X-Git-Url: https://scm.lunaixsky.com/lunaix-os.git/blobdiff_plain/8758ba5a5c739a8eb0ac5331869b7a7b393ef6c3..8c6f505faaa66e18cdca108dca549d4ad806a077:/README.md diff --git a/README.md b/README.md index 3d33abd..b8111ec 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -1,14 +1,344 @@ -# LunaixOS Project +

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-《从零开始自制操作系统系列》支持仓库 +

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-[相关视频](https://space.bilibili.com/12995787/channel/collectiondetail?sid=196337) +# 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)。 + +## 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) + +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。 + ++ 使用Multiboot进行引导启动 ++ 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） ++ 键盘输入 ++ 多进程 ++ 50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) ++ Serial ATA AHCI ++ 文件系统 + + 虚拟文件系统 + + ISO9660 + + 原生 + + Rock Ridge拓展 (WIP) ++ 远程GDB串口调试 (COM1@9600Bd) + +已经测试过的环境： + ++ QEMU (>=7.0.0) ++ Bochs（SATA功能不支持） ++ Virtualbox ++ Dell G3 3779 ## 目录结构 -| | | -|-----|------| -| [lunaix-os](lunaix-os/) | LunaixOS项目 | -| `practice-c*` | PPT与补充材料（>= EP5.3） | -| [previous-slides](previous-slides/) | 以前的PPT（< EP5.3） | -| [reference-material](reference-material/)| 参考资料 | +| | | +| ----------------------------------------- | ---------------------------- | +| [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 + +### 环境搭建 + +构建该项目需要满足以下条件： + ++ gcc (目标平台: i686-elf) ++ binutils ++ 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)。** + +### 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)。 + +### 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 | + +**※：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。** + +## 运行以及Issue + +运行该操作系统需要一个虚拟磁盘镜像，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)。 + +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。 + +#### 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。 + +#### 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。 + +#### 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。 + +## 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。 + +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）。 + +大部分的文档和标准可以在上述的[reference-material](reference-material/)中找到。 + +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 ++ 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)](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 + ++ *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 + ++ [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。 + +## 附录1：支持的系统调用 + +**Unix/Linux/POSIX** + +1. `sleep(3)` +1. `wait(2)` +1. `waitpid(2)` +1. `fork(2)` +1. `getpid(2)` +1. `getppid(2)` +1. `getpgid(2)` +1. `setpgid(2)` +1. `brk(2)` +1. `sbrk(2)` +1. `_exit(2)` +1. `sigreturn(2)` +1. `sigprocmask(2)` +1. `signal(2)` +1. `kill(2)` +1. `sigpending(2)` +1. `sigsuspend(2)` +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)` + +**LunaixOS自有** + +1. `yield` +2. `geterrno` +3. `realpathat` +4. `syslog` + +( **※**：该系统调用暂未经过测试 ) + +## 附录2：编译gcc作为交叉编译器 + +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](slides/c0-workspace/gcc-build.sh)，这将会涵盖gcc和binutils源码的下载，配置和编译（没什么时间去打磨脚本，目前只知道在笔者的Ubuntu系统上可以运行）。 + +**推荐**手动编译。以下编译步骤搬运自： + +**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 +``` + +**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 + +现在假设你的目录结构如下： + +``` ++ folder + + gcc-src + + binutils-src + + gcc-build + + binutils-build +``` + +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` + +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` + +**将新编译好的GCC永久添加到`PATH`环境变量** + +虽然这是一个常识性的操作，但考虑到许多人都会忽略这一个额外的步骤，在这里特此做出提示。 + +要想实现这一点，只需要在shell的配置文件的末尾添加：`export PATH="<上述的安装路径>/bin:$PATH"`。 + +这个配置文件是取决于你使用的shell，如zsh就是`${HOME}/.zshrc`，bash则是`${HOME}/.bashrc`；或者你嫌麻烦的，懒得区分，你也可以直接修改全局的`/etc/profile`文件，一劳永逸（但不推荐这样做）。 + +至于其他的情况，由于这个步骤其实在网上是随处可查的，所以就不在这里赘述了。 + +## 附录3：Issue的提交 + +由于目前LunaixOS没有一个完善强大的内核追踪功能。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。 + +最好提供： + ++ 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 ++ （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）。 + +## 附录4：串口GDB远程调试 + +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。 + +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。 + +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。 + +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`。 + +### GDB调试注意事项 + +在调试中，请避免使用`info stack`，`bt`或者任何涉及 **栈展开（Stack Unwinding）** 或者 **栈回溯（Stack Backtracing）** 的指令。否则，LunaixOS很有可能会出现 **不可预料的行为** 。