• はじめに
• 本書の読み方
  • サンプルコードのダウンロード
  • 想定読者
  • 本書の構成
  • 関連書籍について
  • 開発環境のセットアップ
  • 本書のコードの読み方
  • 参照している仕様書の表記方法
• 目次

第1章：OSとは──コンピューターの裏側を支えるソフトウェアを知る

OSとは何か

• 日常にあるOSの例
• OSとコンピューターの関係
  • コンピューターの基本的なしくみ
  • アプリケーション──人々がコンピューターを使う理由
  • OS──ハードウェアとアプリケーションの狭間で

本書で実装するOSの全体像

• ベアメタルプログラミング
• 資源（メモリとCPU）の管理
• ハードウェアの制御
• 本書のゴールと関連書籍の紹介

本題に入る前に

第2章：ベアメタルプログラミングをしてみる──OSのない世界でプログラムを動かすための準備

コンピューターの構成要素

• メモリ
• CPU
• 入出力

すべてはバイナリ

• すべてのデータは2進法で表現できる
  • 数値をバイナリで表現する
  • 16進法は便利
  • ひとくちサイズのバイナリ，byte
  • 文字列のバイナリ表現
• 画像のバイナリ表現
• プログラムもバイナリ
• コンパイラ──ソースコードを翻訳してバイナリを作るプログラム

UEFIアプリケーションを作ってみる

• 開発環境の構築
• Hello, worldを書いてみる
• Rustツールチェインのバージョンを固定する
• アプリケーションとOSの違い
• UEFI──OSよりも前に起動する，OSを起動するためのプログラム
  • [column]色々なファームウェア──Legacy BIOSとUEFI BIOS
• ターゲット──どの実行環境向けにバイナリを生成するのかコンパイラに伝える
• QEMUを利用してUEFIアプリケーションを実行する

UEFIからの脱却

• "Hello, world"はどこへ行く？
• no_stdで生きていく──coreクレートと歩むベアメタル生活
  • [column]普段は当たり前だと思っているが実はOSが提供しているもの
• フレームバッファに何か描く

Rustの便利機能を活用する

• ビルドや実行を簡単にする
• cargo clippyとHLT命令──CPUを無駄に回さないようにする
• cargo fmt──コードをきれいに整形する

もっと色々なものを描く

• 四角形を描く
• 線分を描く
• 画面に文字を表示する
• 文字の列，文字列を表示する

writeln!()マクロを使ってみる

• メモリマップを表示する
• 図形描画のコードを整理する
• UEFIのない世界へ行く──ExitBootServices

第3章：メモリ管理を実装しよう──限りある資源を効率良く使えるようにする

OSとメモリの関係

• メモリとは何か
• メモリ管理とは何か

実装前の準備

• ソースコードの整理──ファイルを分割する
• cargo testが通らない理由
• カスタムテストフレームワークを有効にする

バイト単位のアロケータを実装する

• アライメントはなぜ必要か
  • メモリの速度とバス幅
  • キャッシュ──よく使うものは近くに置こう
  • アライメントが合っていないと回路がつらい
• 簡単なメモリアロケータの実装

OSのテストをRustで書く

• シリアルポート出力の実装
  • [column]CONVENTIONAL_MEMORY以外の領域の正体
• デバッグを便利にする関数たちを実装する

ページング──より高度なメモリ管理を行う

• ページングとは
• x86_64におけるページング
• 現在のページテーブルを表示してみる
• 動作確認のために割り込み処理・例外処理を実装する
  • GDT──コンピューター黎明期，8086時代の遺物
  • TSS──割り込み時のスタック切り替えを制御する
• コードセグメントとデータセグメントの設定
• 割り込み関連の初期化
• ブレークポイント例外のあとに実行を継続する
• ページテーブルを作って設定する
• ページングの動作確認をする
• Pinの落とし穴

