自幹作業系統 - SimpleOS

很久以前就想做的事 - 純手工自幹一個作業系統

有點瘋狂，有點無聊，但卻又超有趣！

以前做不來，是因為門檻高、網路上的資料雜亂、內容太硬核，加上沒人可以討論、工作忙碌沒時間等因素。

但現在是 AI 時代，許多過去看似困難、門檻極高的事，在 AI 的協助下都變得有趣且可行！

動機

它們都是作業系統 - 資源分配與調度

工作上處理過不少 BI（商業智慧）與 Workflow（工作流）系統，像是自幹的 自動化回歸測試框架與平台、電商系統維護平台 (PowerShell)、電商的非同步批次系統、Netflix Conductor 、BMC - Orchestration、n8n、Gitlab、SaaS Platform、Artifact & Build System 等。觀察這些系統的本質，其實都是在處理資源分配與調度。

我也管理過不少 K8s 平台與雲端架構（AWS / GCP）。以 K8s 為例，維護多個 Cluster 時，必須根據應用程式的屬性（CPU Bound / IO Bound / Memory Bound）來規劃調度策略並引導使用者。AWS 與 GCP 本質上的治理邏輯也是如此。

也曾經實作過類似 AWS DynamoDB 的 Capacity Unit 機制，應用在 API 架構 / 平台 上，實現 Multi-Tenancy (多租戶架構) 的限流與資源分配，可以有效的管控用量，同時讓系統實務上 可靠性。這讓我深刻理解到，分散式系統不論形式為何，最終都要回到作業系統的核心設計機制。不論任務是 BI、K8s 還是雲端，最後都會遇到資源競爭與協調的問題。

工作上遇到的各種需求與設計，在我眼裡都是一種「作業系統的變體」。 即使像 K8s 這種複雜的分散式架構，其核心本質與作業系統並無二致。

除了技術經歷，擔任管理職務時，對外協調、對內分配，本質上也是在調度「人與事」。專案管理 (Project Management) 的任務管理就像作業系統的 Scheduler（調度器），根據優先序排列任務。而在管理實務上，常會遇到「重要但不緊急」的技術債發生「飢餓現象 (Starvation)」，這與作業系統處理進程排程的問題如出一轍。

我去年做的 純手工遊戲開發 整個遊戲的各種機制，很多也都是在做資源分配與調度的機制。像是地圖系統、背包系統、多個 NPC 動態路徑 … 等，都是資源分配與調度的實作。

在計算機科學領域，將資源分配與調度做得最極致、經歷最多考驗的，就是作業系統。其他如演算法、資料結構、計算機網路、計算機結構、離散數學等，都是為了幫助我們更有效率地完成調度任務。作業系統的核心就是處理 CPU 搶佔、I/O 競爭與記憶體分配。 徹底了解作業系統的運作，對系統架構設計會有極大的幫助。

Just for fun

2010 年，我在書店偶然看到《30 天打造 OS：作業系統自作入門》（作者：川合秀實）。書中手把手教你從 Bootloader 開始，用組合語言到 C 語言，一步步寫出一個作業系統。當時覺得如果能親手做出來一定超酷，於是買回家研究。

雖然學生時代也學過組合語言 (8051)、C，工作後也實際做過 Embedded 開發工作，但面對這種要懂 CPU 指令集、各種暫存器 … 等知識，就像一開頭我說的，沒人可以問，過程遇到問題只能 Google 到天荒地老，加上生活上種種因素，大概做到第五天就放棄了 XD

自幹作業系統這件事情就變成心裡的另一個懸念了 … (不過有轉去做其他事啦，像是 搞黑金塔 之類的，容易很多 … XD)

在電商領域工作期間，遇到很多流量問題、交易問題、非同步問題、SaaS / 多租戶架構 / API 設計，在學 AWS / SRE 過程，也展開 分散式系統 的探索，這些實務經驗，都持續不斷的讓我加深 它們都是作業系統 的想法，覺得還是應該回去自幹一下作業系統才過癮啊 ～～～

心裡有 它們都是作業系統 的念頭一直放在心上，而那段繁忙的工作歷程，我利用上下班坐公車往返兩小時的時間，回去反覆重讀作業系統，包含上清大開放課程 - 周志遠教授 的 作業系統、follow 成大 黃敬群 Jserv - Linux 核心設計 課程。但是這些 follow 總是淺薄，加上工作上各種 Interrupt 與 Context Switch，我覺得都只是學到一些皮毛。後來我也買了 作業系統概念 (俗稱恐龍書) 回來啃，補足很多重要的概念，像是 淺談同步機制 就是整理第六章的內容。

但恐龍書講的是概念，缺少實作。所以我又透過 Linux Programming Interface 了解更多實際上在 Linux 上怎麼實作的細節，像是 Linux 怎麼管理共享記憶體。


