# 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，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》](https://space.bilibili.com/12995787/channel/collectiondetail?sid=196337)。
## 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。
+如果有意研读 Lunaix 内核代码和其中的设计，或欲开始属于自己的OS开发之道，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）
++ [内核文档（Luna's Tour）](docs/lunaix-internal.md)
++ [LunaixOS源代码分析教程](docs/tutorial/0-教程介绍和环境搭建.md)
++ [作者修改的QEMU](https://github.com/Minep/qemu) (添加了一些额外用于调试的功能)
## 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。架构与内核的解耦合工作正在进行中。
+Lunaix内核具有支持多种不同的指令集架构的能力，目前支持如下：
-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。
++ x86_32
++ x86_64
+
+Lunaix全部特性一览：
+ 使用Multiboot进行引导启动
+ + Multiboot 1
+ + Multiboot 2 (WIP)
+ 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
-+ 键盘输入
-+ 多进程
-+ 54个常见的Linux/POSIX系统调用（[附录1](#appendix1)）
-+ 用户模式
+ + 架构中性设计
+ + 按需分页
+ + Copy-on-Write
++ 内存管理
++ 进程模型
++ 61个常见的Linux/POSIX系统调用（[附录1](#appendix1)）
++ 用户/内核态隔离
+ 信号机制
+ PCI 3.0
+ PCIe 1.1 (WIP)
-+ Serial ATA AHCI
-+ 文件系统
++ 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, section 5 & 10）
+ 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
- + 原生
- + Rock Ridge拓展
+ + ECMA-119
+ + IEEE P1282（Rock Ridge拓展）
+ + ext2
+ + Revision 0
+ + Revision 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
-+ 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
+ + 架构中性的设备支持位于：`lunaix-os/hal`
+ + 16550 UART
+ + ACPI （不完全实现）
+ + 架构耦合的设备支持位于：`lunaix-os/arch/<ARCH>/hal`
+ + x86
+ + APIC/IOAPIC 组合
+ + MC146818 RTC
+ + i8042 PS/2
+ + RNG（使用`rdrand`）
+ + [Devicetree](https://www.devicetree.org/)
++ 通用图形设备抽象层 (Draft)
+ + 参考：`lunaix-os/hal/gfxa`
++ 虚拟终端设备接口（POSIX.1-2008, section 11）
+ + 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
## 4. 编译与构建
+**！如果想要立刻构建并运行，请参考4.7！**
+
构建该项目需要满足以下条件：
+ gcc 工具链
### 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。
+正如同大多数内核一样，Lunaix 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。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__`) 。假若使用其他工具链，如LLVM，我对此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：
| 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 |
+| `make all` | 构建内核ELF镜像 |
+| `make rootfs` | 构建根文件系统镜像，将会封装`usr/`下的程序 |
+| `make clean` | 删除构建缓存，用于重新构建 |
+| `make config` | 配置Lunaix |
-**※：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。**
+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
-## 5. 运行，分支以及 Issue
++ `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。
-### 5.1 虚拟磁盘（非必须）
+### 4.4 Lunaix的功能配置
-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：
+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。采用TUI呈现，效果类似于menuconfig.
+
+如果因为某种原因，TUI界面无法呈现，那么将会默认使用shell形式的呈现：
+
+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**）：
-```bash
-qemu-img create -f vdi machine/disk0.vdi 128M
