feat: a better boot command line parser

[lunaix-os.git] / README.md

diff --git a/README.md b/README.md
index caaf720458c02d206db2fb39663e42f632cdcc95..6e528bdf04a982a0af8c92c7bdda11d759542f1c 100644 (file)
--- a/README.md
+++ b/README.md
@@ -3,15 +3,24 @@
 </p>
 
 <p align="center">
 </p>
 
 <p align="center">

-  <span>简体中文</span> | <a href="docs/README_en.md">English</a>
+  <a href="#lunaixos-project">简体中文</a> | <a href="docs/README_en.md">English</a>

 </p>
 
 </p>
 

-# LunaixOS Project 
+# The LunaixOS Project
+

 LunaixOS - 一个简单的，详细的，POSIX兼容的（但愿！），带有浓重个人风格的操作系统。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》](https://space.bilibili.com/12995787/channel/collectiondetail?sid=196337)。
 
 LunaixOS - 一个简单的，详细的，POSIX兼容的（但愿！），带有浓重个人风格的操作系统。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》](https://space.bilibili.com/12995787/channel/collectiondetail?sid=196337)。
 

-## 当前进度以及支持的功能
+## 1. 一些实用资源
+
+如果有意研读LunaixOS的内核代码和其中的设计，以下资料可能会对此有用。
+
++ [内核虚拟内存的详细布局](docs/img/lunaix-os-mem.png)
++ [LunaixOS启动流程概览](docs/img/boot_sequence.jpeg)
++ LunaixOS总体架构概览（WIP）
+
+## 2. 当前进度以及支持的功能

 
 

-该操作系统支持x86架构，运行在保护模式中，采用宏内核架构，目前仅支持单核心。内存结构采用经典的3:1划分，即低3GiB为用户地址空间（0x400000 ~ 0xBFFFFFFF），内核地址空间重映射至高1GiB（0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF）。内存的详细布局可参考[LunaixOS内存地图](docs/img/lunaix-os-mem.png)
+该操作系统支持x86架构，运行在保护模式中，采用宏内核架构，目前仅支持单核心。架构与内核的解耦合工作正在进行中。

 
 在下述列表中，则列出目前所支持的所用功能和特性。列表项按照项目时间戳进行升序排列。
 
 
 在下述列表中，则列出目前所支持的所用功能和特性。列表项按照项目时间戳进行升序排列。
 


@@ -19,64 +28,143 @@ LunaixOS - 一个简单的，详细的，POSIX兼容的（但愿！），带有
 + APIC/IOAPIC作为中断管理器和计时器
 + ACPI
 + 虚拟内存
 + APIC/IOAPIC作为中断管理器和计时器
 + ACPI
 + 虚拟内存

-+ 内存管理与按需分页（Demand Paging）
++ 内存管理与按需分页

 + 键盘输入
 + 多进程
 + 键盘输入
 + 多进程

-+ 17个常见的Linux/POSIX系统调用（[附录1](#appendix1)）
++ 54个常见的Linux/POSIX系统调用（[附录1](#appendix1)）

 + 用户模式
 + 信号机制
 + PCI 3.0
 + PCIe 1.1 (WIP)
 + 用户模式
 + 信号机制
 + PCI 3.0
 + PCIe 1.1 (WIP)

-+ Serial ATA AHCI (WIP)
-
-## 目录结构
-
-| | |
-|-----|------|
-| [lunaix-os](lunaix-os/) | LunaixOS源代码 |
-| [slides](slides/) | 视频中所用的幻灯片和补充材料 |
-| [reference-material](reference-material/)| 标准，技术文档和参考文献 |
-
-## 编译与构建
++ Serial ATA AHCI
++ 文件系统
+  + 虚拟文件系统
+  + ISO9660
+    + 原生
+    + Rock Ridge拓展
++ 远程GDB串口调试 (COM1@9600Bd)
++ 用户程序加载与执行
++ 动态链接 (WIP)
++ 通用设备抽象层
++ 通用图形设备抽象层
+  + 标准VGA实现
++ 虚拟终端设备接口（兼容 POSIX.1-2008）
+
+已经测试过的环境：
+
++ QEMU (>=7.0.0)
++ Bochs（SATA功能不支持）
++ Virtualbox
++ Dell G3 3779
+
+## 3. 目录结构
+
+|                                           |                              |
+| ----------------------------------------- | ---------------------------- |
+| [lunaix-os](lunaix-os/)                   | LunaixOS源代码               |
+| [slides](slides/)                         | 视频中所用的幻灯片和补充材料 |
+| [reference-material](reference-material/) | 标准，技术文档和参考文献     |
+
+## 4. 编译与构建

