100日チャレンジ day60（独自OS、スケジューラー、仮想メモリ管理、自作シェル、デーモン管理）

昨日

https://zenn.dev/gin_nazo/scraps/2945f0901f44aa
https://blog.framinal.life/entry/2025/04/14/154104
100日チャレンジに感化されたので、アレンジして自分でもやってみます。

 やりたいこと世の中のさまざまなドメインの簡易実装をつくり、バックエンドの実装に慣れる(dbスキーマ設計や、関数の分割、使いやすいインターフェイスの切り方に慣れる
設計力(これはシステムのオーバービューを先に自分で作ってaiに依頼できるようにする
生成aiをつかったバイブコーティングになれる
実際にやったことはzennのスクラップにまとめ、成果はzennのブログにまとめる(アプリ自体の公開は必須ではないかコードはgithubにおく)

 できたもの
https://github.com/lirlia/100day_challenge_backend/tree/main/day60_mini_os

riddle_tec

独自OS を作る
リベンジ。今回は Claude Sonnet 4 を使う

riddle_tec

 Day60 - Mini OS with Shell Implementation Progress
 プロジェクト概要QEMUで動作する独自OSを実装。独自シェルをユーザーモードで動作させることが目標。

 技術スタック
言語: C言語 + inline assembly (x86-32bit)

エミュレータ: QEMU

ビルド: Makefile + GCC cross-compiler (x86_64-elf-gcc)

確認方法: QEMUシリアル出力をファイル保存 → read_file で確認

メモリ管理: ビットマップベースのページフレームアロケータ

 作業工程と完了状況
 ✅ Phase 1: Bootloader (Multiboot)
 Multiboot header implementation

 Basic kernel entry point

 32-bit protected mode setup

 Basic memory detection

 ✅ Phase 2: Kernel basics (printf, panic, strings)
 VGA text mode driver

 kernel_printf implementation

 Basic string functions (strlen, strcmp, memcpy, memset)

 Panic and halt functionality

 ✅ Phase 3: Physical memory (256MB, page allocator)
 Memory manager initialization

 Page allocator (4KB pages)

 256MB memory support with fallback

 Bitmap-based page tracking (65536 pages)

 Memory allocation/deallocation testing

 Page marking for kernel sections

 ✅ Phase 4: Process management (PID, scheduler, context switch)
 Process Control Block (PCB) structure

 Process creation and management

 Basic round-robin scheduler

 Context switching (assembly implementation)

 8KB stack allocation per process

 Process listing and state management

 ✅ Phase 5: Interrupt processing (IDT, PIC, exception handlers)
 Interrupt Descriptor Table (IDT) setup

 Exception handlers (division error, GP fault, page fault)

 PIC (Programmable Interrupt Controller) initialization

 Basic interrupt stubs (assembly)

 System call infrastructure (int 0x80)

 Timer interrupt framework (disabled for stability)

 ✅ Phase 6: Virtual memory foundation (paging structures, mapping functions)
 Paging structures (page directory, page tables)

 2-level paging system (4GB virtual address space)

 Page mapping/unmapping functions

 TLB management and page invalidation

 Memory protection flags

 Virtual memory foundation complete (initialization pending)

 ✅ Phase 7: User mode foundation (privilege levels, GDT, TSS)
 User mode structures and definitions

 GDT (Global Descriptor Table) setup framework

 TSS (Task State Segment) structure

 Privilege level management (Ring 0/Ring 3)

 System call handler registration

 User mode transition framework

 ✅ Phase 8: Keyboard input and shell foundation
 Keyboard driver implementation

 PS/2 keyboard controller support

 Scancode to ASCII conversion

 US keyboard layout mapping

 Shift key support

 Input buffer management (256 chars)

 IRQ1 interrupt handling

 Shell program foundation

 Command parsing and execution

 Basic commands (help, version, memory, uptime, exit)

 System call interface (write, getchar, exit)

 Interactive command line structure

 Integration testing

 Kernel mode shell execution

 System information display

 All subsystems operational verification

 ✅ Phase 9: GDT/TSS enablement and User Mode foundation
 GDT (Global Descriptor Table) implementation

 Kernel code segment (Ring 0)

 Kernel data segment (Ring 0)

 User code segment (Ring 3)

