Как написать ос на python

Операционные системы традиционно разрабатываются на языках низкого уровня: C, C++ или даже Assembly. Однако Python, несмотря на свою высокоуровневость, может быть использован для создания ОС в учебных целях или для разработки микроядер и виртуальных сред. Это требует нестандартного подхода и знания границ возможностей интерпретируемого языка.

Прежде всего, необходим минимальный загрузчик, написанный на Assembler или C, который инициализирует оборудование и передаёт управление Python-интерпретатору. Например, можно использовать GRUB для загрузки ядра, собранного с PyPy или RPython, как это сделано в проекте PyPy-OS.

Архитектура ОС должна быть модульной. Интерпретатор запускается как ядро, которое обрабатывает прерывания и выполняет пользовательский код в изолированных пространствах. Сетевые стек и многозадачность могут быть реализованы в кооперативной модели с использованием asyncio или greenlet.

Оптимальный выбор архитектуры – x86_64 или ARMv7-A. Первая предпочтительна для эмуляции через QEMU и запуска на реальном железе ПК, вторая – для минималистичных устройств и Raspberry Pi. Python-интерпретатор требует минимум 32-битной архитектуры с поддержкой MMU и полной реализацией пользовательского режима.

Python не предназначен для прямого запуска на «голом железе», поэтому потребуется загрузчик, способный инициализировать аппаратные ресурсы и передать управление среде, где доступна поддержка Python-интерпретатора. Лучший выбор – GRUB2 в режиме Multiboot. Он предоставляет предсказуемую среду, загружает ядро и передаёт информацию о доступной памяти и устройствах через структуру Multiboot Info, что критично для последующей инициализации Python-окружения.

GRUB позволяет загрузить промежуточное ядро, написанное на C или Rust, которое выполняет настройку сегментов, отключение Paging при необходимости, инициализацию стека и затем вызывает встроенный интерпретатор CPython или MicroPython. Последний предпочтительнее для ARM-плат, так как имеет меньший размер и лучшую интеграцию с bare-metal средами.

Для платформ без BIOS, таких как ARM SBC, необходим U-Boot. Он выполняет роль загрузчика, передаёт управление исполняемому образу в формате ELF или uImage и позволяет использовать Device Tree для описания оборудования. В этом случае Python-интерпретатор должен быть статически собран с минимальным набором зависимостей и встроен в monolithic-образ, развёртываемый U-Boot напрямую в память.

Выбор загрузчика должен учитывать формат выходного бинарного файла, доступные ресурсы целевой платформы и необходимость ручной инициализации железа до запуска Python. В большинстве сценариев GRUB или U-Boot – единственно разумные варианты для прототипирования Python-ОС.

Настройка окружения: эмуляторы, компиляторы и инструменты

Эмулятор QEMU – оптимальный выбор для отладки низкоуровневого кода без физического железа. Установите QEMU через пакетный менеджер (apt install qemu-system-x86 для Debian/Ubuntu). Запуск тестового ядра: qemu-system-x86_64 -kernel kernel.bin. Используйте ключи -s -S для подключения отладчика GDB.

Компилятор GCC с поддержкой cross-компиляции обязателен, так как стандартный компилятор генерирует код под текущую ОС. Установите toolchain: gcc-i686-elf или соберите вручную (./configure —target=i686-elf, затем make && make install). Не используйте Clang – он не всегда корректно работает с bare-metal кодом.

Сборка загрузчика возможна с помощью NASM. Установите: nasm. Для создания ISO-образа пригодится grub-mkrescue. Пример: grub-mkrescue -o os.iso isodir/. Структура директории должна содержать boot/grub/grub.cfg и бинарник ядра.

GDB необходим для пошаговой отладки. Запускайте его через: gdb, затем подключайтесь к QEMU: target remote localhost:1234. Используйте set architecture i386 для корректного отображения регистров x86.

Make автоматизирует сборку. Создайте Makefile с целями: компиляция ядра, сборка ISO, запуск в QEMU. Используйте переменные для путей и флагов компиляции. Избегайте ручного запуска отдельных шагов – это снижает воспроизводимость.

Редактор кода с поддержкой asm и C ускоряет разработку. Рекомендуется Visual Studio Code с расширениями asm syntax и C/C++ от Microsoft. Настройте tasks.json для сборки и launch.json для GDB.

Система контроля версий Git критична при экспериментировании с ядром. Используйте ветки для прототипирования, коммиты с осмысленными сообщениями. Храните бинарники отдельно – в .gitignore. Поддерживайте историю коммитов в чистоте.

Создание ядра ОС на Python с помощью MicroPython или PyPy

Для минималистичной ОС на Python оптимально использовать MicroPython или PyPy – интерпретаторы, способные работать в условиях ограниченных ресурсов. MicroPython предназначен для встраиваемых систем и запускается на микроконтроллерах без полноценной ОС. PyPy – JIT-компилятор, обеспечивающий высокую производительность при работе с Python-кодом на десктопных и серверных платформах.

При использовании MicroPython важно собрать прошивку под конкретную архитектуру (ARM Cortex-M, ESP32). Необходимо реализовать bootloader, инициализирующий железо и запускающий интерпретатор. Загрузка кода ядра может происходить с SD-карты, SPI Flash или через UART. Рекомендуется минимизировать зависимости и использовать собственный диспетчер задач, основанный на uasyncio, для организации кооперативной многозадачности.

С PyPy ядро ОС возможно разрабатывать как пользовательское пространство в минимальном Linux-дистрибутиве (например, Alpine или Buildroot), либо как часть unikernel-сборки с интеграцией RPython. Ключевая задача – реализовать слой абстракции над системными вызовами, позволяющий запускать Python-код как основной исполнительный контекст. Для повышения производительности ядра необходимо использовать RPython-модули вместо чистого Python и исключить блокирующие вызовы.

Выбор между MicroPython и PyPy зависит от аппаратной платформы: MicroPython подходит для bare-metal решений, PyPy – для систем с MMU и поддержкой POSIX. В обоих случаях критично строго контролировать использование памяти, избегать динамического импорта и полагаться на статическую инициализацию компонентов ядра.

Для захвата ввода без буферизации (то есть без необходимости нажимать Enter) используется следующий подход:

import sys
import termios
import tty
def read_key():
fd = sys.stdin.fileno()
old_settings = termios.tcgetattr(fd)
try:
tty.setraw(fd)
return sys.stdin.read(1)
finally:
termios.tcsetattr(fd, termios.TCSADRAIN, old_settings)

Эта функция позволяет считывать одиночные нажатия клавиш в реальном времени. Для обработки специальных клавиш (например, стрелок) необходимо анализировать escape-последовательности, начинающиеся с символа \x1b.

def print_text(text):
sys.stdout.write(text)
sys.stdout.flush()

def print_green(text):
sys.stdout.write('\033[32m' + text + '\033[0m')
sys.stdout.flush()

Управление курсором осуществляется через коды вида \033[; H, где и – координаты. Для очистки экрана используется \033[2J.

def task1():
while True:
print("Процесс 1")
yield
def task2():
while True:
print("Процесс 2")
yield
tasks = deque([task1(), task2()])
while tasks:
task = tasks.popleft()
try:
next(task)
tasks.append(task)
except StopIteration:
pass