在现代系统编程中，从零构建 x86_64 裸机操作系统是理解底层机制的绝佳途径。PatchworkOS 项目就是一个典型范例，它采用纯 C 和汇编语言，完全从头实现了一个模块化的 non-POSIX 内核，遵循 Plan9 式的 “万物皆文件” 哲学。该项目强调教育性和实验性，避免照搬 Linux 等成熟方案，而是探索独特设计，如 EEVDF 调度器和 O (1) 内存分配。
引导加载器：从 GRUB 到内核入口
x86_64 裸机 OS 的起点是引导加载器（bootloader）。PatchworkOS 不实现自定义 bootloader，而是利用 GRUB2 生成可引导镜像（PatchworkOS.img），支持 EFI 模式。这简化了早期硬件初始化，如 A20 门开启、GDT 加载和 long mode 切换，这些由 UEFI 固件或 GRUB 处理。
工程参数：
- 镜像格式：FAT 分区 + EFI/BOOT/bootx64.efi，内核入口链接至 0x100000 物理地址。
- QEMU 测试：
make all run，使用-drive file=bin/PatchworkOS.img挂载 RAM 盘。 - GRUB loopback：在真实硬件上，将.img 设为 loop 设备，GRUB 菜单 entry 示例：
menuentry "PatchworkOS" { loopback loop0 /PatchworkOS.img set root=(loop0) chainloader /efi/boot/bootx64.efi }
落地清单：
- NASM/GCC 交叉编译工具链：target x86_64-unknown-none。
- 链接脚本指定入口
_start，物理加载地址 0x100000。 - 验证：QEMU
-d int,cpu监控中断 / CPU 状态，确保 long mode（CR0.PE=1, CR4.PAE=1, EFER.LME=1）。
此设计避免了实模式复杂性，直接进入保护模式，内核接管后禁用 BIOS 中断。
中断处理：IDT 与设备动态配置
中断是内核与硬件交互的核心。PatchworkOS 使用标准 x86_64 IDT（中断描述符表），支持异常、IRQ 和 SMP。PS/2 键盘示例展示了 ACPI 集成：不硬编码端口 0x60/0x64 和 IRQ1，而是从 ACPI _CRS 解析资源，避免冲突。
关键实现：
- IDT 条目：256 个 64 位描述符，每项含偏移（handler 地址）、段选择子（8:code）、DPL=0（内核级）、P=1（present）。
- PIC/APIC：早期用 8259 PIC，后切换本地 APIC（MSR 0x1B），IRQ 重映射至 0x20-0x2F。
- ACPI 驱动：解析 AML 字节码，提取 IO (0x60,1), IRQ (1)，动态分配 IRQ。
参数配置：
| 参数 | 值 | 描述 |
|---|---|---|
| IDT 基址 | 0xFFFFF80000000000 | 高地址页表映射 |
| IST1 | TSS.ist1 | 双重故障栈 |
| IRQ 优先 | EEVDF vruntime | 调度整合 |
调试清单：
lidt [idt_ptr]后，sti启用中断。- 注入异常：
int 0x80，检查 klog。 - ACPI 测试：QEMU
-acpitable，验证 PS/2 模块加载。
引用：“PS/2 driver gets told 'you are handling a device ... and use them instead of hardcoded values.”（PatchworkOS README）
分页机制：O (1) 分配与高效映射
分页是 x86_64 内存管理的基石。PatchworkOS 自定义 VMM（虚拟内存管理器），嵌入元数据至页表，实现 O (1) 单页操作和 O (n) 多页分配。支持 4KB/2MB/1GB 页，大页标志（bit7）。
页表结构（4 级）：
- PML4（CR3）→ PDPT → PD → PT → 物理页。
- 身份映射：0x0-0x1000MB（低端保留）。
- 内核高地址：0xFFFF800000000000+，物理 0x100000 起。
分配算法：
- 扫描 PT 内未用位图（嵌入 PTE 高位），O (1) 找空闲页。
- 基准：30 页映射 PatchworkOS <157ms，Linux 1138ms（ThinkPad E495）。
参数：
- 页大小：默认 4KB，huge=2MB (PS=1, bit7)。
- Flags：Present=1, Writable=1, User=0, NX=1 (bit63)。
- 缓存：PWT=0 (write-back), PCD=0。
清单：
- 初始化：分配 PML4（0x1000 对齐），递归映射（PML4 [511]= 自身）。
- Mapper：
OffsetPageTable<'static>，map_to(page, frame, flags)。 - 基准监控：
/dev/klog | grep alloc，对比 O (n^2) buddy。
内核基础：模块化设计与调度
内核入口后，初始化模块加载器。PatchworkOS 高度模块化，甚至 SMP 引导是模块，支持运行时加载 / 卸载，节省内存。
核心组件：
- 模块入口：
_module_procedure(event)，事件：LOAD/UNLOAD。 - 调度器：EEVDF（Earliest Eligible Virtual Deadline First），红黑树 O (log n)，基于原论文。
- 同步：细粒度锁、mutex、RWLock、futex。
参数示例（模块 INFO）：
MODULE_INFO("Hello", "<author>", "desc", "1.0", "MIT", "BOOT_ALWAYS");
回滚策略：
- Panic 时：QEMU
EXIT_ON_PANIC=1。 - 测试：
make all DEBUG=1 TESTING=1，跑 ACPICA 套件。
此设计使内核可重写自身，适合实验。
总结与风险
PatchworkOS 证明：用 C/asm 构建 x86_64 裸机 OS 可行，性能媲美 Linux 子集。风险：仅 RAM 盘，无 USB；早期阶段 bug 多。建议从小内核起步，渐进模块化。
资料来源：
（正文字数：1256）