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从零构建裸机 x86_64 内核：GRUB 引导、IDT 中断、分页机制、系统调用分发与基础设备驱动

以 PatchworkOS 为例，详解 GRUB 多引导加载、IDT 中断表配置、分页内存管理、系统调用分发及 PS/2 驱动实现的关键参数与工程实践。

从零实现一个裸机 x86_64 内核是操作系统开发的经典起点，它要求开发者直接掌控硬件资源，避免依赖现有 OS 库。通过 GRUB 引导程序加载内核镜像、设置 IDT 处理中断、初始化分页机制实现虚拟内存、建立系统调用分发表以及编写基础设备驱动，可以构建一个功能完整的内核基础。PatchworkOS 项目就是一个优秀范例，它采用模块化设计、非 POSIX 接口，严格遵循 “万物皆文件” 哲学，使用 C 和汇编从头编写，支持 EEVDF 调度器和从零 ACPI 解析器。本文聚焦工程实践，给出关键参数、代码清单和监控要点，帮助读者快速上手。

GRUB 引导加载：进入保护模式与长模式切换

GRUB 是 x86_64 裸机开发的首选引导器，支持 Multiboot2 协议，能自动加载内核 ELF 文件并传递内存映射。配置 grub.cfg 文件：

menuentry 'PatchworkOS' {
    multiboot2 /boot/PatchworkOS.img
    boot
}

内核入口函数在 linker script 中定义，通常为 _start（汇编）。GRUB 加载后，CPU 处于实模式，需要立即设置 GDT（全局描述符表）切换到保护模式，再启用 PAE 并加载 CR3 进入长模式。

关键参数：

  • Multiboot2 魔数：0x36D76289，验证 GRUB 传递的 eax。
  • 栈大小：初始 16KB（0x4000），符号 KERNEL_STACK_BOTTOM。
  • 内存映射：遍历 Multiboot 标签，记录可用物理页（从 0x100000 起，避免低地址）。

工程清单：

  1. 解析 Multiboot2 结构：循环标签，提取内存图（type=6）。
  2. 设置 GDT：代码段 0x8（DPL=0，64-bit），数据段 0x10。
  3. 启用长模式：cr4 |= (1<<5) | (1<<7)；pml4 [0] = pdpt | 3；cr3 = pml4_phys；eflags |= 0x2800；lgdt。
  4. 远跳：jmp 0x8:_higher_half（higher-half kernel，加载地址 0xffffffff80000000）。

PatchworkOS 使用类似流程，确保早期串口输出用于调试（COM1: 0x3f8，波特 115200）。

IDT 中断处理：异常与外部中断分发

IDT（中断描述符表）是 x86 中断核心，256 项，每项 16 字节（x86_64）。使用 lidt 加载 IDT 基址（IDTR）。

关键参数：

  • 门描述符：低 64-bit（offset0:31 + IST + type=0xE/0xF），高 64-bit（offset32:63 + DPL=3 for syscall）。
  • IST（中断栈表）：4 个备用栈，syscall 用 IST1 避免内核栈溢出。
  • PIC/APIC：早期用 PIC（8259A，IRQ 0-15 映射 IDT 32-47），后期 APIC（本地 APIC IDT 入队）。

初始化清单：

  1. 清零 IDT（memset 2KB）。
  2. 设置异常门（IDT [0-31]）：现存描述符，任务门可选；如 #GP（13）：offset = gp_handler。
  3. 时钟中断（IDT [32]）：IRQ0 -> PIT 0x40，频率 100Hz（divisor 1193182/100）。
  4. Syscall 门（IDT [0x80 或 0x300]）：type=0xF，DPL=3，offset=syscall_entry；MSR 0xC0000082 = star（用户 CS=0x23，内核 CS=0x8 <<32）。
  5. lidt：limit=0xFFF，base=idt。

PatchworkOS 模块化中断：动态注册 handler，避免硬编码。监控：klog /dev/interrupts 统计中断率，阈值 >10k/s 警报。

分页机制：O (1) 物理页分配与虚拟映射

x86_64 分页用 4 级页表：PML4（512 项）-> PDPT -> PD（1GB）-> PT（2MB/4KB）。启用 5 级可选，但标准 48-bit 虚拟地址。

关键参数：

  • 页大小：4KB（PS=0），huge 2MB（PS=1）。
  • 标志：RW=1（0x2），XD=1（0x8000000000000000），Global=1（缓存命中）。
  • Buddy 分配器：order 0-10，页框链表。
  • Higher-half：内核虚拟基址 0xFFFF800000000000，物理偏移 0x10000000。

PatchworkOS 创新：元数据嵌入页表（unused bits），O (1) 查找空闲页。初始化：

  1. 身份映射前 2MB（PML4 [0][0][0][0-511] = phys | 3）。
  2. 内核映射：递归 PML4 [511] 指向自身（1:1 PT）。
  3. cr0 |= PG；cr4 |= PSE|PGE|PCIDE。
  4. 启用 NX：eflags EFER_NXE=1。

清单：early_alloc（bitmap 初始 1MB），vmm_map（va, pa, len, flags）。风险：TLB 刷新（invlpg），多核 smp_invpcid。

系统调用分发：表驱动与文件化接口

传统 syscall 用 int 0x80/sysenter/sysexit。x86_64 推荐 SYSRET：MSR SFMASK/STAR/LSTAR。

关键参数：

  • Syscall 号：0=read,1=write,2=open,... 最大 512。
  • 寄存器约定：rax=syscall#, rdi/rsi/rdx/r10/8/9=args, rcx/r11=rip/eflags。
  • 栈：用户 rsp -> 内核栈（TSS.ist1）。

分发表：syscall_table [512] = {sys_read, sys_write,...}。

PatchworkOS 独特：文件化 syscall，如 open ("/net/local/seqpacket") 创建 socket，write ("/proc/spawn") 派生进程。仍用底层表：

  1. syscall_entry：保存用户 ctx，syscall_num=rax，handler=table [num]。
  2. 若 invalid，#GP 异常。
  3. 返回：mov r10,rax；sysretq。

参数：最大 arg 6，栈对齐 16B。监控：/proc/syscalls 计数，热点 >1% CPU 优化。

基础设备驱动：PS/2 键盘 / 鼠标与 framebuffer

驱动模块化：ACPI 解析 _CRS 获取 IRQ/IO 端口，避免硬码。

PS/2 示例：

  • IO：data 0x60，cmd 0x64。
  • IRQ：kbd=1，aux=12。
  • 初始化：write_cmd (0xA8 双通道)，0xDD 禁用 aux，0xF4 启用 kbd。

代码：

wait_write: in al,0x64; test al,2; jnz wait_write; ret
kbd_irq: cli; in al,0x60; push rax; ; queue; sti; iretq

Framebuffer：VESA 模式 0x4118（1024x768x32），LFB 0xFD000000。

PatchworkOS PS/2 模块：ACPI _HID="PNP0303"，动态资源分配。

清单：

  1. IRQ 路由：ioapic 重映射。
  2. DMA：页对齐缓冲。
  3. 超时：500us poll。

回滚：fallback 硬码端口。

工程化要点与监控

  • 调试：QEMU -smp 4 -enable-kvm，GDB remote。
  • 性能：EEVDF vruntime <1us，页故障 <10us。
  • 安全：SMEP/SMAP，KASLR（随机 slide 1MB）。
  • 测试：ACPICA AML 套件，fuzz IRQ。

构建 PatchworkOS：git clone, make all run。内核～500KB，支持 SMP、多线程。

资料来源：

（正文约 1250 字）

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