架构概览

微内核架构

OpenOS 采用微内核架构，这是现代操作系统设计的一种方法。与宏内核（如 Linux）不同，微内核仅在内核空间运行最核心的服务，而将驱动和大部分系统服务放在用户空间运行。

核心设计原则

最小化内核

内核仅包含最核心的服务：内存管理、任务调度、IPC 通信。其他功能（驱动、文件系统、网络）运行在用户空间。

故障隔离

用户空间的驱动崩溃不会导致内核崩溃。每个服务运行在独立的地址空间中，相互隔离。

最小可信计算基

内核代码量小，更容易进行形式化验证和安全审计。seL4 微内核已经过形式化验证。

灵活的服务组合

服务可以独立重启、升级和替换。系统可以根据需要动态组合不同的服务。

内核模块

OpenOS 内核由以下核心模块组成：

1. 架构层 (`arch/`)

模块	文件	职责
GDT	`gdt.rs`	全局描述符表，段选择子，TSS
IDT	`interrupts.rs`	中断描述符表，异常和 IRQ 处理
PIC	`pic8259.rs`	可编程中断控制器初始化
APIC	`apic.rs`	高级可编程中断控制器
IOAPIC	`ioapic.rs`	I/O APIC 控制器
SYSCALL	`syscall.rs`	SYSCALL/SYSRET MSR 配置
Per-CPU	`percpu.rs`	每 CPU 数据区域

2. 驱动层 (`drivers/`)

驱动	文件	职责
VGA	`vga.rs`	帧缓冲文本渲染
串口	`serial.rs`	UART 16550 驱动
键盘	`keyboard.rs`	PS/2 键盘驱动
PCI	`pci.rs`	PCI 总线枚举
VirtIO-Net	`virtio_net.rs`	网络设备驱动
VirtIO-Block	`virtio_block.rs`	块设备驱动

3. 内存管理 (`memory/`)

模块	文件	职责
堆分配器	`allocator.rs`	linked_list_allocator
帧分配器	`frame_alloc.rs`	物理帧分配
虚拟内存	`mod.rs`	页表管理，内存隔离

4. 任务管理 (`task/`)

模块	文件	职责
任务	`task.rs`	TaskId，TaskState，SavedContext
调度器	`scheduler.rs`	抢占式调度，SMP 支持
用户模式	`user.rs`	Ring 3 切换，ELF 加载

5. Handle 系统 (`handle.rs`)

模块	职责
Handle	64 位打包，Rights 位掩码
HandleTable	BTreeMap 存储

6. IPC 子系统 (`ipc/`)

模块	职责
Channel	同步会合，消息传递

7. 文件系统 (`fs/`)

模块	文件	职责
VFS	`vfs.rs`	虚拟文件系统抽象，挂载点
ramfs	`ramfs.rs`	内存文件系统
ext2	`ext2.rs`	ext2 文件系统（读写）
块缓存	`block_cache.rs`	块设备缓存

8. 网络栈 (`net/`)

模块	文件	职责
DHCP	`dhcp.rs`	DHCP 客户端
DNS	`dns.rs`	DNS 解析
Socket	`socket.rs`	套接字抽象
TCP	`tcp.rs`	TCP 协议
UDP	`udp.rs`	UDP 协议

9. 同步原语 (`sync.rs`)

模块	职责
Spinlock	自旋锁
Mutex	互斥锁

10. 系统调用 (`syscall/`)

模块	职责
分发器	54 个系统调用分发
编号	系统调用号常量

启动流程

BIOS/UEFI → bootloader → kernel_main()
  │
  ├─ 1. VGA 初始化
  ├─ 2. 串口初始化
  ├─ 3. 架构初始化 (GDT, IDT, APIC)
  ├─ 4. 内存初始化 (堆, 帧分配器)
  ├─ 5. 文件系统初始化 (VFS, ramfs, ext2)
  ├─ 6. 网络初始化 (VirtIO-Net)
  ├─ 7. 块设备初始化 (VirtIO-Block)
  ├─ 8. IPC 初始化
  ├─ 9. Per-CPU 初始化
  ├─ 10. 任务调度器初始化
  ├─ 11. 挂载文件系统 (ramfs at /, ext2 at /disk)
  └─ 12. 启动用户空间服务

系统调用概览

OpenOS 实现 54 个系统调用：

类别	数量	编号范围	说明
Channel	5	0x01-0x05	IPC 消息传递
Handle	3	0x10-0x12	能力管理
Process	7	0x30-0x36	进程生命周期 + 内存管理
Thread	3	0x40-0x42	线程管理
Socket	9	0xA0-0xA8	网络套接字
硬件访问	5	0xB0-0xB4	用户空间驱动支持
文件系统元数据	6	0xC0-0xC5	文件操作
事件	4	0xF2-0xFC	事件信号
服务发现	2	0xF5-0xF6	端点注册/发现
文件系统 I/O	5	0xF7-0xFF	文件读写
网络	2	0xFD-0xFE	网络 I/O
调试	3	0xF0-0xF1, 0xF4	控制台 I/O

架构概览

微内核架构

核心设计原则

内核模块

1. 架构层 (arch/)

2. 驱动层 (drivers/)

3. 内存管理 (memory/)

4. 任务管理 (task/)

5. Handle 系统 (handle.rs)

6. IPC 子系统 (ipc/)

7. 文件系统 (fs/)

8. 网络栈 (net/)

9. 同步原语 (sync.rs)

10. 系统调用 (syscall/)