 
 构建该项目需要满足以下条件：
 
 
 构建该项目需要满足以下条件：
 

-+ gcc (目标平台: i686-elf)
-+ binutils
++ gcc 工具链

 + make
 + xorriso
 + grub-mkrescue
 
 + make
 + xorriso
 + grub-mkrescue
 

-**注意：gcc不能是本机自带的，必须要从源码编译，并配置目标平台为：`i686-elf`，以进行交叉编译。配置过程可参考[附录二：编译gcc作为交叉编译器](#appendix2)。**
+### 4.1 使用 GNU CC 工具链
+
+正如同大多数OS一样，LunaixOS 是一个混合了 C 和汇编的产物。这就意味着你得要使用一些标准的C编译器来构建Lunaix。在这里，我推荐使用 GNU CC 工具链来进行构建。至于其他的工具链，如llvm，也可以去尝试，但对此我就不能作任何的保证了。
+
+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**。 当然了，如果说你的平台是其他非x86的，你也可以指定使用某个针对x86_32的gcc套件来进行交叉编译——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来进行交叉编译：
+
+```
+make CX_PREFIX=i686-linux-gnu- all
+```
+
+由于目前Lunaix仅支持x86_32微架构， `CX_PREFIX` 指向的gcc必须具有针对x86_32架构进行交叉编译的能力。
+
+### 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](https://github.com/Minep/os-devkit)。
+
+### 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：
 
 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` | 构建镜像（`-O2`） |
-| `make all-debug` | 构建适合调试用的镜像（`-Og`） |
-| `make run` | 使用QEMU运行build目录下的镜像|
-| `make debug-qemu` | 构建并使用QEMU进行调试 |
-| `make debug-bochs` | 构建并使用Bochs进行调试 |
-| `make debug-qemu-vscode` | 用于vscode整合 |
-| `make clean` | 删除build目录 |
+| 命令                     | 用途                                            |
+| ------------------------ | ----------------------------------------------- |
+| `make all`               | 构建镜像（`-O2`，但禁用CSE相关的优化项 **※** ） |
+| `make instable`          | 构建镜像（`-O2`，开启CSE相关优化）              |
+| `make all-debug`         | 构建适合调试用的镜像（`-Og`）                   |
+| `make run`               | 使用QEMU运行build目录下的镜像                   |
+| `make debug-qemu`        | 构建并使用QEMU进行调试                          |
+| `make debug-bochs`       | 构建并使用Bochs进行调试                         |
+| `make debug-qemu-vscode` | 用于vscode整合                                  |
+| `make clean`             | 删除build目录                                   |
+
+**※：由于在`-O2`模式下，GCC会进行CSE优化，这导致LunaixOS会出现一些非常奇怪、离谱的bug，从而影响到基本运行。具体原因有待调查。**
+
+## 5. 运行，分支以及 Issue
+
+### 5.1 虚拟磁盘（非必须）
+
+你可以绑定一个虚拟磁盘镜像，可以使用如下命令快速创建一个：
+
+```bash
+qemu-img create -f vdi machine/disk0.vdi 128M
+```
+
+如果你想要使用别的磁盘镜像，需要修改`configs/make-debug-tool`
+
+找到这一行：
+
+```
+-drive id=disk,file="machine/disk0.vdi",if=none \
+```
+
+然后把`machine/disk0.vdi`替换成你的磁盘路径。
+
+有很多办法去创建一个虚拟磁盘，比如[qemu-img](https://qemu-project.gitlab.io/qemu/system/images.html)。

 
 

-## 运行以及Issue
+### 5.2 代码稳定性

 
 

