30日目のはりぼてOSが動作するx86エミュレータを実装してみた。(感想)

自作OS Advent Calendar 2021の5日目

x86エミュレータのソースコードを公開していますので、見てくれると嬉しいです…

去年からたま~にプライベートリポジトリで作っていたんですけど、新たなリポジトリで1から開発を始めました。だから、末尾に2がついてます。世の中には、偉大な先人たちによる多くのx86エミュレータが存在します。ですが、車輪の再発明を行うことにしました。夢があって、Jit化してサクサクはりぼてOSを動かしたいんです。そのために取り敢えずx86エミュレータを開発してみようかなと。ここからは、だらだらと感想文を書いていきます。

開発したx86エミュレータについて

30日でできる! OS自作入門で実装するOSを自作x86エミュレータで動かしています。30日目のアプリが音アプリ以外動きます。

30日でできる! OS自作入門のbballアプリが動作した時は、感動しました。

アプリがいっぱい動きます。timerをエミュレートしているので、マルチタスクをOSが実装できるようになっています。

gviewアプリが動作した時は嬉しかった。。。
※gviewアプリとは、はりぼてOSで登場するjpg形式の画像を表示するアプリ

せっかくなので、手元にある画像も表示させてみた。

※マリオは僕の手元にあるスクショで、それをフロッピーディスクイメージに付け足したものです。おおーとなりました。(小並感)

特徴

1.SDL2.0という互換性の高いGUIライブラリを使用(クロスプラットフォームのはず。Macでしか動作確認していない。) 2.リアルモードから起動(ただし、現時点ではBIOSはエミュレートされているだけで、リアルモードからプロテクトモードに移行するプログラムしか実行できません。いずれ変更したいです。) 3.2種類の解像度をサポート、リアルモードでBIOSのサービスにより動的に変更可能(320x200と640x400) 4.[30日でできる! OS自作入門 川合 秀実](https://www.amazon.co.jp/30%E6%97%A5%E3%81%A7%E3%81%A7%E3%81%8D%E3%82%8B-OS%E8%87%AA%E4%BD%9C%E5%85%A5%E9%96%80-%E5%B7%9D%E5%90%88-%E7%A7%80%E5%AE%9F/dp/4839919844/ref=sr_1_2?__mk_ja_JP=%E3%82%AB%E3%82%BF%E3%82%AB%E3%83%8A&keywords=OS%E8%87%AA%E4%BD%9C&qid=1638354100&s=books&sr=1-2)の1日目から実行可能で、30日目のharib27dまで動作可能(ただしアプリケーションの保護はまだ未実装です。CPUはアプリケーションの暴走を見逃します。)

x86エミュレータを実装する際に注意したいこと

異なる特権レベル間でのスタック切り替え

異なる特権レベル間でのJmp命令やCALL命令には注意が必要です。この場合、スタックポインタやスタックセグメントの入れ替えをCPU側で行う必要があります。実はx86では、TSS領域を利用します。TSSはマルチタスクのために存在しているというイメージがあるかもしれませんが、スタックの入れ替えにも利用されます。同じTSSを維持した状態での異なるセグメント間移動でも、TSSは利用されてます。意外とここを知らない人は多いのではないでしょうか?[30日でできる! OS自作入門](https://www.amazon.co.jp/30%E6%97%A5%E3%81%A7%E3%81%A7%E3%81%8D%E3%82%8B-OS%E8%87%AA%E4%BD%9C%E5%85%A5%E9%96%80-%E5%B7%9D%E5%90%88-%E7%A7%80%E5%AE%9F/dp/4839919844/ref=sr_1_2?__mk_ja_JP=%E3%82%AB%E3%82%BF%E3%82%AB%E3%83%8A&keywords=OS%E8%87%AA%E4%BD%9C&qid=1638354100&s=books&sr=1-2)のアプリ開発の章に突入した時は思い出してください。

struct _Tss{
	uint32_t backlink, esp0, ss0, esp1, ss1, esp2, ss2, cr3;
	uint32_t eip, eflags, eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi;
	uint32_t es, cs, ss, ds, fs, gs;
	uint32_t ldtr, iomap;
}__attribute__((__packed__));

