CoreZ OS

一个从零编写的 x86_64 长模式操作系统内核学习项目。

简介

CoreZ OS 是一个用于学习操作系统原理的教学型内核，从 16 位实模式引导扇区起步，经 加载器进入保护模式并开启长模式，最终运行一个支持多任务、用户进程、文件系统与 网络的 64 位内核。

当前内核已能在 QEMU 中稳定引导与运行：图形化 Boot Menu（VBE 1024x768 + KASLR）、 多任务与抢占式调度、COW fork 的用户进程、ext2 文件系统、/proc 伪文件系统、 TCP/UDP 网络栈、简易 GUI 合成器，以及一个可执行内置命令与用户程序的 shell。

已实现功能

引导与平台

模块	说明
引导 (Boot)	boot.asm：512 字节主引导扇区，从硬盘分区加载 loader
加载器 (Loader)	loader.asm：FAT32 读取内核、VBE 图形模式、E820 内存探测、Boot Menu（倒计时/上下键选择 + 重启项）、KASLR 内核加载地址随机化、进入保护模式 → 长模式、构造 Multiboot2 信息
中断	initer/idt：256 门 IDT，ring3 异常转信号（SIGSEGV 等），COW 缺页处理
中断控制器	initer/apic：Local APIC + IPI + LAPIC 定时器（校准 per-tick）；initer/pic/pit：PIC + PIT 回退路径
ACPI	initer/acpi：RSDP/RSDT/FADT 探测与 ACPI 使能
SMP	initer/smp：AP trampoline（低 1MB 实模式跳板）+ INIT/SIPI 唤醒 + 每 CPU GDT/栈
屏幕输出	initer/io：VBE 线性帧缓冲上绘制字库文本，kprintf/console_putc，debugcon (0xE9) 镜像输出

内存管理

模块	说明
物理内存池	memory/pool：E820 探测 + 位图管理物理页框，palloc/pfree/palloc_pages，mem_lock 保护
内核虚拟地址池	KERNEL_VADDR_START 起的 vaddr 位图，ioremap 设备映射（NX/PCD）
内核堆	get_kernel_pages：高半区（VIRT_OF = phys + 0xC0000000）直接映射分配
COW fork	userprog/fork：页表遍历复制，写时复制（COW_FLAG + 引用计数 frame_owner），缺页时 page_cow_resolve 原子完成决策/拷贝/递减
用户地址空间	每进程独立 PML4 + 用户 vaddr 位图；mmap/brk 堆扩展

进程与调度

模块	说明
线程/进程	thread：任务槽（MAX_TASKS=64，可回收）+ 红黑树就绪队列 + 时间片抢占调度，DIED 线程由调度器统一回收（栈/页目录/槽位）
用户进程	userprog/process：ring3（intr_exit 模拟中断返回）、TSS、TLS（set_thread_area）
fork/clone	userprog/fork、userprog/clone：COW 地址空间复制；clone 共享页目录与 fd 表（线程语义）
exec	userprog/exec：ELF32/ELF64 加载、辅助向量（auxv）、参数/环境入栈、W^X（可执行段 RX）
退出/等待	userprog/wait_exit：资源释放、孤儿进程自动终止回收、wait/waitpid

同步与内核服务

模块	说明
同步原语	thread/sync：信号量、可重入锁（holder/holder_repeat_nr 由信号量自带 spinlock 保护，多核安全）、自旋锁
系统调用	syscall：int 0x80（原生 ABI）+ syscall 指令路径 + musl 兼容层（linux_compat.c）；ring0 内核线程调用与 ring3 用户调用分别校验（access_ok 仅约束用户指针）
信号	syscall/signal：SIGSEGV/SIGINT 等常用信号、sigaction/sigprocmask/sigreturn、Ctrl+C 终止前台进程
futex	syscall/futex：FUTEX_WAIT/WAKE
文件系统	fs/ext2：ext2 只读元数据 + 读写的完整实现（inode/块分配释放、目录项增删、间接块、truncate），全局可重入锁串行化元数据操作
伪文件系统	fs/proc：/proc/meminfo
文件表	fs/file：全局 file 表 + 每进程 fd 表，引用计数（fork/clone/dup 共享），file_table_lock 保护槽位分配
管道	shell/pipe：ioqueue 实现的匿名管道，pipe/fd_redirect，shell 支持 `cmd1	cmd2`
inode 缓存	fs/inode：每分区红黑树缓存打开的 inode（i_open_cnt 引用计数，开/关中断对称保护）

设备与网络

模块	说明
键盘	device/keyboard：8042 扫描码 → keymap（shift/caps/ctrl/alt），ioqueue 缓冲，GUI hook
鼠标	device/mouse：PS/2 aux 通道，三字节包解析
网卡	net/e1000：PCI 探测、MMIO 寄存器、TX/RX 描述符环
网络栈	net：Ethernet/ARP/IP/ICMP/TCP/UDP + BSD socket API（socket/bind/connect/send/recv/select），QEMU user 网络下 DHCP 式自动配置 10.0.2.15
GUI	gui：简易合成器（窗口合成、鼠标、键盘事件分发），shell 输入 gui 进入

