关于 os-dev-scratch
面向操作系统学习者和内核开发者的从零构建 OS 指南,涵盖启动、内存、处理中断与上下文切换,并以 xv6-RISC-V 作为参考。
主要功能
- 01梳理 BIOS、UEFI 与引导阶段
- 02设置 x86-64 长模式与页表
- 03实现 IDT、中断处理和控制器配置
- 04编写串口与键盘驱动
- 05构建物理和虚拟内存管理
- 06实现上下文切换并用 QEMU 测试
适用场景
- 01学习从上电到内核入口的启动过程
- 02实现 x86-64 保护模式或长模式切换
- 03编写内存分配器和页表管理器
- 04在 QEMU 中测试中断与内核
安装
复制下面的命令,在终端中运行。
$
npx skills add https:/ / github.com/ mohitmishra786/ low-level-dev-skills --skill os-dev-scratch安装后在 Claude Code 中输入/os-dev-scratch确认已加载。
详细介绍
从零开始开发操作系统
用途
指导 Agent 从零构建一个最小操作系统:引导加载程序阶段(BIOS/GRUB 与 UEFI/limine)、使用 GDT 和页表设置 64 位长模式、IDT 和中断处理程序、PIC/APIC 配置、基本键盘和串口驱动、物理和虚拟内存管理器、上下文切换,并以 xv6-RISC-V 作为参考架构。
适用场景
- 学习操作系统如何从通电启动到
main() - 实现 x86-64 上的保护模式/长模式切换
- 编写物理内存分配器(位图)和页表管理器
- 处理定时器、键盘和缺页中断
- 使用 QEMU
-kernel和交叉编译器x86_64-elf-gcc进行测试 - 将 xv6 中的概念移植到自定义 x86 或 RISC-V 内核
工作流
1. 引导阶段概览
BIOS path (legacy)
├── BIOS POST
├── MBR (512 bytes) → boot sector loads stage2
├── GRUB/multiboot → loads kernel ELF
└── kernel entry (_start)
UEFI path (modern)
├── UEFI firmware
├── EFI bootloader (limine, systemd-boot)
├── Loads kernel + initrd from ESP
└── kernel entry (handoff with memory map)
2. 工具链设置
# Cross-compiler for bare metal
brew install x86_64-elf-gcc x86_64-elf-binutils # macOS
# or build from source / apt install gcc-x86-64-elf
x86_64-elf-gcc --version
# QEMU for testing
qemu-system-x86_64 --version
链接器脚本要点:
/* linker.ld */
ENTRY(_start)
SECTIONS {
. = 0x100000; /* 1MB — typical kernel load address */
.text : { *(.text .text.*) }
.rodata : { *(.rodata .rodata.*) }
.data : { *(.data .data.*) }
.bss : { *(.bss .bss.*) }
}
x86_64-elf-gcc -ffreestanding -nostdlib -c kernel.c -o kernel.o
x86_64-elf-ld -T linker.ld kernel.o -o kernel.elf
3. Multiboot/limine 引导
# QEMU direct kernel boot (no disk)
qemu-system-x86_64 \
-kernel kernel.elf \
-serial stdio \
-m 128M \
-no-reboot -no-shutdown
# With limine (UEFI)
qemu-system-x86_64 \
-bios /usr/share/ovmf/OVMF.fd \
-drive file=disk.img,format=raw \
-serial stdio
4. 长模式设置
Protected mode (32-bit) → enable PAE → setup 4-level page tables → enable long mode
// Minimal GDT entry (64-bit flat segments)
struct gdt_entry {
uint16_t limit_low;
uint16_t base_low;
uint8_t base_mid;
uint8_t access;
uint8_t granularity;
uint8_t base_high;
} __attribute__((packed));
// Page table setup (4KB pages, identity map first 1GB)
uint64_t pml4[512] __attribute__((aligned(4096)));
uint64_t pdpt[512] __attribute__((aligned(4096)));
uint64_t pd[512] __attribute__((aligned(4096)));
void setup_paging(void) {
for (int i = 0; i < 512; i++)
pd[i] = (i * 0x200000) | 0x83; // 2MB huge pages
pdpt[0] = (uint64_t)pd | 0x03;
