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# マイコンで動く「仮想16bit CPU + MS-DOS風OS」LinDosを作った話 〜 アセンブリで書いたシェルが、本物のDOSみたいに動く 〜 ## はじめに 「マイコンの上で、昔のMS-DOSみたいなものを動かしたい」 「しかもシステム自体をアセンブリ風の言語で書いて、仮想CPUで実行したい」 そんな想いから生まれたのが **LinDos** (スペイン語で可愛い等々)です。 LinDosは、Sony Spresense上で動作する **仮想16bit CPUベースのMS-DOS風OS** です。 特徴は以下の通り： - 独自の仮想16bit CPU（vCPU）を実装 - システムを **IO.SYS / DOS.SYS / CMD.SYS** の3層構造で記述（本物のDOSを模している） - システムファイルはすべてアセンブリ風言語で書かれている - シェルから `.asm` と `.c` の両方のユーザープログラムを実行可能 - ファイル操作・ディレクトリ操作・ワイルドカード対応など、かなり実用的なコマンドを実装 - ネイティブ側はハードウェア抽象化と仮想CPUの実行に徹している 要するに、**「仮想CPUの上で動く、自己ブートストラップするMS-DOS風環境」** です。 本記事では、設計思想から実装の詳細、ブートストラップの仕組みまでをかなり深掘りして解説します。 --- ## 全体アーキテクチャ LinDosは明確にレイヤ分けされています。 ``` ┌─────────────────────────────────────────────┐ │ CMD.SYS（シェル層） │ ← アセンブリ │ ユーザー入力を受け取り、コマンドを解釈 │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ DOS.SYS（カーネル層） │ ← アセンブリ │ 論理コードをIO.SYS向けコードに変換 │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ IO.SYS（ハードウェア抽象化層） │ ← アセンブリ │ SEROUT / SERNL / GFXCLR / SERIN などを呼ぶ │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ vCPU（仮想16bit CPU） │ ← ネイティブC++ │ 独自の命令セットを実行 │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ LiveC（Cインタプリタ） │ ← ネイティブC++ │ .c ファイルを実行するときに使用 │ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ kernel.hpp（ブートローダ + ビルトインコマンド）│ ← ネイティブC++ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ term.hpp（ターミナルエンジン） │ ← ネイティブC++ ├─────────────────────────────────────────────┤ │ hw.hpp（LovyanGFX + ILI9488） │ ← ネイティブC++ └─────────────────────────────────────────────┘ ``` ポイントは、**上3層がすべて仮想CPUが実行するアセンブリソース**であることです。 ネイティブ側は「仮想CPUを用意して、仮想ファイルシステムからシステムをロードする」役割に徹しています。 --- ## ブートストラップの仕組み（詳細） ここがLinDosで一番面白い部分です。 ### 起動シーケンス 1. Arduinoの`setup()` → `osSetup()`が呼ばれる 2. ハードウェア初期化（LCD・スプライト・RTC・Serial） 3. ターミナル初期化＆タイトル表示 4. SDカード（またはSPIFFS）をマウント 5. **システムファイルをSDに書き込む**（deploy） 6. `/IO.SYS` `/DOS.SYS` `/CMD.SYS` を読み込む 7. 3つのソースを結合し、先頭に `JMP SHELL_START` を付ける 8. 仮想CPU（vCPU）に渡して実行開始 9. `CMD.SYS` の `SHELL_START` からシェルが動き出す ### 実際のコード（抜粋） ```cpp void osSetup() { // ... ハードウェア初期化 ... deploySystemFiles(); // /IO.SYS /DOS.SYS /CMD.SYS を書き込む std::string ioSys = loadFileFromSD("/IO.SYS", okIO); std::string dosSys = loadFileFromSD("/DOS.SYS", okDos); std::string cmdSys = loadFileFromSD("/CMD.SYS", okCmd); // 結合して仮想メモリイメージを作る std::string coreMemoryImage = std::string("JMP SHELL_START\n") + "; --- IO LAYER ---\n" + ioSys + "\n" + "; --- KERNEL LAYER ---\n" + dosSys + "\n" + "; --- SHELL LAYER ---\n" + cmdSys + "\n"; vCpu.onHwOp = handleHwOp; vCpu.run(coreMemoryImage); // ここでシェルが動き出す } ``` **なぜ一度SDに書いて読み直すのか？