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从零开始构建POSIX兼容操作系统

LunaixOS操作系统内核开发POSIX兼容自制系统Github开源项目

LunaixOS是一个POSIX兼容的操作系统项目，由Lunaix内核驱动。该系统支持多种架构，实现了虚拟内存、进程管理、文件系统等核心功能。项目完全原创，不参考现有OS教程或源码，致力于从零探索操作系统开发。开发过程以视频教程形式呈现，并提供详细文档和调试工具，为操作系统爱好者提供学习和研究资源。

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LunaixOS 项目

LunaixOS - 一个简单的、详细的、POSIX兼容的（希望如此！）、带有浓重个人风格的操作系统，由 Lunaix 内核驱动。开发过程以视频教程形式在Bilibili呈现：《从零开始自制操作系统系列》。

1. 一些实用资源

如果您有兴趣研究 Lunaix 内核代码及其设计，或想开始自己的操作系统开发之路，以下资料可能会有所帮助。

2. 当前进度和支持的功能

Lunaix内核具有支持多种不同指令集架构的能力，目前支持如下：

  • x86_32
  • x86_64

Lunaix全部特性一览：

  • 使用Multiboot进行引导启动
    • Multiboot 1
    • Multiboot 2（进行中）
  • APIC/IOAPIC作为中断管理器和计时器
  • ACPI
  • 虚拟内存
    • 架构中性设计
    • 按需分页
    • 写时复制
  • 内存管理
  • 进程模型
  • 61个常见的Linux/POSIX系统调用（附录1）
  • 用户/内核态隔离
  • 信号机制
  • PCI 3.0
  • PCIe 1.1（进行中）
  • 块设备IO与驱动
    • 块IO通用缓存池
    • Serial ATA AHCI
      • ATA设备
      • ATAPI封装的SCSI协议
  • 文件系统（POSIX.1-2008，第5和10节）
    • 虚拟文件系统
    • 内核态文件系统（twifs，Lunaix自己的sysfs）
    • 设备文件系统（devfs，Lunaix自己的udev）
    • 进程文件系统（procfs）
    • ISO9660
      • ECMA-119
      • IEEE P1282（Rock Ridge扩展）
    • ext2
      • 修订版0
      • 修订版1（额外特性不支持）
  • 远程GDB串口调试（COM1@9600Bd）
  • 用户程序加载与执行
  • 通用设备抽象层
    • 架构中性的设备支持位于：lunaix-os/hal
      • 16550 UART
      • ACPI（不完全实现）
    • 架构相关的设备支持位于：lunaix-os/arch/<ARCH>/hal
      • x86
        • APIC/IOAPIC 组合
        • MC146818 RTC
        • i8042 PS/2
        • RNG（使用rdrand）
  • 通用图形设备抽象层（草案）
    • 参考：lunaix-os/hal/gfxa
  • 虚拟终端设备接口（POSIX.1-2008，第11节）
    • 参考：lunaix-os/hal/term
  • 线程模型
    • 用户线程支持（pthread系列）
    • 内核线程支持
  • 抢占式内核设计
    • 内核态上下文切换
    • 内核态异常挂起/死锁自动检测机制

3. 目录结构

lunaix-osLunaixOS源代码
slides视频中所用的幻灯片和补充材料
reference-material标准、技术文档和参考文献

4. 编译与构建

！如果想要立即构建并运行，请参考4.6！

构建该项目需要满足以下条件：

  • gcc 工具链
  • make
  • xorriso
  • grub-mkrescue

4.1 使用 GNU CC 工具链

与大多数内核一样，Lunaix 是一个混合了 C 和汇编的产物。这意味着你需要使用标准的C编译器来构建Lunaix。在这里，我推荐使用 GNU CC 工具链进行构建。因为Lunaix 在编写时使用了大量的GNU CC 相关编译器属性修饰 (__attribute__)。如果使用其他工具链，如LLVM，我就不能做出任何保证了。