pml4[0] = (uint64_t)pdpt | 0x03;
__asm__ volatile("mov %0, %%cr3" :: "r"(pml4));
}
5. IDT 和中断处理程序
struct idt_entry {
uint16_t offset_low;
uint16_t selector;
uint8_t ist;
uint8_t type_attr;
uint16_t offset_mid;
uint32_t offset_high;
uint32_t zero;
} __attribute__((packed));
// ISR stub (assembly) → common handler → dispatch by vector
void interrupt_handler(struct trap_frame *frame) {
if (frame->vector == 14) // page fault
handle_page_fault(frame->cr2, frame->error_code);
else if (frame->vector == 33) // keyboard IRQ remapped
keyboard_handler();
}
# Test page fault
# QEMU monitor: info registers
6. PIC 和 APIC
// Legacy PIC remapping (8259)
// Remap IRQ 0-15 to vectors 32-47
outb(0x20, 0x11); outb(0xA0, 0x11);
outb(0x21, 0x20); outb(0xA1, 0x28); // vector offsets
// ...
// Modern: use APIC/IOAPIC (ACPI MADT parsing)
// LAPIC timer for preemption
7. 串口和键盘驱动
// COM1 serial (0x3F8)
void serial_putc(char c) {
while ((inb(0x3F8 + 5) & 0x20) == 0);
outb(0x3F8, c);
}
// PS/2 keyboard scancode → ASCII lookup table
void keyboard_handler(void) {
uint8_t scancode = inb(0x60);
char c = scancode_to_ascii[scancode];
if (c) serial_putc(c);
outb(0x20, 0x20); // EOI to PIC
}
qemu-system-x86_64 -kernel kernel.elf -serial stdio
# printk output appears in terminal
8. 物理内存管理器
// Bitmap allocator over usable RAM regions
// From multiboot memory map or UEFI memory map
#define PAGE_SIZE 4096
uint8_t *frame_bitmap;
uint64_t total_frames;
uint64_t alloc_frame(void) {
for (uint64_t i = 0; i < total_frames; i++) {
if (!test_bit(frame_bitmap, i)) {
set_bit(frame_bitmap, i);
return i * PAGE_SIZE;
}
}
return 0; // OOM
}
9. 上下文切换
struct context {
uint64_t rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rbp, rsp;
uint64_t r8, r9, r10, r11, r12, r13, r14, r15;
uint64_t rip;
};
void switch_context(struct context *old, struct context *new);
// Assembly: save callee-saved regs to old, restore from new, ret to new->rip
先实现协作式调度;之后再添加定时器 IRQ 抢占。
10. xv6-RISC-V 参考
git clone https://github.com/mit-pdos/xv6-riscv
cd xv6-riscv && make qemu
| xv6 组件 | x86 等效项 |
|---|---|
kernel/vm.c | 页表管理 |
kernel/trap.c | IDT/中断分发 |
kernel/proc.c | 上下文切换、调度器 |
kernel/plic.c | PIC/APIC 中断控制器 |
user/usys.pl | 系统调用桩 |
常见问题
| 现象 | 原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 启动时发生三重故障 | GDT/IDT 或栈无效 | 启用中断前先设置栈 |
| QEMU 黑屏 | 未配置串口输出 | -serial stdio;提前调用 serial_init |
| 内核发生缺页 | 地址未映射 | 对内核进行恒等映射;检查 CR3 |
| IRQ 始终不触发 | PIC 掩码设置错误或未加载 IDT | 执行 lidt;在 PIC 中取消屏蔽 IRQ |
| 定时器不走 | LAPIC 未初始化 | 解析 ACPI;校准 LAPIC 定时器 |
| 链接器重定位错误 | 加载地址错误 | 使 linker.ld 与引导加载程序的预期一致 |
相关技能
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