** - 「仮想ファイルシステムからロードする」というOSらしい形を取っている - 将来的にユーザーがシステムファイルを書き換えて再起動できる設計の土台になる - 本物のDOSが起動時にシステムファイルをロードする流れを再現している --- ## 仮想CPU（vCPU）の設計 ### レジスタ構成 シンプルに4本だけです。 - `AX` / `BX` / `CX` / `DX`（すべて32bit整数として実装） ### 主な命令セット | 命令 | 説明 | |------|------| | `MOV reg, val` | レジスタに値を代入 | | `ADD reg, val` | 加算 | | `SUB reg, val` | 減算 | | `CMP val1, val2` | 比較（結果をcmpFlagに保存） | | `JMP label` | 無条件ジャンプ | | `JEQ / JZ label` | 等しい場合ジャンプ | | `JNE / JNZ label` | 等しくない場合ジャンプ | | `CALL label` | サブルーチン呼び出し | | `RET` | サブルーチンから戻る | | `INT n` | ソフトウェア割り込み（拡張用） | | `CMPS str` | 入力バッファと文字列を比較 | | `SEROUT val` | 数値を画面に出力 | | `SERNL` | 改行 | | `GFXCLR` | 画面クリア | | `SERIN` | 1行入力 | | `DIRLIST` | ディレクトリ一覧 | | `EXEC` | コマンド実行（ビルトイン or .asm/.c） | | `HLT / HALT` | 停止 | 命令数を極限まで絞っているので、実装が軽く、デバッグもしやすいのが特徴です。 ### ラベルとコールスタック - ラベルは行末の `:` で定義 - `CALL` / `RET` でサブルーチンを実現（コールスタックを内部で管理） --- ## システムファイルの3層構造 ### 1. IO.SYS（ハードウェア抽象化層） ハードウェアに直接触れる唯一の層です。 ```asm DRV_ENTRY: CMP AX, 11 JEQ DRV_PUTNUM ; 11 = 数値表示 CMP AX, 12 JEQ DRV_NEWLINE ; 12 = 改行 CMP AX, 13 JEQ DRV_CLS ; 13 = 画面クリア CMP AX, 14 JEQ DRV_READLINE ; 14 = 1行入力 CMP AX, 15 JEQ DRV_DIRLIST ; 15 = ディレクトリ一覧 RET ``` ### 2. DOS.SYS（カーネル層） 論理コード（1〜5）をIO.SYS向けのコード（11〜15）に変換します。 ```asm SYS_ENTRY: CMP AX, 1 JEQ KRN_PUTNUM CMP AX, 2 JEQ KRN_NEWLINE ; ... KRN_PUTNUM: MOV AX, 11 CALL DRV_ENTRY RET ``` この変換層があることで、シェル側はハードウェアの詳細を知らなくて済みます。 ### 3. CMD.SYS（シェル層） ユーザーと対話する最上位層です。 ```asm SHELL_START: SHELL_LOOP: MOV AX, 4 ; 1行入力 CALL SYS_ENTRY CMPS CLS JEQ CMD_CLS CMPS VER JEQ CMD_VER EXEC ; ビルトインでなければ .asm / .c を探す JMP SHELL_LOOP CMD_CLS: MOV AX, 3 CALL SYS_ENTRY JMP SHELL_LOOP ``` 非常にシンプルですが、「入力 → 判定 → 実行」の基本的なシェルの流れがアセンブリだけで実現されています。 --- ## コマンド実行の仕組み（EXEC） ユーザーがコマンドを入力すると、以下の順番で処理されます。 1. **ビルトインコマンド**を試す（`tryBuiltinCommand`） - `ls` / `dir` / `cd` / `mkdir` / `cp` / `del` / `cat` / `echo` / `mem` / `date` / `reboot` など 2. 見つからなければ **`/NAME.asm`** を探して vCPU で実行 3. それでもなければ **`/NAME.c`** を探して LiveC で実行 4. どれもなければ `Bad command or file name` この二段構え（アセンブリとC）がLinDosの大きな特徴です。 --- ## 実装されている主なコマンド | コマンド | 説明 | |----------|------| | `ls` / `dir [pattern]` | ファイル一覧（`*` `?` ワイルドカード対応） | | `cd <dir>` | ディレクトリ移動（`..` や `/` も可） | | `mkdir` / `rmdir` | ディレクトリ作成・削除 | | `cp` / `mv` / `ren` | コピー・移動・リネーム | | `del` | ファイル削除（ワイルドカード可） | | `cat` / `type` | ファイル内容表示 | | `echo` | 文字列表示 | | `mem` | 空きメモリ表示 | | `date` / `time` | RTCから日時表示 | | `cls` | 画面クリア | | `ver` | バージョン表示 | | `reboot` | 再起動 | | `pause` | キー入力待ち | | `help [cmd]` | ヘルプ表示 | タブ補完も実装されています。 --- ## 技術的な工夫・こだわりポイント 1. **本物のDOSの階層を忠実に再現** IO.SYS → DOS.SYS → CMD.SYS という構造をアセンブリで実現している。 2. **仮想CPUの命令を極限まで絞った** 必要最低限の命令だけでシェルが動くことを証明している。 3. **.asm と .c の両対応** 軽い処理はアセンブリ、複雑な処理はCで書けるハイブリッド構成。 4. **ワイルドカード対応のファイル操作** `del *.txt` や `ls *.c` などが普通に使える。 5. **スタックに優しい設計** vCPUやCInterpをヒープに確保するなど、深い呼び出しでもスタックオーバーフローしにくい工夫をしている。 --- ## 現時点の制限事項 - vCPUの命令セットが少ないため、複雑なアセンブリプログラムは書きにくい - マルチタスクは未実装 - メモリ保護やユーザー権限の概念なし - アセンブリの1行が64文字制限（コメントは短く英語で書く必要あり） - エラー処理がまだ甘い部分がある --- ## 今後やりたいこと - vCPUの命令セット拡張（特にメモリ操作系） - 本格的なマルチタスク - より高機能なアセンブリプログラムのサンプル追加 - ネットワーク対応（SpresenseのLTEアドオン活用） - 簡易テキストエディタの実装 - システムファイルのホットリロード --- ## おわりに LinDosは「ただ動くもの」を作るのではなく、**「仮想CPUの上で本物のDOSの構造を再現する」**という、かなり尖った方向性で作っています。 アセンブリでシェルを書き、それを仮想CPUで動かし、さらにCプログラムも実行できるというハイブリッドな構成は、公開されているプロジェクトの中でもかなり珍しいと思います。 まだまだ荒削りですが、「マイコンの上で昔のPCみたいなものを動かす」という楽しさは十分に味わえるはずです。 興味を持った方は、ぜひコードを触ってみてください。 改善案や「ここもっとこうすれば」という指摘も大歓迎です。 --- ### 動作環境 - ボード: Sony Spresense メインボード - ディスプレイ: ILI9488（480×320）+ LovyanGFX - ストレージ: microSDカード（またはSPIFFS） - ライブラリ: LovyanGFX, SDHCI --- **関連ファイル構成** ``` linDos.ino main.hpp hw.hpp cpu.hpp ← 仮想16bit CPU本体 term.hpp ← ターミナルエンジン liveC.hpp ← Cインタプリタ（.c実行用） kernel.hpp ← ブートローダ + ビルトインコマンド writeFile.hpp ← システムファイルソース（IO.SYS / DOS.SYS / CMD.SYS） ``` ### 関連コンテンツ ・[liveOS liveC](https://elchika.com/article/b4e1e0f3-5044-46c0-acd8-899735e12ec4/) ・[liveOS エディタ編](https://elchika.com/article/01717490-251c-4edf-8baf-d6957eb59c84/) ・[liveOS ch9350編](https://elchika.com/article/bb6690e3-5f79-46b9-9365-c44652c4fe31/) ・[liveOS LiveB/LiveP](https://elchika.com/article/d3597a49-cd38-4c91-9aea-a5441b0be2b6/) ・[liveOS LiveCO](https://elchika.com/article/580bf544-bf7b-48d3-b36e-4143c13ac1f8/) ・[liveOS LiveFO](https://elchika.com/article/831f9d55-fa82-4460-b5e7-d978f21e13c9/)

*このプロジェクトはArduinoフレームワーク上で開発しています。ボードはVicharak Shrike-Lite (RP2040) / Sony Spresenseの2機種に対応。*