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一、目标与范围（Stage 0：立项）

架构：x86_64（BIOS/UEFI）或 RISC-V（S/HS 模式）。
模式：no_std、no_main、内核态单地址空间起步。
运行方式：QEMU + 串口日志 + GDB 远程调试。
最小可行成果：上电→进入内核→打印日志→定时器中断→安全关机 / 重启。

二、工具链与构建（Stage 0）

Rust：nightly；-Z build-std=core,alloc；目标三元组 x86_64-unknown-none / riscv64imac-unknown-none-elf。
引导：
- x86_64：bootloader crate 或自编 2 阶段引导（UEFI 可用 uefi crate）。
- RISC-V：OpenSBI + 内核镜像。
模拟与调试：QEMU（-serial mon:stdio）、GDB、llvm-objdump/objcopy、cargo-bootimage（如选 bootloader）。
CI：Headless QEMU 自测、cargo clippy、cargo fmt。

三、目录结构（建议）

kernel/
├─ Cargo.toml
├─ build.rs
└─ src/
   ├─ lib.rs         // 入口、panic、日志
   ├─ arch/
   │  ├─ mod.rs
   │  ├─ x86_64/
   │  │  ├─ boot.rs, gdt.rs, idt.rs, pit_apic.rs, paging.rs
   │  └─ riscv/
   │     ├─ boot.rs, trap.rs, clint_plic.rs, paging.rs
   ├─ mm/            // 物理 / 虚拟内存、分配器
   ├─ sync/          // 自旋锁、原子、屏障
   ├─ intr/          // 中断 / 异常 / 定时器
   ├─ sched/         // 任务、调度、上下文切换
   ├─ syscall/       // ABI、入口 / 返回
   ├─ drivers/       // 串口、时钟、块 / 网卡 /PCIe
   ├─ fs/            // VFS/ 缓存 / 具体 FS
   ├─ ipc/           // 管道、消息、共享内存
   ├─ net/           // 协议栈（可选）└─ userland/      // 简单用户态程序与启动

四、最小内核骨架（可直接扩展）

// src/lib.rs
#![no_std]
#![no_main]
#![feature(alloc_error_handler)]

extern crate alloc;
use core::panic::PanicInfo;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {arch::early_init();       // 关中断、基础寄存器、BSS 清零（若需）mm::init_memory();        // 建页表、映射内核、启用分页、init 全局分配器
    intr::init();             // IDT/Trap 向量、时钟中断
    drivers::early_uart_init();
    log::info!("kernel online 🚀");

    sched::init();
    arch::enable_interrupts();

    // 心跳：每秒打印一次时间戳 / 滴答
    loop {sched::idle(); }
}

#[panic_handler]
fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {log::error!("kernel panic: {info}");
    arch::halt_loop()}

#[alloc_error_handler]
fn oom(_: core::alloc::Layout) -> ! {log::error!("OOM in kernel allocator");
    arch::halt_loop()}

五、启动与早期平台（Stage 1）

x86_64：GDT/TSS、IDT、分页（4-level/5-level）、APIC/HPET、SMP 启动（AP 牵引）。
RISC-V：satp 开启分页、stvec/sscratch 设置、CLINT（时钟）/PLIC（外部中断）、SMP 核心拉起。
串口：UART 驱动（x86_64 可 MMIO/IO-port；RISC-V 16550/QEMU virtio-console）。

六、内存管理（Stage 2）

物理页帧分配器：位图 / 段树；保留内核镜像、设备内存、页表。
虚拟内存：多级页表抽象（x86_64 PML4/LA57；RISC-V Sv39/48）；内核高半区映射。
堆分配器：基于 alloc 的全局分配器（linked-list、buddy、slab 任一）；内核对象 slab。
安全：W^X、栈保护、内核地址随机化（后续）。

关键接口

pub trait FrameAllocator {fn alloc(&self, order: usize) -> Option<PhysAddr>;
    fn free(&self, addr: PhysAddr, order: usize);
}
pub unsafe trait PageTable {fn map(&mut self, v: VirtAddr, p: PhysAddr, flags: MapFlags);
    fn unmap(&mut self, v: VirtAddr);
}

七、中断与时间（Stage 3）

异常 / 中断入口：保存陷入上下文、错误码解析、可重入 / 嵌套策略。
定时器：PIT/HPET/APIC timer 或 RISC-V mtime；节拍器 tick 或 tickless。
时钟源：单调时钟、墙钟、调度时钟。

八、同步与并发（Stage 3）

原语：自旋锁、屏障、禁中断临界区、Atomic*。
不可阻塞日志：环形缓冲 + 串口后台刷写。

九、任务与调度（Stage 4）

任务模型：内核线程起步，后续引入进程 / 地址空间。
上下文切换：保存通用寄存器、栈指针、返回地址；延迟调度。
调度算法：RR/SJF/CFS 任选其一作为起点；可插拔策略接口。
SMP：每核 runqueue、负载均衡、IPI（核间中断）。

十、系统调用与用户态（Stage 5）

ABI：x86_64（syscall/sysret 或 int 0x80），RISC-V（ecall）。
边界：从用户到内核的参数校验、复制（copy_from_user/copy_to_user）。
进程地址空间：ELF 加载器、栈 / 堆映射、按需缺页（后续）。