-在大多数情况下，我都会尽量保证本机运行无误后，push到仓库中。同时，该系统是经过本机测试，能够在Bochs，QEMU (`= 7.0`)，VirtualBox下正常的运行（暂时没试过真机）。如果发现在使用`make all`之后，虚拟机中运行报错，则一般是编译器优化问题。这个问题笔者一般很快就会修复，如果你使用别的版本的gcc（笔者版本11.2），出现了此问题，欢迎提issue。请参考[附录3：Issue的提交](#appendix3)
+主分支一般是稳定的。因为在大多数情况下，我都会尽量保证本机运行无误后，push到该分支中。至于其他的分支，则是作为标记或者是开发中的功能。前者标记用分支一般会很快删掉；后者开发分支不能保证稳定性，这些分支的代码有可能没有经过测试，但可以作为Lunaix当前开发进度的参考。
+
+该系统是经过虚拟机和真机测试。如果发现在使用`make all`之后，虚拟机中运行报错，则一般是编译器优化问题。这个问题笔者一般很快就会修复，如果你使用别的版本的gcc（笔者版本11.2），出现了此问题，欢迎提issue。请参考[附录3：Issue的提交](#appendix3)

 
 下面列出一些可能会出现的问题。
 
 
 下面列出一些可能会出现的问题。
 

-#### 问题#1： QEMU下8042控制器提示找不到。
+#### 问题#1： QEMU下8042控制器提示找不到

 
 这是QEMU配置ACPI时的一个bug，在7.0.0版中修复了。
 
 
 这是QEMU配置ACPI时的一个bug，在7.0.0版中修复了。
 

-#### 问题#2：多进程运行时，偶尔会出现General Protection错误。
+#### 问题#2：多进程运行时，偶尔会出现General Protection错误

 
 这很大概率是出现了竞态条件。虽然是相当不可能的。但如果出现了，还是请提issue。
 
 
 这很大概率是出现了竞态条件。虽然是相当不可能的。但如果出现了，还是请提issue。
 

-## 参考教程
+#### 问题#3：Bochs无法运行，提示找不到AHCI控制器
+
+正常，**因为Bochs不支持SATA**。请使用QEMU或VirtualBox。
+
+## 6. 调试 Lunaix 内核
+
+除了[附录4：串口GDB远程调试](#appendix4)描述的一种用于实机调试的方式以外。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充，主要用于改善与简化内核调试的过程。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`<pid>`未指定，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`<pid>`未指定，则默认为正在运行的进程（smp=1）。
++ `proc_table` 列举所有非终止的进程以及他们的状态。
+
+该插件可以通过运行以下命令来进行安装：
+
+```shell
+./scripts/gdb/install_lunadbg
+```
+
+## 7. 参考教程

 
 **没有！！** 本教程以及该操作系统均为原创，没有基于任何市面上现行的操作系统开发教程，且并非是基于任何的开源内核的二次开发。
 
 
 **没有！！** 本教程以及该操作系统均为原创，没有基于任何市面上现行的操作系统开发教程，且并非是基于任何的开源内核的二次开发。
 


@@ -87,6 +175,7 @@ LunaixOS - 一个简单的，详细的，POSIX兼容的（但愿！），带有
 当然，您也可以参考以下列表来了解现阶段的LunaixOS都使用了哪些资料（本列表会随着开发进度更新）：
 
 #### 手册，标准，技术文档
 当然，您也可以参考以下列表来了解现阶段的LunaixOS都使用了哪些资料（本列表会随着开发进度更新）：
 
 #### 手册，标准，技术文档

+

 + [Intel 64 and IA-32 Architecture Software Developer's Manual (Full Volume Bundle)](https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/technical/intel-sdm.html)
 + [ACPI Specification (version 6.4)](https://uefi.org/sites/default/files/resources/ACPI_Spec_6_4_Jan22.pdf)
 + IBM PC/AT Technical Reference
 + [Intel 64 and IA-32 Architecture Software Developer's Manual (Full Volume Bundle)](https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/technical/intel-sdm.html)
 + [ACPI Specification (version 6.4)](https://uefi.org/sites/default/files/resources/ACPI_Spec_6_4_Jan22.pdf)
 + IBM PC/AT Technical Reference