```
+/architecture_support/arch = x86_64
+```
+
+之后输入`exit`保存并退出。而后正常编译。
+
+### 4.5 设置内核参数
-å¦\82æ\9e\9cä½ æ\83³è¦\81使ç\94¨å\88«ç\9a\84ç£\81ç\9b\98é\95\9cå\83\8fï¼\8cé\9c\80è¦\81ä¿®æ\94¹`configs/make-debug-tool`
+å\9c¨ make ç\9a\84æ\97¶å\80\99é\80\9aè¿\87`CMDLINE`å\8f\98é\87\8få\8f¯ä»¥è®¾ç½®å\86\85æ ¸å\90¯å\8a¨å\8f\82æ\95°å\88\97表ã\80\82该å\88\97表å\8f¯ä»¥å\8c\85å\90«å¤\9a个å\8f\82æ\95°ï¼\8cé\80\9aè¿\87ä¸\80个æ\88\96å¤\9aä¸ªç©ºæ ¼æ\9d¥å\88\86å\89²ã\80\82æ¯\8f个å\8f\82æ\95°å\8f¯ä»¥ä¸ºé\94®å\80¼å¯¹ `<key>=<val>` æ\88\96è\80\85æ\98¯å¼\80å\85³æ \87å¿\97ä½\8d `<flag>`ã\80\82ç\9b®å\89\8d Lunaix æ\94¯æ\8c\81以ä¸\8bå\8f\82æ\95°ï¼\9a
-找到这一行：
++ `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（WIP）
++ （参考 4.6）
+
+如果`CMDLINE`未指定，则将会载入默认参数：
```
--drive id=disk,file="machine/disk0.vdi",if=none \
+console=/dev/ttyFB0
```
-然后把`machine/disk0.vdi`替换成你的磁盘路径。
+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` 来作为默认tty设备，来验证 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——端口号可以自行修改QEMU启动参数（位于：`makeinc/qemu.mkinc`）来变更。
+
+**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`，也就是ASCII的`<DEL>`字符，而非我们熟知`0x08`）。如果读者想要通过串口方式把玩Lunaix，请修改`usr/init/init.c`里面的终端初始化代码，将`VERASE`设置为正确的映射（修改方式可以参考 POSIX termios 的使用方式。由于Lunaix的终端接口的实现是完全兼容POSIX的，读者可以直接去查阅Linux自带的帮助`man termios`，无需作任何的转换）
+
-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)。
+### 4.6 Lunaix的启动
-### 5.2 代码稳定性
+由于 Lunaix 的定位是内核。为了避免太多的编译时的前置要求，同时为了提高灵活性，我们移除了iso文件的封装功能。目前的 Lunaix 将只会编译出一个 ELF 格式的二进制文件。用户可以根据自己的喜好，使用的不同的方式，不同的 bootloader 来引导 Lunaix.
-主å\88\86æ\94¯ä¸\80è\88¬æ\98¯ç¨³å®\9aç\9a\84ã\80\82å\9b 为å\9c¨å¤§å¤\9aæ\95°æ\83\85å\86µä¸\8bï¼\8cæ\88\91é\83½ä¼\9aå°½é\87\8fä¿\9dè¯\81æ\9c¬æ\9cºè¿\90è¡\8cæ\97 误å\90\8eï¼\8cpushå\88°è¯¥å\88\86æ\94¯ä¸ã\80\82è\87³äº\8eå\85¶ä»\96ç\9a\84å\88\86æ\94¯ï¼\8cå\88\99æ\98¯ä½\9c为æ \87è®°æ\88\96è\80\85æ\98¯å¼\80å\8f\91ä¸ç\9a\84å\8a\9fè\83½ã\80\82å\89\8dè\80\85æ \87è®°ç\94¨å\88\86æ\94¯ä¸\80è\88¬ä¼\9aå¾\88å¿«å\88 æ\8e\89ï¼\9bå\90\8eè\80\85å¼\80å\8f\91å\88\86æ\94¯ä¸\8dè\83½ä¿\9dè¯\81稳å®\9aæ\80§ï¼\8cè¿\99äº\9bå\88\86æ\94¯ç\9a\84代ç \81æ\9c\89å\8f¯è\83½æ²¡æ\9c\89ç»\8fè¿\87æµ\8bè¯\95ï¼\8cä½\86å\8f¯ä»¥ä½\9c为Lunaixå½\93å\89\8då¼\80å\8f\91è¿\9b度ç\9a\84å\8f\82è\80\83ã\80\82
+为äº\86è\83½å¤\9f使å¾\97 Lunaix è\83½å¤\9fæ£ç¡®ç\9a\84å\90¯å\8a¨ï¼\8cç\94¨æ\88·å¿\85须设置以ä¸\8bå\86\85æ ¸å\8f\82æ\95°ï¼\9a
-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)
++ `rootfs=` 指明根目录设备，值为设备文件路径，指向包含根文件系统的磁盘设备，如`/dev/block/sda`。 Lunaix将会在启动之后自动挂在该文件系统到根目录。缺少此选项 Lunaix 将会拒绝启动，并进入 kernel panic （在 Lunaix 的世界里，这个被称之为 Nightmare Moon arrival ）
++ `init=` 指明 init 程序的位置，该程序必须放在 `rootfs` 中。改选项为可选设置，其默认值为 `/init`。 init 程序是 Lunaix 在启动后所运行的第一个程序。
-下面列出一些可能会出现的问题。
+### 4.7 测试与体验 Lunaix
-#### 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。
+想要快速体验，请跟随以下步骤：
-#### 问题#2：多进程运行时，偶尔会出现General Protection错误