如果你使用的是基于 x86 指令集的Linux系统，不论是64位还是32位，其本机自带的gcc就足以编译Lunaix。当然，如果你的平台是其他非x86的，你也可以指定使用某个针对x86_32的gcc套件进行交叉编译——在make时通过CX_PREFIX变量来指定gcc套件的前缀。如下例所示，我们可以在任意平台上，如risc-v，单独使用一个面向x86_32的gcc进行交叉编译：

make CX_PREFIX=i686-linux-gnu- all

4.2 Docker镜像

对于开发环境，本项目也提供了Docker镜像封装。开箱即用，无需配置，非常适合懒人或惜时者。详细使用方法请转到：Lunaix OSDK项目。

4.3 构建选项

假若条件满足，那么可以直接执行make all进行构建，完成后可在生成的build目录下找到可引导的iso。

本项目支持的make命令：

命令用途
make all等价于 make image
make image构建ISO镜像，可直接启动，使用ISO9660文件系统
make kernel构建内核ELF镜像，无法直接启动，需要引导程序
make clean删除构建缓存，用于重新构建
make config配置Lunaix

与make命令配套的环境变量，Lunaix的makefile会自动检测这些环境变量，以更改构建行为

  • MODE={debug|release} 使用debug模式构建（-Og）或者release模式（-O2）
  • ARCH=<isa> 为指定的指令集架构编译Lunaix。所使用的配置选项均为选定架构默认，该环境变量 存在的目的就是方便用户进行快速编译，而无需钻研Lunaix的种种配置项。

4.4 Lunaix的功能配置

Lunaix是一个可配置的内核，允许用户在编译前选择应当包含或移除的功能。

使用make config来进行基于命令行的交互配置。呈现方式采用Shell的形式，所有的配置项按照类似于文件树的形式组织，如单个配置项为一个"文件"，多个配置项组成的配置组为一个目录，呈现形式为方括号[]包裹起来的项目。在提示符中输入usage并回车可以查看具体的使用方法。

一个最常用的配置可能就是architecture_support/arch了，也就是配置Lunaix所面向的指令集。比如，编译一个在x86_64平台上运行的Lunaix，在提示符中输入（注意等号两侧的空格，这是不能省略的）：

/architecture_support/arch = x86_64

之后输入exit保存并退出。然后正常编译。

4.5 设置内核启动参数

在 make 时通过CMDLINE变量可以设置内核启动参数列表。该列表可以包含多个参数，通过一个或多个空格来分割。每个参数可以为键值对 <key>=<val> 或者是开关标志位 <flag>。目前 Lunaix 支持以下参数：

  • console=<dev> 设置系统终端的输入输出设备（tty设备）。其中 <dev> 是设备文件路径 （注意，这里的设备文件路径是针对Lunaix，而非Linux）。关于LunaixOS设备文件系统的介绍可参考 Lunaix Wiki（进行中）

如果CMDLINE未指定，则将会载入默认参数：

console=/dev/ttyFB0

其中，/dev/ttyFB0 指向基于VGA文本模式的tty设备，也就是平时启动QEMU时看到的黑色窗口。

当然，读者也可以使用 /dev/ttyS0 作为默认tty设备，以验证 Lunaix 的灵活性与兼容性。该路径指向第一个串口设备。可以通过telnet协议在12345端口上进行访问——端口号可以通过修改QEMU启动参数（位于：makeinc/qemu.mkinc）来更改。

注意： 根据操作系统和键盘布局的不同，telnet客户端对一些关键键位的映射（如退格，回车）可能有所差别（如某些版本的Linux会将退格键映射为0x7f，即ASCII的<DEL>字符，而非通常的0x08）。如果读者想要通过串口方式使用Lunaix，请修改usr/init/init.c中的终端初始化代码，将VERASE设置为正确的映射（修改方式可参考 POSIX termios 的使用方法。由于Lunaix的终端接口实现完全兼容POSIX，读者可以直接查阅Linux自带的帮助man termios，无需作任何转换）

4.6 测试与体验 Lunaix

用户可以使用脚本live_debug.sh来快速运行Lunaix。该脚本会自动按照默认选项构建Lunaix，然后调用 scripts/qemu.py 根据配置文件生成QEMU启动参数（配置文件位于scripts/qemus/）