@@ -98,29 +187,36 @@ LunaixOS - 一个简单的，详细的，POSIX兼容的（但愿！），带有
 + PCI Express Base Specification, Revision 1.1
 + PCI Firmware Specification, Revision 3.0
 + Serial ATA - Advanced Host Controller Interface (AHCI), Revision 1.3.1
 + 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
++ Serial ATA: High Speed Serialized AT Attachment, Revision 3.2
++ SCSI Command Reference Manual
++ ATA/ATAPI Command Set - 3 (ACS-3)
++ [ECMA-119 (ISO9660)](https://www.ecma-international.org/publications-and-standards/standards/ecma-119/)
++ 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相关的标准最终解释权归PCI-SIG所有。此处提供的副本仅供个人学习使用。任何商用目的须向PCI-SIG购买。**
 
 #### 理论书籍
 
 **免责声明：PCI相关的标准最终解释权归PCI-SIG所有。此处提供的副本仅供个人学习使用。任何商用目的须向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)
 + *Computer System - A Programmer's Perspective Third Edition (CS:APP)* (Bryant, R & O'Hallaron, D)
 + *Modern Operating System* (Tanenbaum, A)

-+ 《汇编语言》（王爽） - 用于入门Intel语法的x86汇编（对于AT&T语法，推荐阅读CS:APP）
-+ ~~《微机原理与接口技术》 - 用于大致了解x86架构的微机体系（更加细致的了解可以阅读Intel Manual）~~ （已过时，推荐阅读CS:APP）

 
 #### 网站
 
 #### 网站

+

 + [OSDev](https://wiki.osdev.org/Main_Page) - 杂七杂八的参考，很多过来人的经验。作者主要用于上古资料查询以及收集；技术文献，手册，标准的粗略总结；以及开发环境/工具链的搭建。
 + [FreeVGA](http://www.osdever.net/FreeVGA/home.htm) - 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](https://www.pcilookup.com/) - PCI设备编号查询
 
 #### 其他
 + [OSDev](https://wiki.osdev.org/Main_Page) - 杂七杂八的参考，很多过来人的经验。作者主要用于上古资料查询以及收集；技术文献，手册，标准的粗略总结；以及开发环境/工具链的搭建。
 + [FreeVGA](http://www.osdever.net/FreeVGA/home.htm) - 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](https://www.pcilookup.com/) - PCI设备编号查询
 
 #### 其他

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

 
 

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

 
 ## 附录1：支持的系统调用<a id="appendix1"></a>
 
 
 ## 附录1：支持的系统调用<a id="appendix1"></a>
 

-### Unix/Linux/POSIX
+**Unix/Linux/POSIX**
+

 1. `sleep(3)`
 1. `wait(2)`
 1. `waitpid(2)`
 1. `sleep(3)`
 1. `wait(2)`
 1. `waitpid(2)`


@@ -134,77 +230,76 @@ LunaixOS - 一个简单的，详细的，POSIX兼容的（但愿！），带有
 1. `_exit(2)`
 1. `sigreturn(2)`
 1. `sigprocmask(2)`
 1. `_exit(2)`
 1. `sigreturn(2)`
 1. `sigprocmask(2)`

-1. `signal(2)`
+1. `sigaction(2)`

 1. `kill(2)`
 1. `sigpending(2)`
 1. `sigsuspend(2)`
 1. `kill(2)`
 1. `sigpending(2)`
 1. `sigsuspend(2)`

-
-### LunaixOS自有
+2. `read(2)`
+2. `write(2)`
+2. `open(2)`
+2. `close(2)`
+2. `mkdir(2)`
+2. `lseek(2)`
+2. `readdir(2)`
+2. `readlink(2)`
+2. `readlinkat(2)`
+2. `rmdir(2)`※
+2. `unlink(2)`※
+2. `unlinkat(2)`※
+2. `link(2)`※
+2. `fsync(2)`※
+2. `dup(2)`
+2. `dup2(2)`
+2. `symlink(2)`
+2. `chdir(2)`
+2. `fchdir(2)`
+2. `getcwd(2)`
+2. `rename(2)`※
+2. `mount(2)`
+2. `unmount` (a.k.a `umount(2)`)※
+2. `getxattr(2)`※
+2. `setxattr(2)`※
+2. `fgetxattr(2)`※
+2. `fsetxattr(2)`※
+2. `ioctl(2)`
+2. `getpgid(2)`
+2. `setpgid(2)`
+2. `mmap(2)`
+2. `munmap(2)`
+2. `execve(2)`
+3. `poll(2)` (via `pollctl`)
+3. `epoll_create(2)` (via `pollctl`)
+3. `epoll_ctl(2)` (via `pollctl`)
+3. `epoll_wait(2)` (via `pollctl`)
+
+**LunaixOS自有**