 User data segment (Ring 3)

 TSS segment descriptor

 TSS (Task State Segment) setup

 TSS structure initialization

 Kernel stack configuration

 I/O permission bitmap base

 TSS loading and activation

 User mode transition framework

 Privilege level management (Ring 0/Ring 3)

 System call interface (int 0x80)

 User mode execution preparation

 ✅ Phase 10: Daemon System Implementation 🆕
 Daemon Process Architecture

 Process structure extension for daemon support

 Daemon type enumeration (SYSTEM_MONITOR, HEARTBEAT, LOG_CLEANER, CUSTOM)

 Daemon-specific fields (interval, last_run, enabled, run_count)

 Daemon Management System

 daemon_create() - create daemon processes with specified intervals

 daemon_start() / daemon_stop() - control daemon execution

 daemon_tick() - timer-driven execution checker

 daemon_list_all() - display daemon status in shell

 daemon_find_by_name() / daemon_find_by_type() - search functions

 Built-in Daemon Tasks

 System Monitor daemon (20 tick interval)

 Memory usage monitoring (percentage calculation)

 Automatic execution via timer interrupts

 Heartbeat daemon (10 tick interval)

 System alive confirmation

 Uptime tracking and reporting

 Log Cleaner daemon (placeholder implementation)

 Timer Integration and Real-time Execution

 Timer interrupt integration (2Hz precise timing)

 daemon_tick() called from timer interrupt handler

 Automatic daemon scheduling based on configured intervals

 Execution count tracking and statistics

 Shell Integration

 'daemon' command implementation

 Formatted daemon status display (PID, Name, Type, Status, Interval, Runs)

 console_write() output for proper shell display

 int_to_string() utility function for number formatting

 🚧 Phase 11: Advanced System Features - PLANNED
 File system foundation

 Network stack basics

 Multi-threading support

 Advanced memory protection

 🏆 現在の成果 (Phase 10完了)

 ✅ 完全動作中のコンポーネント

Memory Management: 256MB, page allocator, bitmap tracking

Process Management: PCB, scheduler, context switching, daemon support 🆕

Interrupt System: IDT, PIC, exception handling, system calls, timer 2Hz 🆕

Keyboard Driver: PS/2 support, ASCII conversion, input buffering

Shell System: Command parsing, system calls, 11 commands including 'daemon' 🆕

Daemon System: Background process execution, system monitoring, heartbeat 🆕

 🔧 現在のアーキテクチャ
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    Mini OS Shell v1.0 with Daemons
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Features available:
  - Memory Management: 256MB
  - Process Management: 4 processes (2 daemons)
  - Interrupt System: Fully operational (2Hz timer)
  - Keyboard Driver: Interactive input
  - Daemon System: System monitoring + Heartbeat
  - Timer System: 23600+ ticks, precise scheduling

 📊 技術仕様 (最新)

Memory: 65536 pages (4KB each), ~44KB current usage

Processes: 4 active processes (idle, test_a, sysmon daemon, heartbeat daemon)

Interrupts: 256-entry IDT, system call vector 0x80, IRQ1 keyboard, timer 2Hz

Daemons: 2 active daemons with automatic execution
System Monitor: 1080+ executions, memory monitoring
Heartbeat: 2160+ executions, system alive confirmation

Input: PS/2 keyboard driver, 256-character circular buffer

Shell: 11 commands including real-time daemon status display

 🎯 実装完了した主要機能

 Core Operating System
✅ Multiboot kernel - x86-32bit, 256MB memory support

✅ Memory management - Page allocator, bitmap tracking, kernel protection

✅ Process management - PCB, scheduler, context switching, 8KB stacks

✅ Interrupt system - Complete IDT, PIC, exceptions, system calls

 Device Drivers & I/O
✅ Keyboard driver - PS/2 controller, scancode conversion, input buffering

✅ Serial output - Logging, debugging, file output

✅ VGA text mode - 80x25 display, color support

 User Interface
✅ Interactive shell - 11 commands, extensible architecture

✅ Real-time commands - memory, process, daemon status display

✅ System utilities - date, echo, uptime, test commands

 Advanced Features 🆕✅ Daemon system - Background process framework

✅ Timer system - 2Hz precise interrupts, real-time scheduling

✅ System monitoring - Automated memory tracking, system health

✅ Process lifecycle - Daemon creation, start/stop, execution tracking

 🏆 最終成果
完全に動作するMini OS：フルスタックOS実装（カーネル、プロセス管理、割り込み処理、デバイスドライバ、インタラクティブシェル、バックグラウンドdaemonシステム）が2Hzのリアルタイムタイマーで安定動作中！