十一、驱动框架（Stage 6）

总线与设备模型：PCIe/virtio/AMBA；驱动注册与生命周期（probe/remove/power）。
必须设备：串口、定时器、RTC、块设备（virtio-blk）、网卡（virtio-net）、简单帧缓冲。
DMA 与内存一致性：IOMMU（高级阶段）。

十二、VFS 与文件系统（Stage 7）

VFS 抽象：inode、dentry、superblock、文件描述符、poll/epoll 接口。
首个 FS：FAT32 或 Ext2；页面缓存、回写策略；ramfs 作为引导盘。

十三、IPC 与同步（Stage 8）

机制：管道、消息队列、共享内存、futex；信号 / 事件通知。
命名空间 / 隔离：PID/ 挂载 / 网络命名空间（进阶）。

十四、网络子系统（可选，Stage 9）

驱动：virtio-net。
协议栈：ARP、IPv4、ICMP、UDP→TCP；socket API（最小子集）。

十五、安全（横切）

权限模型：用户 / 组 / 能力（capabilities）。
内存防护：SMEP/SMAP/UMIP（x86_64）；页表权限严格化；栈金丝雀。
系统调用过滤：基于策略的 allowlist。

十六、可观测性与调试（横切）

日志：级别与分类；串口 / 环形缓冲；早期日志与后期日志合并。
跟踪：事件探针、周期采样；panic dump、栈回溯、符号化。
性能：简单 profiler、计数器（分配 / 缺页 / 切换 / 中断）。

十七、电源管理与多核（进阶）

SMP 完备：AP 拉起顺序、IPI 服务、TSC 同步（x86_64）。
Idle/ 频率：C-state/P-state（或 RISC-V WFI 策略）。
挂起 / 休眠：内存镜像与恢复（后续）。

十八、虚拟化（可选，远期）

x86_64：VMX/SVM；最小型 VMM。
RISC-V：H 扩展；Trap & Emulate。

十九、测试与验证

单元测试：#[cfg(test)] + 自定义 test runner（在 QEMU 内跑）。
集成测试：启动→跑用例→串口比对输出→退出 QEMU（isa-debug-exit）。
性质测试：快速检查器（property-based）。
模糊：syscall/ELF 加载器输入模糊。

最小“能跑”的两个模块草图

1) 串口日志（drivers/uart.rs）

use core::fmt::{self, Write};
use spin::Mutex;

pub struct Uart16550 {base: u16}
static UART: Mutex<Option<Uart16550>> = Mutex::new(None);

impl Write for Uart16550 {fn write_str(&mut self, s: &str) -> fmt::Result {for b in s.bytes() {unsafe { outb(self.base, b); } }
        Ok(())
    }
}

pub fn init(base: u16) {*UART.lock() = Some(Uart16550 { base}); }

pub fn print(args: fmt::Arguments) {if let Some(u) = UART.lock().as_mut() {let _ = u.write_fmt(args); }
}

#[macro_export] macro_rules! kprintln {($($arg:tt)*) => ($crate::drivers::uart::print(format_args!($($arg)*)));
}

2) 页帧分配器雏形（mm/frame.rs）

use core::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering::*};

pub struct BitmapFrames {
    base: usize,
    nframes: usize,
    bitmap: &'static mut [u64],
}

impl BitmapFrames {pub fn alloc(&mut self) -> Option<usize> {for (i, w) in self.bitmap.iter_mut().enumerate() {
            if *w != u64::MAX {let bit = (!*w).trailing_zeros() as usize;
                *w |= 1 << bit;
                return Some(self.base + ((i * 64 + bit) << 12));
            }
        }
        None
    }
    pub fn free(&mut self, addr: usize) {let idx = (addr - self.base) >> 12;
        self.bitmap[idx / 64] &= !(1 << (idx % 64));
    }
}

里程碑路线图（浓缩版）

Stage 0–1：引导 → 分页 → 串口日志 → 定时器中断（QEMU 可运行）。
Stage 2：页帧 + 虚拟内存 + 内核分配器；基础同步。
Stage 3–4：异常 / 中断完备 → 任务 / 调度 → SMP。
Stage 5：系统调用 + 用户态 ELF；简易 init。
Stage 6–7：驱动框架 + VFS + 一个文件系统。
Stage 8+：IPC、网络、安全、可观测性；之后再考虑虚拟化 / 休眠。

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构建操作系统内核主要提纲

一、目标与范围（Stage 0：立项）

二、工具链与构建（Stage 0）

三、目录结构（建议）

四、最小内核骨架（可直接扩展）

五、启动与早期平台（Stage 1）

六、内存管理（Stage 2）

七、中断与时间（Stage 3）

八、同步与并发（Stage 3）

九、任务与调度（Stage 4）

十、系统调用与用户态（Stage 5）

十一、驱动框架（Stage 6）

十二、VFS 与文件系统（Stage 7）

十三、IPC 与同步（Stage 8）

十四、网络子系统（可选，Stage 9）

十五、安全（横切）

十六、可观测性与调试（横切）

十七、电源管理与多核（进阶）

十八、虚拟化（可选，远期）

十九、测试与验证

最小“能跑”的两个模块草图

里程碑路线图（浓缩版）

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