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M1 Macで始める「ゼロからのOS自作入門」- 第1章

自作OS

2021.07.24

どもです。

今回は、購入したまま積本となってしまっていた、2021年3月22日に発売された「ゼロからのOS自作入門」を、ついに進めて行こうかなと思って最近やっております。

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実は、「30日でできる! OS自作入門」も所持しているのですが、途中まで進めたまま最後までやりきれていなかったので、今回こそは最後まで進めるぞといった意気込みです。

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当初は、本著に従ってUbuntuで開発を進めていたのですが、やっぱりMacで開発したいなぁと思ってM1 Mac miniで開発を進めております。

環境

  • Mac mini (M1, 2020)
  • Mac OS 11.3
  • Apple clang version 12.0.5 (clang-1205.0.22.11)

1章 PCの仕組みとハローワールド

既に、先人の有志達が記事を上げて頂いておりますので、そちらも参考に進めさせて頂きました。

参考文献

MacでゼロからのOS自作入門をゼロから勉強中

Mac で始める「ゼロからのOS自作入門」

本著では、EFIファイルをバイナリエディタ「okteta」を使用していて、最初はUbuntuで行っていたのでそのまま使用して作成したのですが、それもMacで作成する場合は バイナリエディタ「0xED」をインストールすると良さそうです。

ということで、EFIファイルをバイナリエディタで作成したとして、(QEMUのインストール済みとして)

まずは、必要なものをHome Brewでインストール。

$ brew install dosfstools qemu llvm nasm binutils

LLVMのpathを通す。

# Intel Mac の場合
$ export PATH=/usr/local/opt/llvm/bin:$PATH

# Apple Silicon Mac の場合
$ export PATH=/opt/homebrew/opt/llvm/bin:$PATH

binutilsのpathを通す。

# Intel Mac の場合
$ export PATH=/usr/local/opt/binutils/bin:$PATH

# Apple Silicon Mac の場合
$ export PATH=/opt/homebrew/sbin:/opt/homebrew/opt/binutils/bin:$PATH

「QEMU」のエミュレータで実行していきたいので以下のコマンドを実行していきます。

  • 1.qemu-imgコマンドで200MBのからのファイルを作成、FAT形式でフォーマット
  • 2.disk.imgと言う名前のディスクイメージ作成
  • 3.マウント用のディレクトリ「mnt」を作成
  • 4.disk.imgをマウント
  • 5.ブートディレクトリ作成
  • 6.BOOTX64.EFIファイルをマウントしたdisk.imgに書き込む
  • 7.アンマウント → BOOTX64.EFIを含んだdisk.imgファイルを作成
$ qemu-img create -f raw disk.img 200M
$ mkfs.fat -n 'MIKAN OS' -s 2 -f 2 -R 32 -f 32 disk.img
$ mkdir -p mnt
$ hdiutil attach -mountpoint mnt disk.img
$ mkdir -p mnt/EFI/BOOT
$ cp BOOTX64.EFI mnt/EFI/BOOT/BOOTX64.EFI
$ hdiutil detach mnt

本著と異なるところは、「sudo mount〜」が「hdiutil attach -mountpoint〜」と言った形になる所ですね。

上記のコマンドがエラーも出ず、うまく行きましたら、「OVMF_CODE.fd」と「OVMF_VARS.fd」ファイルが必要となりますので、curlコマンドで取得します。

$ curl -O https://raw.githubusercontent.com/uchan-nos/mikanos-build/master/devenv/OVMF_CODE.fd
$ curl -O https://raw.githubusercontent.com/uchan-nos/mikanos-build/master/devenv/OVMF_VARS.fd

「QEMU」のエミュレータで実行するため以下のコマンド入力。

$ qemu-system-x86_64 -drive if=pflash,file=OVMF_CODE.fd -drive if=pflash,file=OVMF_VARS.fd -hda disk.img

すると、「Hello world!」の文字列確認。

上手く行きました。

C言語でハローワールド

対象となるC言語プログラムは以下の箇所。

https://raw.githubusercontent.com/uchan-nos/mikanos-build/master/day01/c/hello.c

こちらになります。

typedef unsigned short CHAR16;
typedef unsigned long long EFI_STATUS;
typedef void *EFI_HANDLE;

struct _EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL;
typedef EFI_STATUS (*EFI_TEXT_STRING)(
  struct _EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL  *This,
  CHAR16                                   *String);

typedef struct _EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL {
  void             *dummy;
  EFI_TEXT_STRING  OutputString;
} EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL;

typedef struct {
  char                             dummy[52];
  EFI_HANDLE                       ConsoleOutHandle;
  EFI_SIMPLE_TEXT_OUTPUT_PROTOCOL  *ConOut;
} EFI_SYSTEM_TABLE;

EFI_STATUS EfiMain(EFI_HANDLE        ImageHandle,
                   EFI_SYSTEM_TABLE  *SystemTable) {
  SystemTable->ConOut->OutputString(SystemTable->ConOut, L"Hello, world!\n");
  while (1);
  return 0;
}

上記のプログラムをClangとLLDを使ってコンパイル&リンクを行っていきます。

$ clang -target x86_64-pc-win32-coff -mno-red-zone -fno-stack-protector -fshort-wchar -Wall -c hello.c
$ lld-link /subsystem:efi_application /entry:EfiMain /out:hello.efi hello.o

エラーがなく成功すると、hello.efiファイルが生成されますので、機械語で実行したように、disk.imgをマウントして「BOOTX64.EFI」という名前のファイルでコピーします。

$ hdiutil attach -mountpoint mnt disk.img
$ cp hello.efi mnt/EFI/BOOT/BOOTX64.EFI
$ hdiutil detach mnt

「QEMU」のエミュレータで実行するため以下のコマンド入力。

$ qemu-system-x86_64 -drive if=pflash,file=OVMF_CODE.fd -drive if=pflash,file=OVMF_VARS.fd -hda disk.img

同じく、ウィンドウが立ち上がり、「Hello world!」の文字列が表示すれば成功。

というわけで、M1 Macでも自作OSの書籍を進められそうなので、このまま進めて行きたいと思います。

今回は、1章を実行するため、環境など簡略化してすすめたのですが、実は、このままだと第2章で躓いてしまうので、修正などが必要となってきます。

というのを次回 第2章にでもと。

ではではぁ。

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- Daisuke Takayama

MAD CITY 北九州市で生まれ育つ。20代はバンド活動に明け暮れ、ふと「webデザイナーになりたい。」と思い、デジタルハリウッド福岡校入学。卒業後、数々の賞を受賞、web業界をざわつかせる。
現在、主に、ゲーム制作中心に港区六本木界隈で活動中。

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