+1. 决定一个你想要体验的架构，如 `x86_64`。 （支持：`x86_64`, `i386`）为了叙述方便，这个架构在下文被指代为`<arch>`
+2. 检查你是否安装了： `qemu-system-<arch>`，`gdb`，`python3`，`telnet`，`gcc`
+3. 运行 `make ARCH=<arch> user` 来编译自带的用户程序
+4. 运行 `make ARCH=<arch> rootfs` 来打包根文件系统镜像。（需要本机系统支持 `dd`，`mkfs.ext2`, `mount -o loop`, `mktemp`）
+5. 运行 `ARCH=<arch> live_debug.sh` 来启动
-è¿\99å¾\88大æ¦\82ç\8e\87æ\98¯å\87ºç\8e°äº\86ç«\9eæ\80\81æ\9d¡ä»¶ã\80\82è\99½ç\84¶æ\98¯ç\9b¸å½\93ä¸\8då\8f¯è\83½ç\9a\84ã\80\82ä½\86å¦\82æ\9e\9cå\87ºç\8e°äº\86ï¼\8cè¿\98æ\98¯è¯·æ\8f\90issueã\80\82
+该è\84\9aæ\9c¬è\87ªå\8a¨æ\8c\89ç\85§é»\98认ç\9a\84é\80\89项æ\9e\84建Lunaixï¼\8cè\80\8cå\90\8eè°\83ç\94¨ `scripts/qemu.py` æ ¹æ\8d®é\85\8dç½®æ\96\87件ç\94\9fæ\88\90QEMUå\90¯å\8a¨å\8f\82æ\95°ï¼\88é\85\8dç½®æ\96\87件ä½\8däº\8e`scripts/qemus/`ï¼\89
-#### 问题#3：Bochs无法运行，提示找不到AHCI控制器
+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动作：
+
+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，并将其利用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，事先打好感兴趣的断点。
+
+## 5. 运行，分支以及 Issue
-正常，**因为Bochs不支持SATA**。请使用QEMU或VirtualBox。
+### 5.1 代码稳定性
+
+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。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此问题，欢迎提issue。请参考[附录3：Issue的提交](#appendix3)
## 6. 调试 Lunaix 内核
+ `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。
++ `sched <threads | procs> [-l]` 查看调度器信息，接受两个参数：
+ + `threads` 打印所有依然在调度器中有注册的线程
+ + `procs` 打印所有依然在调度器中有注册的进程
+ + 可选开关 `-l` 决定是否以长列表打印（更详细的信息）
该插件可以通过运行以下命令来进行安装：
## 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的所有的架构设计与实现**均为原创**。
+
+对此，作者可以保证，该项目是做到了三个 “没有”：
+
++ **没有** 参考任何现行的，关于操作系统开发的，教程或书籍。
++ **没有** 参考任何开源内核的源代码（包括Linux）
++ **没有** 基于任何开源内核的二次开发行为。
为了制作LunaixOS，作者耗费大量时间和精力钻研技术文档，手册，理论书籍以及现行工业标准，从而尽量保证了知识的一手性。（这样一来，读者和听众们也算是拿到了二手的知识，而不是三手，四手，甚至n手的知识）。
#### 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。
++ [OSDev](https://wiki.osdev.org/Main_Page) - 适合快速入门，和一些文档手册的总结。
+ [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
+ 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：
实现的 POSIX 系统接口 <a id="appendix1"></a>
-**Unix/Linux/POSIX**
+LunaixOS 提供对以下POSIX的系统接口的实现。内核定义的系统调用号可以参考 [LunaixOS系统调用表](docs/lunaix-syscall-table.md) 。
1. `sleep(3)`
1. `wait(2)`
2. `readdir(2)`
2. `readlink(2)`
2. `readlinkat(2)`
-2. `rmdir(2)`※
-2. `unlink(2)`※
-2. `unlinkat(2)`※
+2. `rmdir(2)`
+2. `unlink(2)`
+2. `unlinkat(2)`
2. `link(2)`※
-2. `fsync(2)`※
+2. `fsync(2)`
2. `dup(2)`
2. `dup2(2)`
2. `symlink(2)`
3. `epoll_create(2)` (via `pollctl`)
3. `epoll_ctl(2)` (via `pollctl`)
3. `epoll_wait(2)` (via `pollctl`)
+4. `pthread_create`
+4. `pthread_self`
+4. `pthread_exit`
+4. `pthread_join`
+4. `pthread_kill`
+4. `pthread_detach`
+4. `pthread_sigmask`
-**LunaixOS自有**
-
-1. `yield`
-2. `geterrno`
-3. `realpathat`
-4. `syslog`
-5. `pollctl`
( **※**：该系统调用暂未经过测试 )
git://scm.lunaixsky.com / lunaix-os.git / blobdiff