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Day 1

あくあ Advent Calendar 2025

@Aqua-218(Aqua)inデジタル創作サークルUniProject

令和にCでOS書く狂人の記録 Part1 - VGA出力とMultiboot

Last updated at Posted at 2025-12-12

シリーズ一覧

Part タイトル 内容
Part1 令和にCでOS書く狂人の記録 本記事
Part2 アセンブリとCの橋渡し リンカスクリプト
Part3 メモリ管理とmalloc 動的メモリ
Part4 printfを自作する フォーマット出力
Part5 Rustで書き直したくなった 移行検討

はじめに

「令和にもなってCでOS書くとか、頭おかしいんじゃない？」

うん、おかしいかもしれない。Rustがある。Zigがある。でも、Cで書きたいんだ。

なぜなら：

  • 教科書的なOS本はだいたいC（またはC++）
  • メモリの挙動が直接見える
  • 「なんでこのコード動くの？」が全部わかる
  • 何より楽しい

ということで、令和の世にCでOSを書く狂人の記録、始まります。

開発環境

- WSL2 (Ubuntu 22.04)
- GCC (gcc-multilib)
- NASM (アセンブラ)
- QEMU (エミュレータ)
- GRUB (ブートローダー)

sudo apt install gcc-multilib nasm qemu-system-x86 grub-pc-bin grub-common

プロジェクト構成

~/c-os/
├── boot/
│   └── boot.asm      # エントリポイント（アセンブリ）
├── src/
│   └── kernel.c      # カーネル本体
├── linker.ld         # リンカスクリプト
└── build.sh          # ビルドスクリプト

Multibootって何？

GRUBからカーネルを起動するための規格。カーネルの先頭に「マジックナンバー」を置いておくと、GRUBが「お、これカーネルだな」と認識してくれる。

Multiboot Header:
┌──────────────────────────────────────┐
│ Magic Number (0x1BADB002)            │
├──────────────────────────────────────┤
│ Flags                                │
├──────────────────────────────────────┤
│ Checksum (magic + flags + checksum = 0) │
└──────────────────────────────────────┘

ブートローダー（アセンブリ部分）

カーネルのエントリポイントはアセンブリで書く。Cから始めることもできるけど、スタックの初期化とかはアセンブリのほうが確実。

boot/boot.asm
; Multiboot header for GRUB
MBALIGN  equ 1 << 0            ; ページ境界アライメント
MEMINFO  equ 1 << 1            ; メモリ情報を要求
FLAGS    equ MBALIGN | MEMINFO
MAGIC    equ 0x1BADB002        ; Multibootマジックナンバー
CHECKSUM equ -(MAGIC + FLAGS)  ; チェックサム（合計が0になるように）

section .multiboot
align 4
    dd MAGIC
    dd FLAGS
    dd CHECKSUM

section .bss
align 16
stack_bottom:
    resb 16384  ; 16KB のスタック領域を確保
stack_top:

section .text
global _start
extern kernel_main

_start:
    ; スタックポインタを設定
    mov esp, stack_top
    
    ; Cのカーネルメイン関数を呼び出し
    call kernel_main
    
    ; カーネルから戻ってきたら停止
    cli
.hang:
    hlt
    jmp .hang

ポイント：

  • _start がエントリポイント（リンカスクリプトで指定）
  • スタックは .bss セクションに確保（初期化不要）
  • kernel_main を呼んだ後は hlt で停止

カーネル本体（C言語）

ここからがCの世界！

src/kernel.c
// kernel.c - 令和に書くCのカーネル

// VGAテキストモードのアドレス
// 0xB8000 はVGAテキストバッファの物理アドレス
volatile unsigned short* vga_buffer = (unsigned short*)0xB8000;
int cursor_x = 0;
int cursor_y = 0;

// VGA色定義
enum vga_color {
    VGA_BLACK = 0,
    VGA_BLUE = 1,
    VGA_GREEN = 2,
    VGA_CYAN = 3,
    VGA_RED = 4,
    VGA_MAGENTA = 5,
    VGA_BROWN = 6,
    VGA_LIGHT_GREY = 7,
    VGA_DARK_GREY = 8,
    VGA_LIGHT_BLUE = 9,
    VGA_LIGHT_GREEN = 10,
    VGA_LIGHT_CYAN = 11,
    VGA_LIGHT_RED = 12,
    VGA_LIGHT_MAGENTA = 13,
    VGA_YELLOW = 14,
    VGA_WHITE = 15,
};

VGAテキストモードの仕組み

VGAテキストモードでは、画面上の各文字は2バイトで表現される：

1文字 = 2バイト
┌────────────────┬────────────────┐
│ 属性 (1byte)   │ 文字 (1byte)   │
├────────────────┼────────────────┤
│ BBBB FFFF      │ ASCII code     │
└────────────────┴────────────────┘
  背景色  前景色

画面サイズ: 80列 × 25行 = 2000文字 = 4000バイト

画面クリアと文字出力

// 画面クリア
void clear_screen(void) {
    for (int i = 0; i < 80 * 25; i++) {
        // 背景=黒、前景=白、文字=スペース
        vga_buffer[i] = (VGA_BLACK << 12) | (VGA_WHITE << 8) | ' ';
    }
    cursor_x = 0;
    cursor_y = 0;
}