僕のリポジトリから、TSS構造体を引っ張ってきました。上を見ると、esp0やss0やesp2という変数があります。espとssの後の番号の意味は、ジャンプ先の特権レベルの番号を表しています。アプリケーションからシステムに制御が移るときに、システムの特権レベルiに該当するespiとssiをESPとSSにロードしていきます。 3がない理由ですが、必要ないからです。システムがクラッシュしないためのスタック領域なので、特権レベル3用の変数は要りません。アプリケーションでスタックを使い尽くした状態で、OSに制御が移ると、OSはクラッシュします。ちなみに、30日でできる! OS自作入門ではesp0とss0しか利用しません。特権レベル0と3しか利用しないからですね。

※同じ特権レベル間での移動はCSとEIPの入れ替えを行うだけなので、実装は簡単です。30日でできる! OS自作入門ではアプリ開発の章に進むまでは、気にしなくていいです。むしろ考えない方が挫折せずに済むし、継続して開発ができます。細かく考えると独学で開発を進める性質上、挫折します。

今後やりたいこと

• x86用JITコンパイラ
• フロッピーディスクコントローラのエミュレート
• FreeDOS(16bit)を動かす
• wasm化
• 自作OSを自作x86エミュレータ上で動かす
• リファクタリング

x86エミュレータ用のJITコンパイラを作りたいです。これが何よりもやりたいことです…先月、Jitファミコンエミュレータを開発してみました。ズルしたJitファミコンエミュレータです。1フレームしか描画しないので、ズルしてます。32bit機械語を利用して、Jit化したために、手元に32bitSDLライブラリがなかったんです。1フレーム用意して、別64bitGUIプログラムに、そのフレームを渡して描画するという仕組みです。今後x86エミュレータをJIT化したく、その為の練習としてファミコンエミュレータをJIT化してみました。けど、x86エミュレータをJit化するためには、x64のアセンブリ言語に慣れないと作れなそうです…先は長い…フロッピーディスクについては、以前にフロッピーディスクドライバを実装した経験があるので、多分なんとかなると思います。wasm化できたら、やりたいことがあるんです。cssを利用して、レトロなパソコンを描画して、ディスプレイ部分に僕のエミュレータを埋め込みたいです。そして、フロッピーディスクが動いているときは、「ガチャガチャ」と音が鳴るみたいなやつ作りたいです。 リファクタリングしたい理由は、察してください。

エミュレータを実装する際に読むべき本

よくありがちな書籍しか並ばないです。ごめんなさい。どの記事でも登場するということは、それだけ価値のある本だと言えるかもしれません。

はじめて読む486―32ビットコンピュータをやさしく語る 蒲地 輝尚
->いきなりintelの仕様書を読んでも挫折します。まずはx86のことを勉強したいなら、これを読むといいです。これなぜか絶版なんですよね。なんで絶版なんでしょうか? 中古もしくは電子媒体のみです。僕は運よく中古が手に入りました。

30日でできる! OS自作入門 川合 秀実
->30日間かけて、インクリメンタルにOSを開発していく本ですね。1週目はOS自作に2週目はx86エミュレータ自作に利用できます。つまり、実質半額です。この本がきっかけで、低レイヤに興味を持ちました。当時はワクワクして読んでいました。初めてポケモンというゲームを遊んだ時のワクワク感と似てます。

自作エミュレータで学ぶx86アーキテクチャ-コンピュータが動く仕組みを徹底理解!
内田公太 、 上川大介
->この本はx86エミュレータ入門書です。この本はエミュレータ自作してみようか迷っている人の背中を押してくれる本です。この本、めちゃくちゃ分かりやすいのでお勧めです。意図的なのかどうか知りませんが、この本はページ数が少ないです。なので、読破しやすくまずはこちらの本を読むといいかもしれません。こちらの本もワクワクして読みました。

ゼロからのOS自作入門 内田 公太
->今回のエミュレータ自作と関係ないのですが、64bit版エミュレータを作るには打ってつけの本ではないかと思います。私はまだ読んだことありませんが、この本は1週目はOS自作に、2週目はエミュレータ作りに利用すると良いかもです。UEFI BIOSが絡んでくるので、いきなりOSの先頭から起動するようにしたほうがいいかもです。だから、OSのファイルフォーマットを解析して、先頭の番地を求め、そこから起動すれば、多分動くのではないでしょうか?ということで、こちらの本も2周できるので実質半額です。

終わりに

何かコメントを気軽にください。

実装したx86エミュレータのリポジトリ