OSとハードウェアについて

Question

少し大雑把な質問になるかもしれません....
ハードウェアからみたOSの構造が謎です。というのも、OSを入れる際ディスクを入れて入れますよね？あれでなぜOSが入るのかパソコンの内部構造がとても気になります。
自分は、プログラミング経験者で、もっと低いレイヤーを知りたいと思いアセンブリ言語を学びました。しかし、肝心の画面に出力したりするときはOSのシステムコールを読んでしまいハードウェアがなにをしているのかさっぱりわかりません。
また、CPUを作ると教本を読みアナログ回路でCPUの簡単な構造を把握しました。アセンブラのシステムコールを呼ばない基本的なpop pushなどの機能はハードウェアから理解しました。しかし、どうもOSの機能がハードウェアから理解できません。
少し質問がまとまっていないかもしれませんがよろしかお願いします。

Answer 1

コンピュータの原理を知りたいという、とても良い方向からアプローチしていると思います。
しかし、かなり長い道のりであることも事実です。がんばってください。

ハードウェアからみたOSの構造が謎です。というのも、OSを入れる際ディスクを入れて入れますよね？あれでなぜOSが入るのかパソコンの内部構造がとても気になります。

パソコンが起動するときに最初に実行するプログラムは OS のカーネルのプログラムではなく、ROMやフラッシュメモリに格納されている BIOSです。BIOSには基本的にキーボード、画面出力、CD−ROM、ハードディスクなどのI/Oルーチンとブートローダを起動する機能が含まれています。最近のBIOSはもっと高度になっており、BIOS自身の設定画面を開く機能や、マウスやネットワークまでアクセスできるようになっています。

それで、BIOSがどのようにCD-ROMやハードディスクからOSのプログラムを読み出して実行するかについては、歴史的な経緯がありますが、基本的にはIBMがPC-ATというパソコンの仕様を公開したところから始まって、現在は標準化されています。

参考：ブートコードの実行
参考：OSのようなもの

しかし、肝心の画面に出力したりするときはOSのシステムコールを読んでしまいハードウェアがなにをしているのかさっぱりわかりません。

システムコールを呼ぶとソフトウェア割り込みという仕組みで、カーネルのコードにジャンプするので普通のサブルーチンと異なるように見えるかもしれませんが、基本的に機械語を読みながらCPUがプログラムを実行するという構造には変わりありません。

CPUとI/Oデバイスとの間のやり取りについては、デバイスドライバやBIOSのコードで実行されるので、そちら側で何をしているかを見れば良いと思います。

参考：デバイスドライバに関する知識
参考：入出力システム

Comments

[eggpol]

少し前にバイナリエディタを使ってソフトウェアの根幹をしるということを試みました。しかしやっぱりOSのAPIのバイナリを知る必要があり、少し萎えてしまいました....
BIOS のコードということで、少し勉強してみようかと思いました....

[mit0223]

コンピュータの電源投入時にCPUが最初に実行する命令がどんなものか知りたいということでしょうか？ちょっとわたしもググってみましたが、

http://park12.wakwak.com/~eslab/pcmemo/boot/boot2.html

がかなり詳しいです。ここを参考にしながら BIOS のコードを逆アセンブルすることも可能かもしれませんが、さすがにそこまでは必要ないのではないかなとも思います。しかし、

http://www.exp.org/memorandum/memo03.html

とかを参考にやればできるかもしれません。

[mit0223]

あと、I/O の仕組みのほうは参考URLにあげたとおり、ポート マップド I/O か メモリ マップド I/O になるわけですが、それとハードウェアとの関係を知りたいということであれば、昔のワンボードマイコンを調べるというのも手かもしれません。現在のパソコンはチップセットと呼ばれるオールインワンの I/O モジュールでなんでもやってしまうので、わかりにくいですが、ワンボードマイコンの時代は小さな I/O 用のLSIがCPUに直結されていたので理解しやすいかもしれません。

https://ja.wikipedia.org/wiki/TK-80
https://www.amazon.co.jp/%E5%BE%A9%E6%B4%BB-TK%E2%80%9080-%E6%A6%8A-%E6%AD%A3%E6%86%B2/dp/4756134017

[eggpol]

非常に有益な情報ありがとうございます

頑張ってみようと思います！

Answer 2

’30日でできる! OS自作入門’という本が販売されています。
Amazon
まずはこんな本を読まれるのはどうですか？

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[eggpol]

図書館でチラッと見たことがあるのですがc言語でOSを記述していたように思います。高級言語でOSを構築していると解釈しましたが違うのでしょうか？

Answer 3

自分も勉強中ですが、
RaspberryPi
ベアメタル
で検索するといろいろ情報があります。

Comments

[eggpol]

私自身ラズパイといったマイコンを使ったことがあります。
arduinoを使って色々と制御したのですが、結局複雑なICや、コンデンサのインピーダンスの計算が入ってきたところでワケがわからなくなり今に至ります.....

Answer 4

アセンブラのI/O命令で周辺デバイスの制御をするところは学ばれましたか。ディスクからプログラムを読み込み実行するイメージができると思います。
その前段としてブートストラップ＝電源ONにしたとき、ROMからプログラムを読み込み最初になにをすべきか（ディスクを読む）などがわかれば、ご自分ですべてを作れるくらいのイメージができると思います。

Comments

[eggpol]

はい、IOに関しては学んだつもりですが抜けているかもしれません...
結局デバイスに組み込まれているcpuを理解しないとダメですよね？