 
 1. `yield`
 
 1. `yield`

+2. `geterrno`
+3. `realpathat`
+4. `syslog`
+5. `pollctl`

 
 

-## 附录2：编译gcc作为交叉编译器<a id="appendix2"></a>
+( **※**：该系统调用暂未经过测试 )

 
 

-注意，gcc需要从源码构建，并配置为交叉编译器，即目标平台为`i686-elf`。你可以使用本项目提供的自动化脚本，这将会涵盖gcc和binutils源码的下载，配置和编译（不能保证全平台可用，目前只试过在Ubuntu系统上可以运行）。
+## 附录2：Issue的提交<a id="appendix3"></a>

 
 

-**推荐**手动编译。以下编译步骤搬运自：https://wiki.osdev.org/GCC_Cross-Compiler 
+假若Lunaix的运行出现任何问题，还请按照以下的描述，在Issue里面提供详细的信息。

 
 

-**首先安装构建依赖项：**
-```bash
-sudo apt update &&\
-     apt install -y \
-        build-essential \
-        bison\
-        flex\
-        libgmp3-dev\
-        libmpc-dev\
-        libmpfr-dev\
-        texinfo
-```
++ 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）

 
 

-**开始编译：**
-1. 获取[gcc](https://ftp.gnu.org/gnu/gcc/)和[binutils](https://ftp.gnu.org/gnu/binutils)源码
-2. 解压，并在同级目录为gcc和binutil新建专门的build文件夹
+## 附录3：串口GDB远程调试<a id="appendix4"></a>

 
 

-现在假设你的目录结构如下：
-```
-+ folder
-  + gcc-src
-  + binutils-src
-  + gcc-build
-  + binutils-build
-```
+**（该功能正在重构，目前不可用）**

 
 

-3. 确定gcc和binutil安装的位置，并设置环境变量：`export PREFIX=<安装路径>` 然后设置PATH： `export PATH="$PREFIX/bin:$PATH"`
-4. 设置目标平台：`export TARGET=i686-elf`
-5. 进入`binutils-build`进行配置
-```bash
-../binutils-src/configure --target="$TARGET" --prefix="$PREFIX" \
-       --with-sysroot --disable-nls --disable-werror
-```
-然后 `make && make install`
+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波特率上与之建立链接。但是，在将GDB与内核链接起来之前，还需要让内核处在调试模式下。

 
 

-6. 确保上述的`binutils`已经正常安装：执行：`which i686-elf-as`，应该会给出一个位于你安装目录下的路径。
-6. 进入`gcc-build`进行配置
-```bash
-../gcc-src/configure --target="$TARGET" --prefix="$PREFIX" \
-       --disable-nls --enable-languages=c,c++ --without-headers
-```
-然后编译安装（取决性能，大约10~20分钟）：
-```bash
-make all-gcc &&\
- make all-target-libgcc &&\
- make install-gcc &&\
- make install-target-libgcc
-```
-8. 验证安装：执行`i686-elf-gcc -dumpmachine`，输出应该为：`i686-elf`
+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已处在调试模式下。

 
 

-## 附录3：Issue的提交<a id="appendix3"></a>
+注意，在这个时候，LunaixOS会开始在`COM1`上监听GDB协议信息，并且暂停一切的活动（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。

 
 

-最好提供：
-+ 错误症状描述
-+ （如可能）运行截图
-+ 错误消息（如果给出）
-+ 寄存器状态的dump
-+ （如可能）提供错误发生时，EIP附近的指令（精确到函数）。如果使用`make all-debug`，会提供`build/kdump.txt`，你可以在这里面定位。或者也可以直接`objdump`
-+ （如可能）虚拟内存映射信息（QEMU下可使用`info mem`查看）。
\ No newline at end of file
+在目前，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`。足以满足大部分的调试需求。
+
+当结束调试的时候，请使用GDB的`kill`指令进行连接的断开。注意，这个指令会使得LunaixOS恢复所有暂停的活动，进入正常的运行序列，但并不会退出调试模式。GDB的挂载请求依然在LunaixOS中享有最高优先权。如果需要退出调试模式，需要往串口写入字节串：`0x40` `0x79` `0x61` `0x79`。