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PatchworkOS x86 裸机内核：驱动集成与系统调用分发实践

基于 PatchworkOS 项目，探讨 x86_64 裸机内核中模块化驱动集成、ACPI 配置与文件化 syscall 分发机制，提供可复现参数与监控清单。

在从零构建 x86_64 裸机内核时，驱动集成与系统调用（syscall）分发是核心挑战。传统内核往往硬编码设备端口和中断向量，导致移植性差且资源冲突频发。PatchworkOS 通过模块化设计和 “万物皆文件” 哲学，实现了动态驱动加载与统一 syscall 接口。这种方法不仅提升了内核灵活性，还简化了用户空间交互。

核心观点是：驱动不应是静态编译实体，而是运行时模块，通过 ACPI 动态配置资源，避免硬编码。Syscall 分发则依托文件系统路径解析，实现设备无关的 API 调用。例如，键盘输入不再依赖专用 syscall，而是通过 /dev/kbd 文件读写。这种统一模型借鉴 Plan9，减少了 API 表面面积，提高了代码复用性。

证据源于 PatchworkOS 的实现。首先，内核采用模块系统：每个驱动（如 PS/2 键盘）是一个独立模块，定义 _module_procedure 入口函数，响应事件如 MODULE_EVENT_LOAD。模块元数据通过 MODULE_INFO 宏指定，包括名称、作者、版本、许可证和设备类型（如 BOOT_ALWAYS 用于引导加载）。构建时，模块目录下 .mk 文件集成到镜像，无需手动链接。加载后，模块可访问内核头文件，实现互操作。

ACPI 子系统从零解析 AML 字节码，提取设备资源（如 PS/2 的 I/O 端口 0x60/0x64 和 IRQ 1）。传统教程硬编码这些值，但 PatchworkOS 查询 _CRS（Current Resource Settings），动态分配 IRQ / 端口，避免冲突。PS/2 驱动加载时，收到设备路径（如 \_SB_.PCI0.SF8_.KBD_）和 HID（如 PNP0303），从 ACPI 获取资源，实现即插即用。

Syscall 分发统一于 VFS（Virtual File System），支持 mountpoints、hardlinks 和 per-process namespaces。打开 /net/local/seqpacket 创建 socket，返回 ID 目录下 data、ctl、accept 文件。命令如 bind myserver && listen 通过 ctl 写文件执行，模拟 POSIX 但文件化。文件标志（如 :nonblock、:create:exclusive）嵌入路径，权限（如 :read:write）继承。命名空间共享用 share()/claim()，key 有效期如 60 秒，确保同意式访问控制。

可落地参数与清单：

  1. 模块开发清单：

    • 创建 src/kernel/modules/hello/hello.c： 
      #include <kernel/module/module.h>
#include <kernel/log/log.h>
uint64_t _module_procedure(const module_event_t* event) {
    if (event->type == MODULE_EVENT_LOAD) LOG_INFO("Hello, World!\n");
    return 0;
}
MODULE_INFO("Hello", "<author>", "desc", "1.0", "MIT", "BOOT_ALWAYS");
    • 复制 ps2.mk 到 hello.mk，运行 make all run，验证 /dev/klog | grep "Hello"。

  2. ACPI 配置阈值：

    • 解析超时：500ms / 表。
    • IRQ 分配优先级：MADT 向量从 32 起，步长 1，避免 0-31 保留。
    • 资源冲突检测：bitmap 追踪端口（0x1000-0xFFFF）、IRQ（32-255）。

  3. Syscall 分发参数：

    • 路径解析深度上限：32，避免循环。
    • 文件标志解析：split by :，支持 shorthand（如 ce 为 create:exclusive）。
    • 命名空间传播：private（仅创建者）、children、global。
    • 监控点：/proc/modules 列加载模块；/dev/klog 日志；EEVDF 调度延迟阈值 <1ms。

风险与回滚：模块卸载需细粒度锁防竞态；早期阶段仅 RAM disk，回滚到 QEMU 测试（make run DEBUG=1 QEMU_CPUS=1）。内存管理 O (1)/ 页，但共享区限 255。

工程化扩展：集成 USB 后，动态类型如 USB_DEVICE 触发模块加载。基准显示内存映射优于 Linux（<850 页线性 2.26x +53ms）。

此实现证明：模块化 + 文件化 syscall 是裸机内核的可行路径，平衡教育与性能。

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