一个从零开始实现的 32 位 i386 内核项目：自制引导、加载器、分页与高半内核、可编程中断控制、基础设备驱动（键盘、IDE 硬盘）、自研文件系统（带超级块/索引结点/目录等）、线程与内存子系统雏形，并在 Bochs 下运行与通过 GDB 远程调试。

本仓库采用 C/C++ 混合实现，并使用 C++ Modules（C++26），构建系统为 CMake，硬件模拟与调试使用 Bochs + GDB。

温馨提示：本文面向 Linux 开发环境（仓库作者在 Linux 下开发）。若在其他系统，请参考等价安装包与路径。

• 自制引导链
  • MBR（boot/mbr.asm）：加载第二阶段加载器
  • Loader（boot/loader.asm）：切换保护模式，搭建分页（低端 1MB + 内核高半映射），加载 ELF 内核到高端，跳转内核入口
• 32 位 i386 内核（高半内核）
  • 链接地址 0xC0001500，入口符号为 kkkzbh（见 kernel/CMakeLists.txt 的 -Ttext 与 -e 设置）
  • 开启分页，虚拟内存布局：用户 3G + 内核 1G（0xC0000000~0xFFFFFFFF）
• 中断与时钟
  • IDT 建立与中断框架（kernel/interrupt.*）
  • PIT 定时器初始化（在设备侧 device/time/ 与 kernel/init.cpp 中调用）
  • 键盘中断驱动（扫描码解析、Shift/Ctrl/Alt/Caps 状态机，device/keyboard/keyboard.c）
• IDE 硬盘与分区扫描
  • IDE 通道初始化、中断处理与分区扫描（主/扩展/逻辑分区），见 device/ide/*
  • 自动识别并打印分区信息
• 自研文件系统
  • 超级块魔数：0x19590318（kernel/module/filesystem/init.cpp）
  • 具备目录/文件/读写/遍历/删除等基本操作与测试用例（kernel/module/filesystem/*）
  • 默认挂载示例分区如 sdb1（见 filesystem_init）
• 线程与内存模块雏形
  • kernel/module/thread/*、kernel/module/memory/* 与 init_all() 中的启动顺序
• 精简运行时与自制“标准库”
  • 自带 stdio.asm 与 string.c 等（kernel/src），内核以 freestanding 方式构建（无 libc++/libstdc++）
• 可在 Bochs 下运行与通过 GDB 远程调试
  • 仓库提供 bochsrc.disk 与 bochsrc-gdb.disk 调试配置

1. BIOS 加载 MBR（LBA 0）→ mbr.asm 使用 0x1F0 端口从硬盘继续读取 Loader（默认 4 个扇区）到内存并跳转。
2. Loader（实模 → 保护模式）：
   • 构造 GDT，打开 A20，CR0.PE=1 切换保护模式
   • 构建页目录/页表：前 4MB 恒等映射 + 内核高半映射（0xC0000000 起）
   • 从磁盘读取内核 ELF，解析 Program Header，拷贝到指定虚拟地址
   • 开启分页（CR0.PG=1），修正 GDT 基址至高半地址，跳入内核入口
3. 内核 start()（kernel/start.cpp）:
   • init_all() 初始化：中断/内存/线程/PIT/键盘/TSS/系统调用/IDE/文件系统
   • 调用 C++ main()（kernel/main.cpp），当前默认运行文件系统测试 test::t7()

磁盘布局（以 CMake 的写入规则为准）：

• MBR：LBA 0，大小 1 扇区
• Loader：从 LBA 2 开始，大小 4 扇区（可在 boot/CMakeLists.txt 中看到 add_disk_target(write_loader ..., 2, 4)）
• 内核：从 LBA 9 开始，默认预留 300 扇区（见 kernel/CMakeLists.txt 中 add_disk_target(write_kernel ..., 9, 300)）

boot/                  # MBR/Loader 汇编与构建脚本
kernel/                # 内核核心代码与模块
  src/                 # 精简 stdio/string/assert/os 等
  module/              # C++ Modules：memory/thread/filesystem/std/user 等
  test/                # 内核内置测试（当前聚焦文件系统）
device/                # 设备与驱动（keyboard/ide/time/console/ioqueue 等）
bochsrc*.disk          # Bochs 运行/调试配置（含 gdbstub）
CMakeLists.txt         # 顶层构建：定义 osbuild、磁盘写入等

• 操作系统：Linux（x86_64）
• 工具链：
  • CMake（仓库使用过 4.0.1，建议使用较新的 CMake 版本）
  • GCC/Clang，需支持 C++ Modules（C++26）与 32 位编译：-m32 -ffreestanding -nostdlib -nostdinc
  • objcopy、nasm
  • Bochs（建议带 gdbstub 支持）与 gdb
• 32 位构建所需多架构支持（以 Debian/Ubuntu 为例）：

sudo apt update
sudo apt install -y cmake ninja-build nasm gdb bochs bochs-sdl
sudo apt install -y gcc g++ gcc-multilib g++-multilib