// 1文字出力
void putchar(char c) {
    if (c == '\n') {
        cursor_x = 0;
        cursor_y++;
    } else {
        int index = cursor_y * 80 + cursor_x;
        vga_buffer[index] = (VGA_BLACK << 12) | (VGA_LIGHT_GREEN << 8) | c;
        cursor_x++;
        if (cursor_x >= 80) {
            cursor_x = 0;
            cursor_y++;
        }
    }
    
    // スクロール処理
    if (cursor_y >= 25) {
        // 1行分上にずらす
        for (int i = 0; i < 80 * 24; i++) {
            vga_buffer[i] = vga_buffer[i + 80];
        }
        // 最終行をクリア
        for (int i = 80 * 24; i < 80 * 25; i++) {
            vga_buffer[i] = (VGA_BLACK << 12) | (VGA_WHITE << 8) | ' ';
        }
        cursor_y = 24;
    }
}

// 文字列出力
void print(const char* str) {
    while (*str) {
        putchar(*str++);
    }
}

カーネルメイン

// カーネルメイン
void kernel_main(void) {
    clear_screen();
    
    print("=====================================\n");
    print("  C-OS: Written in C, Running Wild\n");
    print("  Version 0.1.0\n");
    print("=====================================\n");
    print("\n");
    print("Hello from the kernel!\n");
    print("This OS is written in pure C.\n");
    print("\n");
    print("Features:\n");
    print("  - VGA text mode output\n");
    print("  - Multiboot compliant\n");
    print("  - Running on bare metal\n");
    print("\n");
    print("Kernel initialized successfully.\n");
    
    // 無限ループ
    while (1) {
        __asm__ volatile ("hlt");
    }
}

リンカスクリプト

アセンブリとCのオブジェクトファイルを結合するためのルール：

linker.ld
ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    /* カーネルは1MBから配置（下位メモリはBIOSが使用） */
    . = 1M;

    /* テキストセクション（コード） */
    .text BLOCK(4K) : ALIGN(4K)
    {
        *(.multiboot)   /* Multibootヘッダを先頭に */
        *(.text)
    }

    /* 読み取り専用データ */
    .rodata BLOCK(4K) : ALIGN(4K)
    {
        *(.rodata)
    }

    /* 初期化済みデータ */
    .data BLOCK(4K) : ALIGN(4K)
    {
        *(.data)
    }

    /* 未初期化データ（BSS） */
    .bss BLOCK(4K) : ALIGN(4K)
    {
        *(COMMON)
        *(.bss)
    }
}

ポイント：

  • . = 1M でカーネルを1MBの位置に配置
  • .multiboot を先頭に（GRUBが認識できるように）
  • 4KB境界でアライメント（ページングのため）

ビルドスクリプト

build.sh
#!/bin/bash
set -e

echo "=== Building C-OS ==="

# アセンブル
echo "[1/4] Assembling boot.asm..."
nasm -f elf32 boot/boot.asm -o boot/boot.o

# コンパイル
echo "[2/4] Compiling kernel.c..."
gcc -m32 -ffreestanding -fno-pie -c src/kernel.c -o src/kernel.o -Wall -Wextra

# リンク
echo "[3/4] Linking..."
ld -m elf_i386 -T linker.ld -o c-os.bin boot/boot.o src/kernel.o

# 確認
echo "[4/4] Verifying multiboot..."
if grub-file --is-x86-multiboot c-os.bin; then
    echo "Multiboot confirmed!"
else
    echo "ERROR: Not multiboot compliant"
    exit 1
fi

echo ""
echo "=== Build successful! ==="
echo "Run with: qemu-system-i386 -kernel c-os.bin"

GCCのオプション解説：

  • -m32: 32ビットコード生成
  • -ffreestanding: 標準ライブラリなし
  • -fno-pie: 位置独立実行ファイルを無効化
  • -Wall -Wextra: 警告を厳しく

ビルドと実行

$ cd ~/c-os
$ chmod +x build.sh
$ ./build.sh

=== Building C-OS ===
[1/4] Assembling boot.asm...
[2/4] Compiling kernel.c...
[3/4] Linking...
[4/4] Verifying multiboot...
Multiboot confirmed!

=== Build successful! ===
Run with: qemu-system-i386 -kernel c-os.bin

QEMUで実行：

$ qemu-system-i386 -kernel c-os.bin

画面にこんな感じで表示される：

=====================================
  C-OS: Written in C, Running Wild
  Version 0.1.0
=====================================

Hello from the kernel!
This OS is written in pure C.

Features:
  - VGA text mode output
  - Multiboot compliant
  - Running on bare metal

Kernel initialized successfully.

動いた！ 緑色の文字で表示されてるはず。

なぜCなのか（改めて）

正直、Rustで書いたほうが安全だし、最近の自作OS界隈はRust派が多い。でも：

  1. デバッグがわかりやすい - ポインタの中身が直接見える
  2. リソースが多い - 古い本も参考にできる
  3. 「なぜ動くか」がわかる - 抽象化が少ない
  4. 達成感 - 危険と隣り合わせで動かす緊張感

あと、Cで一度作っておくと、Rustに移植するときに「あ、Rustのこの機能はCのこれを安全にしたやつか」ってわかるようになる。

まとめ

Part1では、最小限のカーネルを作った：

  • Multibootヘッダ - GRUBから起動できるように
  • ブートストラップ - スタック初期化してCに制御を渡す
  • VGA出力 - 画面に文字を表示

次回Part2では、リンカスクリプトをもっと詳しく見て、アセンブリとCの連携を深掘りします。

次回: アセンブリとCの橋渡し、リンカスクリプト編 Part2

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