LunaixOS Project
LunaixOS - 一个简单的，详细的，POSIX兼容的（但愿！），带有浓重个人风格的操作系统。开发过程以视频教程形式在Bilibili呈现：《从零开始自制操作系统系列》。
当前进度以及支持的功能
该操作系统支持x86架构，运行在保护模式中，采用宏内核架构，目前仅支持单核心。内存结构采用经典的3:1划分，即低3GiB为用户地址空间（0x400000 ~ 0xBFFFFFFF），内核地址空间重映射至高1GiB（0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF）。内存的详细布局可参考LunaixOS内存地图
在下述列表中，则列出目前所支持的所用功能和特性。列表项按照项目时间戳进行升序排列。
- 使用Multiboot进行引导启动
- APIC/IOAPIC作为中断管理器和计时器
- ACPI
- 虚拟内存
- 内存管理与按需分页（Demand Paging）
- 键盘输入
- 多进程
- 47个常见的Linux/POSIX系统调用（附录1）
- 用户模式
- 信号机制
- PCI 3.0
- PCIe 1.1 (WIP)
- Serial ATA AHCI
- 文件系统
- 虚拟文件系统
- ISO9660
- 原生
- Rock Ridge拓展 (WIP)
- 远程GDB串口调试 (COM1@9600Bd)
已经测试过的环境：
- QEMU (>=7.0.0)
- Bochs（SATA功能不支持）
- Virtualbox
- Dell G3 3779
目录结构
| lunaix-os | LunaixOS源代码 |
| slides | 视频中所用的幻灯片和补充材料 |
| reference-material | 标准，技术文档和参考文献 |
编译与构建
环境搭建
构建该项目需要满足以下条件：
- gcc (目标平台: i686-elf)
- binutils
- make
- xorriso
- grub-mkrescue
注意：gcc不能是本机自带的，必须要从源码编译，并配置目标平台为：i686-elf，以进行交叉编译。配置过程可参考附录二：编译gcc作为交叉编译器。
Docker镜像
对于开发环境，本项目也提供了Docker镜像封装。开箱即用，无需配置，非常适合懒人或惜时者。详细使用方法请转到：Lunaix OSDK项目。
构建选项
假若条件满足，那么可以直接执行make all进行构建，完成后可在生成的build目录下找到可引导的iso。
本项目支持的make命令：
| 命令 | 用途 |
|---|---|
make all |
构建镜像（-O2，但禁用CSE相关的优化项 ※ ） |
make instable |
构建镜像（-O2，开启CSE相关优化） |
make all-debug |
构建适合调试用的镜像（-Og） |
make run |
使用QEMU运行build目录下的镜像 |
make debug-qemu |
构建并使用QEMU进行调试 |
make debug-bochs |
构建并使用Bochs进行调试 |
make debug-qemu-vscode |
用于vscode整合 |
make clean |
删除build目录 |
※：由于在-O2模式下，GCC会进行CSE优化，这导致LunaixOS会出现一些非常奇怪、离谱的bug，从而影响到基本运行。具体原因有待调查。
运行以及Issue
运行该操作系统需要一个虚拟磁盘镜像，可以使用如下命令快速创建一个：
qemu-img create -f vdi machine/disk0.vdi 128M如果你想要使用别的磁盘镜像，需要修改configs/make-debug-tool
找到这一行：
-drive id=disk,file="machine/disk0.vdi",if=none \
然后把machine/disk0.vdi替换成你的磁盘路径。
有很多办法去创建一个虚拟磁盘，比如qemu-img。
在大多数情况下，我都会尽量保证本机运行无误后，push到仓库中。同时，该系统是经过虚拟机和真机测试。如果发现在使用make all之后，虚拟机中运行报错，则一般是编译器优化问题。这个问题笔者一般很快就会修复，如果你使用别的版本的gcc（笔者版本11.2），出现了此问题，欢迎提issue。请参考附录3：Issue的提交
下面列出一些可能会出现的问题。
问题#1： QEMU下8042控制器提示找不到
这是QEMU配置ACPI时的一个bug，在7.0.0版中修复了。
问题#2：多进程运行时，偶尔会出现General Protection错误
这很大概率是出现了竞态条件。虽然是相当不可能的。但如果出现了，还是请提issue。
问题#3：Bochs无法运行，提示找不到AHCI控制器
正常，因为Bochs不支持SATA。请使用QEMU或VirtualBox。
参考教程
没有！！ 本教程以及该操作系统均为原创，没有基于任何市面上现行的操作系统开发教程，且并非是基于任何的开源内核的二次开发。