過去幾年 (Since 2016)，我花最多時間研究的主題是 分散式系統 以及延伸的主題，但實際上研究到最後發現，本質還是回到作業系統。

驗證：透過 AI 可以自學很多東西

除了前面提到的個人經歷，以及有趣之外，另外我也想驗證一件事情：

透過 AI 自學東西的可行性

現在寫文章，如果不搭上 AI 好像沒有點閱率 XDD

觸發我實際想動手自幹作業系統的源頭是今年 (2026) 很多人在玩 Thread，有很多不錯的話題，有兩個話題是我一直在思考的：

  1. 想試著從零開始學習C++ 有什麼資源建議？
  2. 現在就學中的人，或者剛就業兩年多，要不要繼續學計算機科學？像是作業系統 or 演算法？

這兩個問題，我都有實際上去回答我當時的想法，截圖如下：

同樣問題也丟在 Facebook 試探性看看，不過沒啥反應 XD


學習部分，我敲完那段話之後，當天 (2026/03/12) 我就開始用同樣的 Prompt 在 Google Gemini 上開工了！重要的是，我不是用 AI Agent 幫我寫，而是在對話過程，請 Gemini 教我，然後一步一步前進。

至於是否繼續念 CS 或者 CS 無用論，不是第一次遇到這個問題，2023 年 12 月，ChatGPT 剛上線的那個月，我去 成大資工所演講，主題是 軟體職涯的分享，當時就有同學問我如何面對 AI 世代；2025 年 6 月我在高雄示範大學演講時，現場也有同學和老師問到同樣的問題。

這個題目放到最後統一整理，本質思路是這樣：

AI 很強，工具很好用，那你想做什麼？或者你能做什麼？

如果現在不缺錢與資源，那你想做什麼？或者給你最強的 AI 你想做什麼？

如果都沒有，那你能做什麼？

實作內容

整個實作大概分成底下六大部分：

  1. 環境與中斷實作：透過組合語言從 Bootloader 開始，實作 GDT / IDT，控制 IRQ 處理鍵盤中斷。
  2. 存儲系統：實作 MBR 解析與簡易檔案系統 (FileSystem)。
  3. 多工核心：實作 Timer、Context Switch 與 Scheduler，讓單核 CPU 實現「多工」的幻覺。
  4. 記憶體與行程：實作 MMU Paging，實現記憶體隔離、fork/exec 機制、Shell 的誕生，以及 IPC (進程間通訊) 與 Mutex 機制。
  5. 使用者空間 (User Space) ：開發 C Library，包含 malloc/free/printf 等基礎函式。透過 Syscall 打造基礎指令（ls/mkdir/cat/touch/rm）及內建指令（cd/pwd/exit）。
  6. 圖形介面 (GUI) ：實作簡單的視窗介面，包含滑鼠 I/O、Double Buffering（雙重緩衝）機制、字型渲染，並實作基礎的 Window Manager。

這可以想像成六個 Sprint，每個部分都有約 10 個核心功能需要達成。

學習過程

全程都在 Google Gemini 上同一個 Session 裡面，以問答的方式完成。遇到 Assembly 或者 C 的問題，則開另一個 Session 當「助教」，然後在那邊問細節。

過程常常遇到 Core Dump 和 Debug 的問題，寫作業系統不像一般的 Application，是連 printf 都沒得用的，所以常常需要透過 Core Dump 找問題。這時候 AI 就非常有幫助，反正整坨都丟給他就好，這比我第一次寫 bootloader 在除錯時，在 Google 找個半死方便多了 XDD

Core Dump 大概如下，這不知道怎麼看的話，真的會發轟 XD

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❯ make debug
qemu-system-i386 -cdrom myos.iso -d int -no-reboot -hda hdd.img -boot d
WARNING: Image format was not specified for 'hdd.img' and probing guessed raw.
         Automatically detecting the format is dangerous for raw images, write operations on block 0 will be restricted.
         Specify the 'raw' format explicitly to remove the restrictions.
SMM: enter
EAX=00000000 EBX=00000000 ECX=02000000 EDX=02000628
ESI=0000000b EDI=02000000 EBP=06feb010 ESP=00006d5c
EIP=000ebede EFL=00000046 [---Z-P-] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
ES =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
CS =0008 00000000 ffffffff 00cf9b00 DPL=0 CS32 [-RA]
SS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
DS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
FS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
GS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
LDT=0000 00000000 0000ffff 00008200 DPL=0 LDT
TR =0000 00000000 0000ffff 00008b00 DPL=0 TSS32-busy
GDT=     000f6220 00000037
IDT=     000f625e 00000000
CR0=00000011 CR2=00000000 CR3=00000000 CR4=00000000
DR0=00000000 DR1=00000000 DR2=00000000 DR3=00000000
DR6=ffff0ff0 DR7=00000400
CCS=00000044 CCD=ffffffff CCO=EFLAGS
EFER=0000000000000000

