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

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。