为了制作LunaixOS，作者耗费大量时间和精力钻研技术文档，手册，理论书籍以及现行工业标准，从而尽量保证了知识的一手性。（这样一来，读者和听众们也算是拿到了二手的知识，而不是三手，四手，甚至n手的知识）。
大部分的文档和标准可以在上述的reference-material中找到。
当然，您也可以参考以下列表来了解现阶段的LunaixOS都使用了哪些资料（本列表会随着开发进度更新）：
手册，标准，技术文档
- Intel 64 and IA-32 Architecture Software Developer's Manual (Full Volume Bundle)
- ACPI Specification (version 6.4)
- IBM PC/AT Technical Reference
- IBM VGA/XGA Technical Reference
- 82093AA I/O Advanced Programmable Controller (IOAPIC) (Datasheet)
- MC146818A (Datasheet)
- Intel 500 Series Chipset Family Platform Controller Hub (Datasheet - Volume 2)
- PCI Local Bus Specification, Revision 3.0
- PCI Express Base Specification, Revision 1.1
- PCI Firmware Specification, Revision 3.0
- Serial ATA - Advanced Host Controller Interface (AHCI), Revision 1.3.1
- Serial ATA: High Speed Serialized AT Attachment, Revision 3.2
- SCSI Command Reference Manual
- ATA/ATAPI Command Set - 3 (ACS-3)
- ECMA-119 (ISO9660)
- Rock Ridge Interchange Protocol (RRIP: IEEE P1282)
- System Use Sharing Protocol (SUSP: IEEE P1281)
免责声明：PCI相关的标准最终解释权归PCI-SIG所有。此处提供的副本仅供个人学习使用。任何商用目的须向PCI-SIG购买。
理论书籍
- Computer System - A Programmer's Perspective Third Edition (CS:APP) (Bryant, R & O'Hallaron, D)
- Modern Operating System (Tanenbaum, A)
- 《汇编语言》（王爽） - 用于入门Intel语法的x86汇编（对于AT&T语法，推荐阅读CS:APP）
《微机原理与接口技术》 - 用于大致了解x86架构的微机体系（更加细致的了解可以阅读Intel Manual）（已过时，推荐阅读CS:APP）
网站
- OSDev - 杂七杂八的参考，很多过来人的经验。作者主要用于上古资料查询以及收集；技术文献，手册，标准的粗略总结；以及开发环境/工具链的搭建。
- FreeVGA - 98年的资源！关于VGA编程技术的宝藏网站。
- GNU CC 和 GNU LD 的官方文档。
- PCI Lookup - PCI设备编号查询
其他
- Linux Manual - 用于查询*nix API的一些具体行为。
附录1：支持的系统调用
Unix/Linux/POSIX
sleep(3)wait(2)waitpid(2)fork(2)getpid(2)getppid(2)getpgid(2)setpgid(2)brk(2)sbrk(2)_exit(2)sigreturn(2)sigprocmask(2)signal(2)kill(2)sigpending(2)sigsuspend(2)read(2)write(2)open(2)close(2)mkdir(2)※lseek(2)readdir(2)readlink(2)※readlinkat(2)※rmdir(2)※unlink(2)※unlinkat(2)※link(2)※fsync(2)※dup(2)dup2(2)symlink(2)※chdir(2)fchdir(2)getcwd(2)rename(2)※mount(2)unmount(a.k.aumount(2))※getxattr(2)※setxattr(2)※fgetxattr(2)※fsetxattr(2)※ioctl(2)getpgid(2)setpgid(2)
LunaixOS自有
yieldgeterrnorealpathatsyslog
( ※：该系统调用暂未经过测试 )
附录2：编译gcc作为交叉编译器
注意，gcc需要从源码构建，并配置为交叉编译器，即目标平台为i686-elf。你可以使用本项目提供的自动化脚本，这将会涵盖gcc和binutils源码的下载，配置和编译（没什么时间去打磨脚本，目前只知道在笔者的Ubuntu系统上可以运行）。
