지 방향을 결정하는 일이기 때문입니다. OS가 제공하는 기능은 아주 복잡하고 다양해 혼자서 모두 구현하기란 쉬운 일이 아닙니다. 어느 시점이 되면 개발할 기능을 선택하고 순서를 결정해야 하는데, 각 기능이 서로 영향
을 주고받으므로 결정하기가 매우 어렵습니다. 여러분이 선택의 기로에 섰을 때 필자가 먼저 간 길을 참고할 수 있기를 진심으로 바랍니다.

이 책의 내용을 정리하면서 가장 중요하게 여긴 것은 각 단계를 진행할 때 가장 힘들거나 실수하기 쉬운 부분을 놓치지 않게 주의를 기울이는 일입니다. 실제로 OS를 만들어본 경험이 있는 분이라면, 데이터 시트의 한쪽 구석에 있는 주의사항이나 코드 한 줄을 놓쳐서 온종일 고생한 경험이 있을 것입니다. 필자도 이런 일을 수도 없이 반복했기 때문에 여러분이 같은 실수를 반복하지 않도록 해야겠다고 마음먹었습니다.

또한 2년여 동안의 작업 과정을 빠짐없이 기록하여 부팅 과정부터 스케줄러, 동적 메모리 관리, 파일 시스템, GUI 시스템, 응용프로그램에 이르기까지 OS 전반에 걸친 내용을 모두 넣으려고 노력했습니다. OS 관련 서적을 여러 권 봤지만 어디서부터 시작해야 할지 막막하거나, 이유를 알 수 없는 오류로 더 이상 진행하지 못해 고민 중이라면 이 책이 여러분에게 도움이 될 것입니다. 책을 읽는 동안 의문사항이 생기거나
부족한 내용이 있다면 주저 없이 필자의 웹사이트(http://www.mint64os.pe.kr)나 이메일([e-mail])로 연락바랍니다.

출판사 서평

64비트 멀티코어 OS를 개발하면서 배우는 OS 원리와 구조

어떤 독자를 위한 책인가?
● 운영체제 제작에 관심이 있는 학생이나 개발자
● 임베디드 개발자, 시스템 프로그래머

부트 로더에서 GUI까지 운영체제의 모든 것을 직접 제작한다
누구나 따라하면 운영체제를 만들 수 있다. 주류로 자리잡은 64비트 멀티코어 운영체제를 직접 만들어볼 수 있다. 하드웨어 동작 원리를 익힐 수 있으며, 각 장에는 완성된 소스 코드를 제공한다.
독자가 이해할 수 없는 심오한 설명은 배제했으며, 자신만의 비밀 노하우나 회사에 쓰인 기술이라 공개할 수 없다는 변명 없이 64비트 멀티코어 운영체제 제작의 노하우를 모두 공개했다.
자신이 직접 만든 도구 등은 일체 사용하지 않고 이클립스, Cygwin, gcc, nasm, qemu 등의 오픈소스를 이용해서 운영체제를 제작했다.
운영체제 제작을 통해 하드웨어와 운영체제의 동작 원리를 이해할 수 있으며, 운영체제에 쓰인 알고리즘, 자료구조 학습을 통해 깊이 있는 C 언어 프로그래밍을 접해볼 수 있다.
32비트 윈도에서도 64비트 gcc 크로스 빌드, QEMU를 사용해 64비트 운영체제를 제작할 수 있게 했다. 윈도 XP 이상이면 누구나 제작해볼 수 있다.

도서 특징
* OS에 관심이 있는 분이라면 누구라도 OS를 만들 수 있다
OS 제작이 처음이어도 전혀 걱정할 필요가 없다. 어셈블리어를 잘 몰라도, C 언어의 포인터를 잘 몰라도, 하드웨어 명세서를 잘 몰라도 운영체제 제작에 도전할 수 있게 배려했다. 부트 로더에서 GUI까지 여러분이 꼭 알아야 하는 부분만 정리한 뒤 상세한 설명을 덧붙였다. 한 장 한 장 따라가다보면 어느새 멋진 OS가 동작하고 있을 것이다. 그동안 어셈블리어나 PC 하드웨어의 벽에 부딪혀 번번히 실패했다면 이 책이 여러분에게 새로운 방향을 제시해 줄 것이다.

* 자작 OS도 아름다울 수 있다
자작 OS는 검은색 바탕에 흰색 글자만 표시한다는 편견에서 벗어나자. GUI 환경까지 직접 개발해 멋지고 아름다운 OS를 제작한다.

* 64비트 모드와 멀티코어의 비밀을 모두 공개한다
64비트 모드와 멀티코어는 모두 프로세서와 관련이 있다. 프로세서의 동작 방식은 데이터 시트에 모두 공개되어 있지만, 내용이 흩어져 있고 복잡하여 이해하기가 어렵다. 이 책에서는 OS 개발에 필요한 핵심 부분만 모아서 정리했다.

* 1권의 주요 내용
ㆍOS 개발 환경 구축
ㆍ부트스트랩 코드 제작
ㆍ32비트 보호 모드로 전환
ㆍ64비트 모드로 전환
ㆍC언어로 커널 작성하기
ㆍ키보드 디바이스 드라이버 추가
ㆍ인터럽트 처리
ㆍPIC 컨트롤러 제어
ㆍ콘솔 셸 제작
ㆍ타이머 디바이스 드라이버 추가
ㆍ멀티태스킹 구현
ㆍ라운드 로빈 스케줄러 추가
ㆍ멀티레벨 큐 스케줄러 제작
ㆍ태스크 간의 동기화 처리
ㆍ멀티스레딩 기능 추가
ㆍ실수 연산 기능 추가
ㆍ메모리 할당과 버디 블록 알고리즘
ㆍ하드 디스크 디바이스 드라이버 추가
ㆍMINT 파일 시스템 구현
ㆍC 표준 입출력 함수 구현
ㆍ캐시와 램 디스크 추가
ㆍ시리얼 포트 디바이스 드라이버와 통신
ㆍMP 설정 테이블과 멀티코어
ㆍAPIC와 대칭 I/O 모두 구현

작가정보

저자(글) 한승훈

저자 한승훈은 프로그래밍을 밥 먹듯 하고 의자에 오래 앉아 있는 것이 유일한 특기인 열혈 개발자다. 특기를 살려 밤낮없이 프로그래밍에 열중하며, 늘 새로운 것을 찾아 여러 분야를 기웃거린다. SI 회사에서 서버와 클라이언트 프로그램을 개발했고, 현재는 임베디드 시스템의 펌웨어를 개발 중이다.