Linux起動を「理解する」ための自作OS ― UmuOS 0.1.1 設計と実装

はじめに

お疲れ様です。
10日間のお正月休みももうすぐ終わりですねーー。
私は、自作OSである、UmuOS0.1.1を必ず完成させようとお正月休みを楽しみにしていました！
上手く、事が運び、一旦完成で、今後のユーザーランド部分の開発や、UmuOS0.1.2とか機能拡張のベースOSとして
利用する予定です。
AIの Copilot(通称：ぴこたん)と GitHub Copilot(通称：ぴこぴん)と共に 相談、実装・トライ＆エラー・レビューを
繰り返しながらなんとか実装できました。

以前から自作OSには興味があり、色々書籍を参考にしましたが、中々高度で、私には、スッと頭に入ってこなかったです。
おそらく、挫折した方もいらっしゃると思います。
今回のUmuOS0.1.1は、すでに完成した記事を投稿させて頂きましたが、説明書？的なものも必要かと思い、教科書的な？感じで
作りましたので、是非参考になればなーーーと思いました。
試行錯誤の最終として、失敗して分かったことや、ハマる処理とか、記載しましたので、参考にどうぞ！

※ 本記事は「Linuxを普段使っているが、起動の中身までは理解していなかった方」や
「自作OSに興味はあるが、どこから手を付けてよいか分からなかった方」を主な対象としています。

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開発体制

本プロジェクトは、主に次の「1人 + AIツール」で進めました。

• 私（リーダー）：設計・実装・検証・レビュー
• Copilot（通称：ぴこたん）：全体の相談、進め方の整理、文章の構成検討
• GitHub Copilot（通称：ぴこぴん）：技術相談、実装のアドバイス、レビュー観点の補助

この体制で「設計 → 実装 → レビュー → 思考整理」を何度も往復しながら進めました。
<重要> AIに手伝ってもらったが、設計・実装・レビューは、本当にトライ＆エラーの連続です。何度もハマりました

また、今回 AI と共同で開発を進めて強く感じたのは、
「設計段階でのレビューが最も重要である」 という点です。
実装フェーズで AI に助けてもらうことは多々ありましたが、
設計が曖昧なまま進めると、後から必ず手戻りが発生しました。
設計フェーズ（基本設計、詳細設計）は、人の手でレビューしないと、かなり厳しい印象でした！
逆に、設計を言語化し、前提条件や非目的を明確にした上でレビューを行うことで、
AI とのやり取りも格段にスムーズになりました。

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リポジトリ（git clone すれば全部あります）

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研究開発環境

開発端末

• MiniPC (MEM 32GB)
• CPU: 12th Gen Intel(R) Core(TM) i9-12900HK (2.50GHz)
• OS: Windows 11 Pro (25H2)
• エディタ: Visual Studio Code 1.107.1

開発形態

• 上記、Windows 11 Pro 25H2マシンから自宅サーバー(RocyLinux9.7)上に仮想マシン（Ubuntu24.04LTS）にSSH接続して開発
• ビルド、ISO作成、disk.img 等、且つ QEMU 実行環境は、すべてUbuntu24.04LTSで完結
• 自宅サーバー：富士通 PRIMERGY（Xeon / MEM 32GB）仮想化基盤：QEMU-KVM

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ドキュメント成果物

• README.md
• 01-導入（目的・非目的・用語の地図）.md
• 02-成果物（何がどこにありどの段階が参照するか）.md
• 03-起動フロー全体（UEFI→GRUB→kernel→initramfs→switch_root）.md
• 04-GRUB設定とカーネル引数（root=UUID, console 等）.md
• 05-kernel側の成立条件（devtmpfs, initrd, ext4, virtio-blk）.md
• 06-initramfs設計（何を入れて何を捨てるか）.md
• 07-initramfsの_init実装（init.c を教科書として読む）.md
• 08-switch_root後のユーザーランド（sbin-init, inittab, rcS）.md
• 09-永続ディスクdisk.img（作成・UUID・中身）.md
• 10-ISO作成（iso_root と grub-mkrescue）.md
• 11-QEMU起動と観測（umuOSstart.sh と ttyS0）.md
• 12-再現手順（ビルド→起動→永続性確認）.md
• 13-トラブルシュート（よくある詰まりどころ）.md
• 14-用語集（最小の言葉で最大の説明）.md
• 15-基本設計書-0.1.1.md
• 16-詳細設計-0.1.1.md
• 17-実装ノート0.1.1.md

最後に

普段LinuxやWindowsを使っていると、あまり気にしていなかった起動のメカニズムが、分かりました。
C言語も重要ですが、shellの理解も重要と思いました。
今後は、Coreutilsのコマンド解析をしながら、UmuOSに環境依存した、汎用的でないコマンドの本質を探りながら
実装していくことと、OSそのものの理解を深め、機能を追加し0.1.1、0.1.2とバージョンを上げていければ
楽しいかなーーと思いました。
本記事やドキュメントが、「OSはブラックボックスではない」と感じるきっかけになれば幸いです。

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