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Building an OS Kernel from Scratch in Rust: Bootloader, Memory Management, Process Scheduling, and Interrupt Handling

A hands-on guide to implementing key OS components in Rust for x86 bare-metal, including bootloader setup, paging, simple scheduling, and interrupts with GDB support.

在裸机 x86 环境下用 Rust 从零构建操作系统内核，是低级系统编程的经典实践。本文聚焦引导加载器、内存管理、进程调度和中断处理的核心实现，提供工程化参数和调试要点。通过 Phil Opp 的开源系列，我们可以高效验证每个组件，避免常见陷阱。

引导加载器：从 BIOS 到内核入口

引导加载器是 OS 启动的桥梁，确保内核代码正确加载到内存并跳转执行。在 Rust 中，使用 bootloader crate 简化这一过程。它基于 GRUB-like 机制，但针对裸机优化，支持自定义目标三元组如 x86_64-unknown-none。

关键参数：

  • Cargo.toml 中指定 bootloader = {version = "0.9", features = ["map_physical_memory"] }，启用物理内存映射以访问页表。
  • 自定义.json 目标文件：rustup target add x86_64-blog_os.json，定义 panic=abort、no_std 和 linker 脚本，设置入口点为_start。
  • 构建命令：cargo bootimage，确保生成可引导的 disk.img。

落地清单：

  1. 初始化 Cargo 项目：cargo new --bin kernel，添加 no_std 和 no_main 属性。
  2. 实现_start：使用 extern "C" fn _start () -> ! { init (); hlt_loop (); }，调用 GDT 和 IDT 初始化。
  3. 验证：qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=bootimage-kernel.bin，观察 "Hello World" 输出。
  4. GDB 调试：target remote :1234，设置断点于_start，监控 CR3 寄存器变化。

证据显示，bootloader crate 处理了 BIOS/UEFI 兼容性和页表初步映射，减少手动汇编需求（来源：Phil Opp 博客）。

内存管理：分页与堆分配

x86_64 架构使用 4 级页表实现虚拟内存隔离。内核需从物理帧访问页表，实现地址翻译和动态分配。

核心实现：

  • 启用 map_physical_memory 特性，将物理内存映射到虚拟偏移（如 0xffff_8000_0000_0000），通过 BootInfo 获取偏移。
  • OffsetPageTable：unsafe fn init (physical_memory_offset: VirtAddr) -> OffsetPageTable<'static>，从 CR3 读取 L4 表。
  • 翻译函数：mapper.translate_addr (virt)，支持 4KiB 页和巨大页（2MiB），返回 PhysAddr 或 None。
  • 堆分配：BootInfoFrameAllocator 从 memory_map 迭代 Usable 区域，分配 PhysFrame。使用 linked_list_allocator::LockedHeap，init_heap 以 0x_4444_4444_0000 起始 1GiB。

参数阈值：

  • 页大小：默认 4KiB，巨大页需 HugeFrame 支持，TLB 刷新用 mapper.flush ()。
  • 分配器设计：BumpAllocator 简单但碎片化；LinkedListAllocator 支持释放，固定块分配优化小对象。
  • 风险：页表别名导致 UB，限制为单一 OffsetPageTable 实例，避免多 & mut。

清单：

  1. 解析 BootInfo.memory_map，过滤 Usable 帧。
  2. 创建映射：mapper.map_to (page, frame, Flags::PRESENT | WRITABLE)，flush 后测试 VGA 缓冲重映射。
  3. 集成 alloc：use alloc::vec::Vec; let v = Vec::new (); v.push (1); 验证动态增长。
  4. GDB：info registers rsp，watch CR3 变化；bt 追踪页故障栈。

实践证明，分页引入内存安全，heap 分配启用 Vec/Box 等 std-like 功能（来源：x86_64 crate 文档）。

进程调度：协作式多任务

简单调度从协作式 async/await 开始，利用 Future poll 实现非抢占多任务。Rust 核心库支持 no_std 环境下的 Future，无需线程即可并发 I/O。

实现要点：

  • Task：Pin<Box<dyn Future<Output=()> + Send>>，使用 AtomicU64 生成唯一 ID。
  • Executor：BTreeMap<TaskId, Task> 存储，Arc<ArrayQueue> 队列。spawn 插入任务，run_ready_tasks poll 直到 Pending。
  • Wake：TaskWaker 实现 Wake trait，wake_by_ref 推送 ID 到队列，避免 Arc 克隆开销。
  • 调度策略：FIFO via VecDeque，优先级需扩展 BTreeMap 排序。

参数：

  • 队列容量：100，溢出 panic 或丢弃低优先级任务。
  • hlt idle：interrupts::disable (); if queue.empty () { enable_and_hlt (); } else { enable (); }，原子检查避免丢失中断。
  • 扩展：工作窃取支持多核，阈值如任务 > 核心数时负载均衡。

清单：

  1. 实现 poll：Pin::as_mut (&mut self.future).poll (cx)，返回 Poll<()>。
  2. 键盘任务：ScancodeStream impl Stream，poll_next 注册 AtomicWaker，add_scancode wake。
  3. 测试：spawn (async { println!("Task1"); }) 和 print_keypresses，观察交替输出。
  4. GDB：watch task_queue，step poll 调用，验证 waker 通知。

证据：async/await 状态机零成本，pinning 防自引用移动，确保安全并发（来源：Rust async 书）。

中断处理：PIC 与 IDT 集成

中断桥接硬件与内核，8259 PIC 聚合信号，重映射 IRQ 0-7/8-15 至 32-47，避免异常冲突。

配置：

  • ChainedPics::new (32, 40)，initialize () 设置 ICW1-4。
  • IDT：idt [InterruptIndex::Timer.as_usize ()].set_handler_fn (timer_handler)，load () 加载。
  • EOI：PICS.lock ().notify_end_of_interrupt (idx)，特定于主 / 从 PIC。

参数：

  • 优先级：PIC 支持 IRQ 优先，timer 高优先避免时钟漂移。
  • 延迟：中断禁用 <1us，without_interrupts (|| { ...}) 包裹锁。
  • 键盘：Port<0x60>.read () 获取 scancode，pc-keyboard crate 解码 Unicode。

清单：

  1. enum InterruptIndex { Timer=32, Keyboard=33 }，set_handler_fn。
  2. handler：read port，EOI，process（如 print '.'）。
  3. 死锁修复：interrupts::without_interrupts (|| writer.lock ().write ())。
  4. GDB：handle SIGTRAP stop，info interrupts 查看向量，x/16i handler 地址。

中断启用 sti () 后，timer 每～1193182Hz tick，键盘 IRQ1 实时响应（来源：OSDev wiki）。

GDB 调试：裸机追踪

GDB 支持 x86 裸机，结合 QEMU -s -S 启动，target remote localhost:1234 连接。

要点：

  • .gdbinit：set architecture i386:x86-64，target remote :1234，add-symbol kernel。
  • 断点：break _start，continue，si 单步，x/10i $pc 查看汇编。
  • 监控：info registers，watch CR3*，bt 回溯栈。
  • 页表：print (PageTable)$cr3，x86_64::VirtAddr::new (0xb8000) 翻译。

风险：-O 优化混淆，use -g -C debuginfo=2 构建；多核需 info threads。

通过这些组件，Rust 内核实现安全、高效 OS 基础。未来扩展至抢占调度和多核，利用 APIC 替换 PIC 提升性能。总字数约 1200，实践优先，确保可落地。

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