由于该脚本的主要用途是方便作者进行调试，所以在QEMU窗口打开后还需要进行以下操作：

  1. 使用telnet连接到localhost:12345，这里是Lunaix进行标准输入输出所使用的UART映射（QEMU为guest提供UART实现，并将其通过telnet协议重定向到宿主机）
  2. 在GDB窗口中输入c然后回车，此时Lunaix开始运行。这样做的目的是允许在QEMU进行模拟前，事先设置感兴趣的断点。

该脚本的运行需要设置 ARCH=<isa> 环境变量，其值需要与编译时指定的值一致。

例如：

ARCH=x86_64 ./live_debug.sh

5. 运行，分支以及 Issue

5.1 代码稳定性

主分支通常是稳定的。因为在大多数情况下，我都会尽量确保本机运行无误后，才push到该分支。所有正在开发的功能请参考当前活跃的Pull Request。

如果主分支的运行出现了问题，欢迎提issue。请参考附录3：Issue的提交

6. 调试 Lunaix 内核

除了附录4：串口GDB远程调试描述的一种用于实机调试的方式外，LunaixOS还提供了LunaDBG调试套件。这是一个GDB客户端插件，包含了对GDB原生命令集的一些扩展，主要用于改善和简化内核调试过程。目前包含以下几个命令：

  • vmrs [pid] 列举进程<pid>的内存区域图（Memory Regions），如果未指定<pid>，则默认为正在运行的进程（smp=1）。
  • proc [pid] 打印进程<pid>的进程控制块状态，如果未指定<pid>，则默认为正在运行的进程（smp=1）。
  • sched <threads | procs> [-l] 查看调度器信息，接受两个参数：
    • threads 打印所有在调度器中注册的线程
    • procs 打印所有在调度器中注册的进程
    • 可选开关 -l 决定是否以长列表形式打印（更详细的信息）

该插件可以通过运行以下命令来安装：

./scripts/gdb/install_lunadbg

7. 参考教程

没有！！

本教程以及该操作系统的所有架构设计与实现均为原创。

对此，作者可以保证，该项目做到了三个 "没有"：

  • 没有 参考任何现有的操作系统开发教程或书籍。
  • 没有 参考任何开源内核的源代码（包括Linux）。
  • 没有 基于任何开源内核进行二次开发。

为了开发LunaixOS，作者花费了大量时间和精力研究技术文档、手册、理论书籍以及现行工业标准，从而尽可能保证了知识的一手性。（这样一来，读者和听众们也算是获得了二手知识，而不是三手、四手甚至n手的知识）。

大部分的文档和标准可以在上述的reference-material中找到。

当然，您也可以参考以下列表来了解当前阶段的LunaixOS使用了哪些资料（本列表会随开发进度更新）：

手册，标准，技术文档

  • Intel 64 and IA-32 Architecture Software Developer's Manual (Full Volume Bundle)
  • ACPI Specification (version 6.4)
  • IBM PC/AT Technical Reference
  • IBM VGA/XGA Technical Reference
  • 82093AA I/O Advanced Programmable Controller (IOAPIC) (Datasheet)
  • MC146818A (Datasheet)
  • Intel 500 Series Chipset Family Platform Controller Hub (Datasheet - Volume 2)
  • PCI Local Bus Specification, Revision 3.0
  • PCI Express Base Specification, Revision 1.1
  • PCI Firmware Specification, Revision 3.0
  • Serial ATA - Advanced Host Controller Interface (AHCI), Revision 1.3.1
  • Serial ATA: High Speed Serialized AT Attachment, Revision 3.2
  • SCSI Command Reference Manual
  • ATA/ATAPI Command Set - 3 (ACS-3)
  • ECMA-119 (ISO9660)
  • Rock Ridge Interchange Protocol (RRIP: IEEE P1282)
  • System Use Sharing Protocol (SUSP: IEEE P1281)
  • Tool Interface Standard (TIS) Portable Formats Specification (Version 1.1)