EAX=000000b5 EBX=00007d47 ECX=00005678 EDX=00000003
ESI=06f31fb0 EDI=06ffee71 EBP=0000695c ESP=0000695c
EIP=00007d47 EFL=00000006 [-----P-] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
ES =da80 000da800 ffffffff 00809300
CS =f000 000f0000 ffffffff 00809b00
SS =0000 00000000 ffffffff 00809300
DS =0000 00000000 ffffffff 00809300
FS =0000 00000000 ffffffff 00809300
GS =ca00 000ca000 ffffffff 00809300
LDT=0000 00000000 0000ffff 00008200
TR =0000 00000000 0000ffff 00008b00
GDT=     00000000 00000000
IDT=     00000000 000003ff
CR0=00000010 CR2=00000000 CR3=00000000 CR4=00000000
DR0=00000000 DR1=00000000 DR2=00000000 DR3=00000000
DR6=ffff0ff0 DR7=00000400
CCS=00000004 CCD=00000001 CCO=EFLAGS
EFER=0000000000000000
Servicing hardware INT=0x08
Servicing hardware INT=0x08
Servicing hardware INT=0x08

Servicing hardware INT=0x09
Servicing hardware INT=0x08
Servicing hardware INT=0x20
     0: v=20 e=0000 i=0 cpl=0 IP=0008:001002a1 pc=001002a1 SP=0010:00109d38 env->regs[R_EAX]=ffffff50
EAX=ffffff50 EBX=00105084 ECX=000001f7 EDX=000001f7
ESI=00109f78 EDI=00109f78 EBP=00002800 ESP=00109d38
EIP=001002a1 EFL=00000286 [--S--P-] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
ES =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
CS =0008 00000000 ffffffff 00cf9a00 DPL=0 CS32 [-R-]
SS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
DS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
FS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
GS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
LDT=0000 00000000 0000ffff 00008200 DPL=0 LDT
TR =002b 0010a000 00000068 0000e900 DPL=3 TSS32-avl
GDT=     0010a080 0000002f
IDT=     0010a0e0 000007ff
CR0=80000011 CR2=00000000 CR3=0010f000 CR4=00000000
DR0=00000000 DR1=00000000 DR2=00000000 DR3=00000000
DR6=ffff0ff0 DR7=00000400
CCS=00000084 CCD=ffffffc0 CCO=EFLAGS
EFER=0000000000000000
Servicing hardware INT=0x21
     
     2: v=20 e=0000 i=0 cpl=0 IP=0008:00101870 pc=00101870 SP=0010:00109fc8 env->regs[R_EAX]=c0000030
EAX=c0000030 EBX=c000000c ECX=00000000 EDX=c0000030
ESI=c000000c EDI=00105084 EBP=00000000 ESP=00109fc8
EIP=00101870 EFL=00000297 [--S-APC] CPL=0 II=0 A20=1 SMM=0 HLT=0
ES =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
CS =0008 00000000 ffffffff 00cf9a00 DPL=0 CS32 [-R-]
SS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
DS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
FS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
GS =0010 00000000 ffffffff 00cf9300 DPL=0 DS   [-WA]
LDT=0000 00000000 0000ffff 00008200 DPL=0 LDT
TR =002b 0010a000 00000068 0000e900 DPL=3 TSS32-avl
GDT=     0010a080 0000002f
IDT=     0010a0e0 000007ff
CR0=80000011 CR2=00000000 CR3=0010f000 CR4=00000000
DR0=00000000 DR1=00000000 DR2=00000000 DR3=00000000
DR6=ffff0ff0 DR7=00000400
CCS=00000095 CCD=ffffffff CCO=EFLAGS
EFER=0000000000000000
^Cqemu-system-i386: terminating on signal 2 from pid 10254 (<unknown process>)

結果與原始碼

整個作業系統 binary (myos.bin) 大小僅約 48 KB。

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❯ ls -lh
total 96
drwxr-xr-x@ 7 rickhwang  staff   224B Mar 26 21:15 kernel
-rwxr-xr-x  1 rickhwang  staff    48K Mar 26 21:15 myos.bin
drwxr-xr-x@ 6 rickhwang  staff   192B Mar 26 21:10 user

底下錄影分別 Demo 了 Terminal 和 Window：

原始碼放在 GitHub 上，用 Branch 分開每個階段的內容：

目錄 course 則有完整的 課程大綱、課程藍圖，以及每個階段的原始碼，以及 專有名詞對照表 。


課前知識與準備

  1. C 語言, 組合語言
  2. 對計算機組織有基本認識: 記憶體
  3. 在 macOS / Ubuntu 24.04 都可以正常編譯
  4. Docker (推薦 OrbStack) 與 QEMU
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❯ qemu-system-i386 -version
QEMU emulator version 10.2.2
Copyright (c) 2003-2025 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

跟恐龍書比較起來

這個課程內容，嚴格說比 30 天打造 OS - 作業系統自作入門 簡單很多，算是很容易快速上手、或者說體驗開發作業系統的種種問題。我實作完之後，回去翻 恐龍書、30 天打造 OS 感覺是偏簡單的。可能是我本身就已經在實務上有一定程度的經驗。

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2026/03/27 10:30:00
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