推荐手动编译。以下编译步骤搬运自：https://wiki.osdev.org/GCC_Cross-Compiler
首先安装构建依赖项：
sudo apt update &&\
apt install -y \
build-essential \
bison\
flex\
libgmp3-dev\
libmpc-dev\
libmpfr-dev\
texinfo开始编译：
现在假设你的目录结构如下：
+ folder
+ gcc-src
+ binutils-src
+ gcc-build
+ binutils-build
- 确定gcc和binutil安装的位置，并设置环境变量：
export PREFIX=<安装路径>然后设置PATH：export PATH="$PREFIX/bin:$PATH" - 设置目标平台：
export TARGET=i686-elf - 进入
binutils-build进行配置
../binutils-src/configure --target="$TARGET" --prefix="$PREFIX" \
--with-sysroot --disable-nls --disable-werror然后 make && make install
- 确保上述的
binutils已经正常安装：执行：which i686-elf-as，应该会给出一个位于你安装目录下的路径。 - 进入
gcc-build进行配置
../gcc-src/configure --target="$TARGET" --prefix="$PREFIX" \
--disable-nls --enable-languages=c,c++ --without-headers然后编译安装（取决性能，大约10~20分钟）：
make all-gcc &&\
make all-target-libgcc &&\
make install-gcc &&\
make install-target-libgcc- 验证安装：执行
i686-elf-gcc -dumpmachine，输出应该为：i686-elf
将新编译好的GCC永久添加到PATH环境变量
虽然这是一个常识性的操作，但考虑到许多人都会忽略这一个额外的步骤，在这里特此做出提示。
要想实现这一点，只需要在shell的配置文件的末尾添加：export PATH="<上述的安装路径>/bin:$PATH"。
这个配置文件是取决于你使用的shell，如zsh就是${HOME}/.zshrc，bash则是${HOME}/.bashrc；或者你嫌麻烦的，懒得区分，你也可以直接修改全局的/etc/profile文件，一劳永逸（但不推荐这样做）。
至于其他的情况，由于这个步骤其实在网上是随处可查的，所以就不在这里赘述了。
附录3：Issue的提交
由于目前LunaixOS没有一个完善强大的内核追踪功能。假若Lunaix的运行出现任何问题，还请按照以下的描述，在Issue里面提供详细的信息。
最好提供：
- 可用于复现问题的描述和指引（如Lunaix运行平台的软硬件配置）
- 错误症状描述
- （如可能）运行截图
- 错误消息（如果给出）
- 寄存器状态的dump
- （如可能）提供错误发生时，EIP附近的指令（精确到函数）。如果使用
make all-debug，会提供build/kdump.txt，你可以在这里面定位。或者也可以直接objdump - （如可能）虚拟内存映射信息（QEMU下可使用
info mem查看）。
附录4：串口GDB远程调试
LunaixOS内核集成了最基本的GDB远程调试服务器。可通过串口COM1在9600波特率上与之建立链接。但是，在将GDB与内核链接起来之前，还需要让内核处在调试模式下。
要进入调试模式，需要往串口（波特率如上）写入字节串 0x40 0x63 0x6D 0x63。此时，如果屏幕底部出现一条品红色背景的DEBUG 字样，那么就说明LunaixOS已处在调试模式下。
注意，在这个时候，LunaixOS会开始在COM1上监听GDB协议信息，并且暂停一切的活动（如调度，以及对外部中断的一切响应）。用户此时需要将GDB与其挂载，并使用GDB的工作流来指示内核下一步的动作。
在目前，为了防止代码过于臃肿，LunaixOS实现的是GDB远程协议要求的最小服务端命令子集：g, G, p, P, Q, S, k, ?, m, M, X。足以满足大部分的调试需求。
当结束调试的时候，请使用GDB的kill指令进行连接的断开。注意，这个指令会使得LunaixOS恢复所有暂停的活动，进入正常的运行序列，但并不会退出调试模式。GDB的挂载请求依然在LunaixOS中享有最高优先权。如果需要退出调试模式，需要往串口写入字节串：0x40 0x79 0x61 0x79。
GDB调试注意事项
在调试中，请避免使用info stack，bt或者任何涉及 栈展开（Stack Unwinding） 或者 栈回溯（Stack Backtracing） 的指令。否则，LunaixOS很有可能会出现 不可预料的行为 。