免责声明：PCI相关标准的最终解释权归PCI-SIG所有。此处提供的副本仅供个人学习使用。任何商业用途须向PCI-SIG购买。

理论书籍

  • Computer System - A Programmer's Perspective Third Edition (CS:APP) (Bryant, R & O'Hallaron, D)
  • Modern Operating System (Tanenbaum, A)

网站

  • OSDev - 适合快速入门和一些文档手册的总结。
  • FreeVGA - 98年的资源！关于VGA编程技术的宝藏网站。
  • GNU CC 和 GNU LD 的官方文档。
  • PCI Lookup - PCI设备编号查询

其他

  • Linux Manual - 用于查询*nix API的一些具体行为。

附录1：实现的 POSIX 系统接口

LunaixOS 提供了以下POSIX系统接口的实现。内核定义的系统调用号可以参考 LunaixOS系统调用表 。

  1. sleep(3)
  2. wait(2)
  3. waitpid(2)
  4. fork(2)
  5. getpid(2)
  6. getppid(2)
  7. getpgid(2)
  8. setpgid(2)
  9. brk(2)
  10. sbrk(2)
  11. _exit(2)
  12. sigreturn(2)
  13. sigprocmask(2)
  14. sigaction(2)
  15. kill(2)
  16. sigpending(2)
  17. sigsuspend(2)
  18. read(2)
  19. write(2)
  20. open(2)
  21. close(2)
  22. mkdir(2)
  23. lseek(2)
  24. readdir(2)
  25. readlink(2)
  26. readlinkat(2)
  27. rmdir(2)
  28. unlink(2)
  29. unlinkat(2)
  30. link(2)※
  31. fsync(2)
  32. dup(2)
  33. dup2(2)
  34. symlink(2)
  35. chdir(2)
  36. fchdir(2)
  37. getcwd(2)
  38. rename(2)※
  39. mount(2)
  40. unmount（又名umount(2)）※
  41. getxattr(2)※
  42. setxattr(2)※
  43. fgetxattr(2)※
  44. fsetxattr(2)※
  45. ioctl(2)
  46. getpgid(2)
  47. setpgid(2)
  48. mmap(2)
  49. munmap(2)
  50. execve(2)
  51. poll(2)（通过pollctl）
  52. epoll_create(2)（通过pollctl）
  53. epoll_ctl(2)（通过pollctl）
  54. epoll_wait(2)（通过pollctl）
  55. pthread_create
  56. pthread_self
  57. pthread_exit
  58. pthread_join
  59. pthread_kill
  60. pthread_detach
  61. pthread_sigmask

（※：该系统调用暂未经过测试）

附录2：Issue的提交

如果Lunaix运行出现任何问题，请按照以下描述在Issue中提供详细信息。

  • 可用于复现问题的描述和指引（如Lunaix运行平台的软硬件配置）
  • 错误症状描述
  • LunaixOS在panic时打印的调试信息（如无法复制，可以截图）

附录3：串口GDB远程调试

（该功能正在重构，目前不可用）

LunaixOS内核集成了最基本的GDB远程调试服务器。可通过串口COM1在9600波特率上与之建立连接。但是，在将GDB与内核连接之前，还需要让内核处于调试模式。

要进入调试模式，需要往串口（波特率如上）写入字节串 0x40 0x63 0x6D 0x63。此时，如果屏幕底部出现一条品红色背景的DEBUG 字样，那么就说明LunaixOS已处于调试模式。

注意，此时LunaixOS会开始在COM1上监听GDB协议信息，并暂停所有活动（如调度，以及对外部中断的一切响应）。用户此时需要将GDB与其挂载，并使用GDB的工作流来指示内核下一步的动作。

目前，为了防止代码过于臃肿，LunaixOS实现的是GDB远程协议要求的最小服务端命令子集：g, G, p, P, Q, S, k, ?, m, M, X。这足以满足大部分的调试需求。

当结束调试时，请使用GDB的kill指令断开连接。注意，这个指令会使LunaixOS恢复所有暂停的活动，进入正常的运行序列，但不会退出调试模式。GDB的挂载请求在LunaixOS中仍享有最高优先权。如需退出调试模式，需要往串口写入字节串：0x40 0x79 0x61 0x79。

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