Introdução ao desenvolvimento de kernels de sistemas operacionais para a arquitetura x86

Abstract

Este trabalho tem como objetivo central analisar o funcionamento e o desenvolvimento de kernels de sistemas operacionais para a arquitetura x86, com o intuito de elucidar como os recursos computacionais são acessados e abstraídos para fornecer uma interface simplificada ao usuário e ao programador. Para concretizar este estudo, adotou-se uma abordagem prática baseada na análise de um kernel didático denominado BergOS, desenvolvido pelo autor em linguagens C e assembly para a plataforma IA-32, membro da família x86. A motivação reside na premissa de que conceitos teóricos complexos, como a separação entre espaços de kernel e usuário, só são satisfatoriamente compreendidos quando examinados em implementações reais, as quais são inerentemente dependentes da arquitetura do hardware. Com base em uma revisão bibliográfica que aborda tópicos sobre sistemas operacionais, arquitetura de computadores, programação assembly, entre outros, as partes do BergOS são analisadas minuciosamente. Começando pelo bootloader, que carrega o kernel na memória, passando pelo driver de VGA, que usa E/S mapeada na memória para se comunicar com o dispositivo de vídeo e renderizar caracteres na tela, até a definição e implementação da interface do emulador de terminal do BergOS, que fornece rotinas de alto nível, oferecendo uma camada de abstração para outras partes do kernel e programas aplicativos poderem escrever mensagens na tela sem se preocupar com os detalhes do hardware. A contribuição deste trabalho está no fato de ele se aprofundar na conexão inerente entre sistema operacional e hardware, não se limitando apenas ao campo teórico e abstrato, mas apresentando e analisando uma implementação real e simples dos conceitos. Mesmo abordando detalhes da arquitetura x86 em profundidade, ainda há aspectos importantes que não são estudados neste trabalho, como a separação de espaço de kernel e espaço de usuário, mecanismos de interrupção, entrada de dados com teclado e processos, que são ganchos para estudos futuros. A conclusão é que o estudo de sistemas operacionais deve vir acompanhado de um estudo de arquitetura de computadores, e que, apesar de sua simplicidade, o BergOS demonstra ser uma fonte interessante de exemplos práticos dos conceitos teóricos abstratos.

This work aims to analyze the operation and development of operating system kernels for the x86 architecture, in order to elucidate how computational resources are accessed and abstracted to provide a simplified interface for the user and programmer. To carry out this study, we developed a practical approach based on the analysis of a didactic kernel called BergOS, developed by the author in C and assembly languages for the IA-32 platform, a member of the x86 family. The motivation lies in the proposition that complex theoretical concepts, such as the separation between kernel and user spaces, are only satisfactorily understood when examined in real implementations, as these are indirectly dependent on the hardware architecture. Based on a literature review covering details about operating systems, computer architecture, assembly programming, among others, the parts of BergOS are meticulously verified. Starting with the bootloader, which loads the kernel into memory, moving on to the VGA driver, which uses memory-mapped I/O to communicate with the video device and render characters on the screen, and finally to the definition and implementation of the BergOS terminal emulator interface, which provides high-level routines, offering an abstraction layer so that other parts of the kernel and application programs can write messages to the screen without worrying about hardware details. The contribution of this work lies in its in-depth exploration of the inherent connection between operating system and hardware, not limiting itself to the theoretical and abstract field, but presenting and analyzing a real and simple implementation of the concepts. Even while addressing details of the x86 architecture in depth, there are still important aspects not covered in this work, such as the separation of kernel space and user space, interrupt mechanisms, keyboard input, and processes, which are hooks for future studies. The conclusion is that the study of operating systems should be accompanied by a study of computer architecture, and that, despite its simplicity, BergOS proves to be an interesting source of practical examples of abstract theoretical concepts.