 Daemon System - 技術詳細 🆕
 実装アーキテクチャ
typedef enum {
    DAEMON_NONE = 0,
    DAEMON_SYSTEM_MONITOR = 1,
    DAEMON_LOG_CLEANER = 2, 
    DAEMON_HEARTBEAT = 3,
    DAEMON_CUSTOM = 4
} daemon_type_t;

typedef struct {
    // ... existing process fields ...
    bool is_daemon;
    daemon_type_t daemon_type;
    u32 daemon_interval;     // ticks between executions
    u32 daemon_last_run;     // last execution tick
    bool daemon_enabled;     // running state
    u32 daemon_run_count;    // total executions
} process_t;

 実行フロー

Timer Interrupt (2Hz) → daemon_tick()

Interval Check: Current tick - last_run >= interval

Task Execution: daemon_execute_task() per daemon type

Statistics Update: Increment run_count, update last_run

Shell Display: 'daemon' command shows real-time status

 監視結果例
=== Daemon Status ===
| PID | Name      | Type   | Status | Interval | Runs |
| --- | --------- | ------ | ------ | -------- | ---- |
| 1   | sysmon    | SYSMON | ACTIVE | 20       | 1080 |
| 2   | heartbeat | BEAT   | ACTIVE | 10       | 2160 |
===================

SYSMON: Memory usage: 0% (44/262144 KB)
HEARTBEAT #2160: System alive (uptime: 21600 ticks)

 ファイル構成 (最新)day60_mini_os/
├── src/
│   ├── boot/multiboot_kernel.asm     # Multiboot エントリポイント
│   ├── kernel/
│   │   ├── main.c                    # カーネル メイン + テスト統合
│   │   ├── memory.c                  # 物理メモリ管理
│   │   ├── process.c                 # プロセス管理 & スケジューラ
│   │   ├── interrupt.c               # 割り込み処理 & システムコール
│   │   ├── usermode.c                # ユーザーモード管理
│   │   ├── paging.c                  # 仮想メモリ（基盤）
│   │   ├── string.c                  # 文字列操作
│   │   ├── context_switch.asm        # コンテキストスイッチ
│   │   ├── interrupt_stubs.asm       # 割り込みスタブ
│   │   ├── paging_asm.asm           # ページング制御
│   │   └── usermode_asm.asm         # ユーザーモード切り替え
│   ├── drivers/
│   │   ├── keyboard.c               # キーボードドライバ 🆕
│   │   └── serial.c                 # シリアル出力
│   ├── user/
│   │   └── shell.c                  # シェルプログラム 🆕
│   └── include/
│       ├── kernel.h                 # カーネル共通定義
│       ├── memory.h                 # メモリ管理API
│       ├── process.h                # プロセス管理API
│       ├── interrupt.h              # 割り込み処理API
│       ├── usermode.h               # ユーザーモードAPI
│       ├── paging.h                 # ページングAPI
│       └── keyboard.h               # キーボードAPI 🆕
├── build/                           # ビルド出力
├── Makefile                         # ビルド設定
├── linker.ld                        # メモリレイアウト
└── PROGRESS.md                      # 進捗管理

 各フェーズのテスト方法
ビルドテスト: make clean && make

実行テスト: qemu-system-x86_64 -kernel build/kernel.bin -serial stdio

メモリテスト: alloc_page/free_page サイクル確認

機能テスト: 各フェーズごとに特定機能の動作確認

 学習ポイント
低レベルプログラミング: アセンブリ、メモリ直接操作

OS理論実践: プロセス、メモリ、スケジューリング

ハードウェア制御: 割り込み、デバイスドライバ

システムプログラミング: カーネル空間とユーザー空間の分離

デバッグ技術: QEMUデバッガ、シリアル出力ログ

メモリ管理: ビットマップアルゴリズム、ページアライメント

riddle_tec

やったーーー、やっとやり切れた

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