第4章：マルチタスクを実装しよう──1つのCPUで複数の作業を並行して行う方法について知る

マルチタスクとは何か

• マルチタスクの例
  • [column]並行と並列の違い
• 簡単にマルチタスクもどきを実装してみる

Rustのasync/awaitで協調的マルチタスクをする

• aync/awaitを使えるようにする
  • Future trait
  • WakerとRawWaker
  • block_onの実装
  • Executor
  • ほかのタスクに処理を譲る（yieldする）
• 時間経過を計る
  • タイマー──時間を計るデバイス
  • ACPIからHPETの場所を教えてもらう
  • HPETを初期化する
  • static mutを使ってHPETを共有する
• スレッド間で安全にデータを共有する
  • データ競合とは
  • Rustにおける参照のルール
  • Mutex──実行時にメモリ競合を回避するしくみ
  • Mutexを使ってHPETのインスタンスをOS全体で共有する
• タスクの実行を一定時間止めるFutureを作る
• 協調的マルチタスクの問題点
• （発展）非協調的マルチタスク

ソースコードの整理

• HPETの初期化処理をリファクタリングする
• メモリアロケータの初期化を関数に切り出す
• ページング関連のコードを整理する
• 画面描画周りの初期化を別の関数に切り出す
• VramTextWriterをBitmapTextWriterに一般化する
• print系マクロの出力をQEMUの画面上にも表示する

第5章：ハードウェアを制御する(1)──デバイスを動かす方法を知る

OSとハードウェアの関係

• Port Mapped I/OとMemory Mapped I/O
• Port Mapped I/Oの例──シリアル入力を実装する

PCIとは

• PCIの概要
• Bus，Device，Function
• ベンダー ID，デバイスID

PCIデバイスの一覧を取得する

• PCI Configuration空間
• ECAM──Enhanced Configuration Access Method
• PCIデバイスの一覧を表示するコードを実装する

USBコントローラ（xHCI）のドライバを実装する

• USBとは
• xHCIとは
• xHCの検出
• ちょっと脱線──諸々の改良
• 起動時のページテーブル初期化の高速化
• Memory mapped I/OでxHCとやりとりをする
• xHCのレジスタ
• xHCの初期化
  • xHCをリセットする
  • Scratchpad Bufferを確保して設定する
  • DCBAAを確保して設定する
  • Primary Event Ringを用意する
  • Command Ringを用意する
  • xHCをスタートする
• IoBox──CPUのキャッシュとMemory-mapped I/Oの関係
• USBデバイス接続時の処理を実装する
  • イベントのポーリングをする
  • USBデバイスの検出
  • デバイスの検出とポートの初期化
  • Device Slotの有効化
  • USBポートの初期化処理を整理する
  • Address Deviceコマンド──USBデバイスにアドレスを割り当てる

第6章：ハードウェアを制御する(2)──USBデバイスを使えるようにする

USBデバイスの情報を取得する

• • [column]FromトレイトとIntoトレイト
• Device Descriptorの取得
• デバイスクラス
• USBにおけるConfig，Interface，Endpointの関係
• Config Descriptorとその仲間たちを取得する

USBキーボードを使えるようにする

• USBキーボードの基本
  • [column]Nキーロールオーバー
• キーの押下状態から変化したキーを特定する
• なぜHashSetではなくBTreeSetを使うのか
• キーコードから文字への変換
  • [column]キーボードレイアウトの闇──打ちたい記号が入力できない！

USBマウス……もといタブレット入力を使えるようにする

• HIDレポートディスクリプタを解析する
• USBタブレットの状態変化を表示する
• ビットを切り出す関数を実装する
• マウスボタンの状態を解釈する
• ポインタ位置の情報を取り出して表示する

Appendix：実ハードウェアでの起動を試す

• USBメモリをFATファイルシステムでフォーマットする
• WasabiOSをUSBメモリに書き込む
• USBメモリからの起動
• 実機で試すときの注意点

• おわりに
• 参照している仕様書の一覧
• 索引
• 著者プロフィール