Este projeto implementa um microkernel completo para arquitetura x86 que executa diretamente no hardware. O sistema demonstra conceitos fundamentais de sistemas operacionais através de um jogo da cobrinha, integrando:
- Bootloader Multiboot em Assembly x86
- Sistema completo de interrupções (IDT, ISR, IRQ)
- Drivers de hardware (VGA Text Mode, PS/2 Keyboard)
- Gerenciamento de memória manual
O projeto foi desenvolvido como atividade acadêmica para demonstrar a compreensão prática dos fundamentos de sistemas operacionais, desde o processo de boot até a implementação de drivers de dispositivos e aplicações interativas.
O desenvolvimento focou no atendimento completo dos requisitos estabelecidos para um microkernel funcional:
- Bootloader Assembly: Implementação de inicialização Multiboot compliant que configura o ambiente de execução e transfere controle para
kernel_main() - Saída de Vídeo: Driver VGA em modo texto com acesso direto à memória em 0xB8000, permitindo controle total sobre a apresentação visual
- Sistema de Interrupções: IDT com 256 entradas, ISRs para tratamento de exceções da CPU, e IRQs para gerenciamento de hardware
- Input de Hardware: Driver PS/2 keyboard com processamento via IRQ1 e PIC remapeado para captura de entrada do usuário
- Aplicação Interativa: Jogo da Cobrinha completo com lógica de colisão, sistema de pontuação e interface multilíngue
A aplicação do "Snake" foi escolhida por demonstrar múltiplos aspectos de programação de sistemas:
- Controle dual através de teclas WASD e setas direcionais
- Sistema TURBO com aceleração ativada por duplo comando na mesma direção
- Persistência de high score entre diferentes execuções
- Detecção precisa de colisão com bordas do campo e próprio corpo
- Geração procedural de comida com algoritmo anti-colisão
O sistema foi projetado seguindo princípios de modularidade e separação de responsabilidades:
micro-kernel/
├── boot.s # Bootloader Multiboot Assembly
├── linker.ld # Script de linking para layout de memória
├── Makefile # Sistema de build automatizado
└── kernel/
├── idt.c/h # Interrupt Descriptor Table
├── isr.c/h # CPU Exception Handlers (0-31)
├── irq.c/h # Hardware Interrupt Handlers + PIC
├── keyboard.c/h # Driver PS/2 Keyboard + FIFO buffer
├── vga.c/h # Driver VGA Text Mode + Color system
├── util.c/h # Primitivas I/O e Memory management
└── kernel.c # Kernel principal + lógica do jogo
O processo de inicialização segue uma sequência cuidadosamente orquestrada:
- GRUB/Multiboot carrega o kernel na memória conforme especificação Multiboot
- O arquivo boot.s configura o stack inicial e transfere controle para kernel_main()
- Inicialização do sistema de vídeo VGA para permitir saída visual
- Instalação da IDT (Interrupt Descriptor Table) para gerenciamento de interrupções
- Configuração dos handlers ISR/IRQ para tratamento de exceções e hardware
- Inicialização do driver de teclado e habilitação da IRQ1
- Habilitação global de interrupções através da instrução STI
- Entrada no loop principal da aplicação (jogo)
O sistema de interrupções representa o núcleo da comunicação entre hardware e software:
- IDT (Interrupt Descriptor Table): Tabela com 256 entradas mapeando vectors de interrupção para handlers específicos
- ISRs (Interrupt Service Routines): Tratamento das 32 exceções padrão do x86 (Division Error, Page Fault, General Protection Fault, etc.)
- IRQs (Interrupt Requests): PIC remapeado para evitar conflitos, direcionando IRQs 0-15 para interrupções 32-47
- IRQ1: Processamento específico do teclado através de I/O dirigido por interrupções
O driver de vídeo implementa acesso direto ao hardware VGA em modo texto:
- Resolução: Modo texto padrão de 80x25 caracteres
- Formato de dados: 16 bits por caractere (8 bits ASCII + 8 bits cor/atributo)
- Sistema de cores: Palette de 4 bits oferecendo 16 cores para foreground e background
- Acesso à memória: Memory-mapped I/O direto no endereço físico 0xB8000
O driver de teclado implementa comunicação com controlador PS/2:
- Interface de hardware: Utilização das portas 0x60 (dados) e 0x64 (status/comando)
- Buffer de entrada: FIFO circular de 64 bytes para buffering de input
- Tradução de códigos: Conversão de scancodes para ASCII com suporte a teclas especiais
- Mapeamento dual: Suporte simultâneo para controles WASD e teclas direcionais
Para compilar e executar o projeto, são necessárias as seguintes ferramentas:
# Ubuntu/Debian
sudo apt update
sudo apt install nasm qemu-system-x86 grub-pc-bin xorriso mtools build-essential gcc-multilib
# Opcional: Cross-compiler para x86
sudo apt install gcc-i686-linux-gnuO sistema de build é automatizado através do Makefile:
# Limpeza e build completo
make clean && make
# Execução direta no QEMU (método recomendado para desenvolvimento)
make run
# Criação de ISO bootável e teste
make iso
make run-iso
# Limpeza de arquivos temporários
make cleanO jogo responde aos seguintes comandos de entrada:
- WASD ou Teclas direcionais: Controle de movimento da cobra
- Duplo comando: Pressionamento duplo na mesma direção ativa modo TURBO
- R: Reinicialização do jogo após Game Over
- Q: Encerramento da aplicação e retorno ao kernel
O sistema passou por bateria abrangente de testes para validação:
- Teste de Boot: Verificação da inicialização correta via GRUB e protocolo Multiboot
- Teste de Interrupções: Validação do funcionamento de ISRs e IRQs sem General Protection Faults
- Teste de Hardware: Confirmação da responsividade adequada dos drivers VGA e Keyboard
- Teste de Lógica: Verificação do funcionamento correto da detecção de colisão, crescimento da cobra e sistema de pontuação
- Teste de Performance: Validação da estabilidade do timing e responsividade do sistema
Os testes foram realizados no seguinte ambiente controlado:
- Emulador: QEMU System i386 versão atual
- Arquitetura alvo: x86-32 (IA32)
- Memória disponível: 32MB RAM
- Método de boot: Multiboot via GRUB