Shell 与用户程序

内置命令：ls cd pwd mkdir rmdir rm clear ps gui shutdown； 支持外部程序执行与管道。

src/command/ 下的用户程序（由内核 libc 编译为 ELF）：

程序	演示内容
prog_no_arg / prog_arg	基本执行 / 参数传递
fork_demo / orphan_demo	fork / 孤儿进程回收 / wait(NULL)
cow_stress	COW 压力测试
prog_pipe	管道
heap_demo / mmap_demo / mmap2_demo	堆与 mmap
signal_demo / futex_demo / clone_demo	信号 / futex / clone 线程
cwd_test	getcwd 边界
cat	文件读取（支持 /proc/meminfo）
ping / udp_echo	ICMP ping / UDP 回显服务
nr_shell	移植的 nr_micro_shell
font_demo	TTF 字体渲染

src/app/ 下另有 musl 源码（--with-musl-lib 构建完整 libc 并运行 libc-testsuite）与第三方代码（mongoose）。

目录结构

CoreZOS/
├── build.py                # 构建系统（探测工具链、并行编译、打包镜像、启动 QEMU）
├── linker/kernel.ld        # 内核链接脚本
├── scripts/
│   ├── make_ext2.py        # 生成 test_hd.img（FAT32 引导分区 + ext2 数据分区）
│   └── mkfloppy.py         # 软盘镜像
└── src/
    ├── boot/               # boot.asm 引导扇区 + loader.asm（VBE/KASLR/长模式）
    ├── command/            # 用户测试程序（见上表）
    └── kernel/
        ├── main.c          # kmain：初始化序列（mm/gdt/tss/idt/syscall/apic/acpi/...）
        ├── asmCall/        # entry/switch/stub/func 等汇编
        ├── device/         # keyboard/mouse/ide/ioqueue
        ├── fs/             # ext2/file/inode/dir/proc
        ├── gui/            # 合成器/gfx/server/wm/clients
        ├── include/        # 公共头（asmFunc.h、stub.h 等）
        ├── initer/         # io/gdt/tss/idt/apic/pic/pit/acpi/smp
        ├── lib/            # str/list/rbtree/bitmap + 用户态 libc(lib/user)
        ├── memory/         # pool/bitmap/access(copy_from_user 等)
        ├── net/            # e1000/eth/arp/ip/icmp/tcp/udp/socket
        ├── shell/          # shell/pipe/buildin_cmd
        ├── syscall/        # syscall/file_syscall/signal/futex/mmap/linux_compat
        ├── thread/         # thread/sync/percpu
        └── userprog/       # process/fork/clone/exec/wait_exit

构建与运行

工具链

• nasm —— 汇编（elf64/bin）
• zig cc（或 gcc/clang 交叉）—— C 编译（freestanding）
• ld.lld / ld —— 链接
• python3 —— 构建系统与镜像脚本
• qemu-system-x86_64 —— 运行验证

构建

python3 build.py            # 构建内核与 floppy.img
python3 build.py run        # 构建并在 QEMU 中启动（自动生成 test_hd.img）
python3 build.py run --sm 2 # SMP 启动验证
python3 build.py run --gdb  # GDB stub (-s -S)，配合 build/kernel.elf 调试
python3 build.py clean

run 默认以 build/test_hd.img 硬盘镜像引导（自动生成：P1 FAT32 引导分区 + P2 ext2 数据分区，并写入用户程序）；--boot-floppy 可改用软盘镜像。 --with-musl-lib 会额外编译完整 musl libc 并构建 libc-testsuite。

运行

启动后进入 Boot Menu（5 秒倒计时，上下键/数字键选择，回车立即引导）。 进入 shell 后可直接使用内置命令或运行用户程序，例如：

corez@corez /$ ls
corez@corez /$ fork_demo.elf
corez@corez /$ cat.elf /proc/meminfo
corez@corez /$ gui

QEMU 参数默认挂载 e1000 网卡 + user 网络后端（hostfwd tcp::8765-:8765）， 内核自动配置 10.0.2.15，可用 ping.elf 测试连通性。

内核所有 kprintf/控制台输出会同步镜像到 QEMU debugcon（端口 0xE9）， -debugcon stdio/file:... 可在终端或文件中查看内核日志，便于无头调试。

已知问题

• 用户 fork 的子进程在进入用户态后触发 SIGSEGV（退出码 139），fork 子进程侧 功能暂不可用；父进程路径与 COW 建页正常。与 exec 的 W^X / COW / NX 互作用有关。
• e1000 初始化在大规模内存分配压力下可能缺页（ioremap 的映射丢失，原因待查）， 正常负载下网络工作正常。
• ext2 与 file_table 采用粗粒度全局锁，正确性优先、吞吐串行化。

参考资料与致谢

• OSDev Wiki https://wiki.osdev.org —— 引导、GDT/IDT、APIC、长模式、Multiboot2 等。
• musl libc https://musl.libc.org —— 系统调用 ABI 兼容目标与 libc 测试套件。

路线图

• 长模式内核：引导（VBE/KASLR/Boot Menu）、中断、APIC/ACPI、SMP 框架
• 内存管理：物理池、内核虚拟地址池、ioremap、用户地址空间
• 进程：线程/进程、抢占调度、COW fork、clone、exec（ELF32/64）、wait/孤儿回收
• 同步：信号量、可重入锁、futex、信号
• 文件系统：ext2（读写）、/proc、管道、dup/fd 引用计数
• 网络：e1000 + ARP/IP/ICMP/TCP/UDP + socket API
• GUI 合成器、shell 与用户程序集
• 修复 fork 子进程 SIGSEGV（见已知问题）
• 内核堆分配器（malloc 形态的细粒度分配）
• 多核调度（AP 目前仅验证可启动，未参与调度）
• 重新加入 musl 的构建选项