注意：bochsrc*.disk 中的 BIOS 路径默认指向 /usr/local/bochs/share/bochs/*。 若你的 Bochs 安装在系统目录（如 /usr/share/bochs），请自行调整 bochsrc*.disk 中的 romimage 与 vgaromimage 路径。

顶层 CMakeLists.txt 定义了以下关键目标：

• mbr_bin / loader_bin：生成 mbr.bin 与 loader.bin
• kernel：生成带符号的内核二进制（ELF）
• kernel_stripped：去符号版内核（写入磁盘镜像使用）
• write_mbr / write_loader / write_kernel：将上述二进制按扇区写入 hd64M.img
• osbuild：一次性完成上述写入（取决于 DISK_IMAGE 参数）

构建步骤（推荐使用 Ninja）：

# 1) 准备构建目录
cmake -S . -B cmake-build-debug -G Ninja -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug

# 2) 编译（会生成 bin/kernel 与 bin/kernel_stripped 等）
cmake --build cmake-build-debug -j

# 3) 准备磁盘镜像文件（首次需要，见下一节）

# 4) 将 MBR/Loader/Kernel 写入镜像
cmake --build cmake-build-debug --target osbuild

构建产物位置（默认）：

• 可执行/镜像：cmake-build-debug/bin/kernel、cmake-build-debug/bin/kernel_stripped
• 中间文件与库：cmake-build-debug/lib、子目录 CMakeFiles 等

Bochs 配置使用两个“扁平”磁盘镜像：

• hd64M.img：主盘（含 MBR/Loader/Kernel），由 CMake 的写入目标覆盖指定扇区
• hd80M.img：从盘（用于分区/文件系统实验），不会由 CMake 自动创建

首次运行前，请在仓库根目录创建这两个镜像（尺寸与 bochsrc*.disk 一致）：

# 在仓库根目录执行
dd if=/dev/zero of=hd64M.img bs=1M count=64
dd if=/dev/zero of=hd80M.img bs=1M count=80

随后执行 osbuild 目标会自动将 mbr.bin/loader.bin/kernel_stripped 写入 hd64M.img 的指定扇区。

普通运行（不启用 GDB）：

bochs -qf bochsrc.disk

带 GDB 调试运行（推荐开发时使用）：

bochs -qf bochsrc-gdb.disk

若提示 BIOS 路径问题，请根据你的安装位置编辑 bochsrc*.disk 中的 romimage/vgaromimage 路径。

bochsrc-gdb.disk 已开启 gdbstub：gdbstub: enabled=1, port=1234。

典型调试会话：

# 1) 启动带 gdbstub 的 Bochs
bochs -qf bochsrc-gdb.disk

# 2) 另开一个终端，加载带符号内核并连接 gdbstub
gdb cmake-build-debug/bin/kernel \
  -ex 'set disassemble-next-line on' \
  -ex 'target remote :1234' \
  -ex 'continue'

说明：

• 镜像中加载的是 kernel_stripped，但我们让 GDB 读取 cmake-build-debug/bin/kernel 以获得符号。
• 链接选项指定了入口与加载地址（-Ttext,0xC0001500、-e,kkkzbh），Bochs/gdbstub 会报告 PC 所在的高半地址，GDB 能正确解析。

常用断点位置建议：

• Loader 阶段（Bochs 内部调试器断点或查看寄存器/内存）
• 内核入口 kkkzbh / start / init_all
• 关键初始化点：idt_init、ide_init、filesystem_init、测试函数 test::t7

• 引导与加载器
  • boot/mbr.asm：清屏+签名后，从 LBA 读取 Loader 并跳转
  • boot/loader.asm：获取内存布局、打开 A20、加载 GDT、分页、加载内核 ELF、进入高半内核
• 中断与系统
  • kernel/interrupt.* 定义 IDT、中断开关/注册框架
  • kernel/include/global.h 定义 GDT/IDT/TSS/特权级/段选择子/标志位属性等常量与结构
• 设备与驱动
  • 键盘：device/keyboard/keyboard.c（扫描码表与状态机，注册到中断向量 0x21）
  • IDE：device/ide/*（通道初始化/识别/分区扫描/中断处理/打印分区信息）
  • 时间：device/time/*（PIT/时间工具）
• 文件系统
  • 初始化与自动挂载：kernel/module/filesystem/init.cpp（魔数 0x19590318）
  • 目录/文件/路径/超级块/索引结点等：kernel/module/filesystem/*
  • 测试：kernel/test/filesystem.cpp（示例：创建/写入/读取/遍历/删除/统计等）
• 线程/内存/TSS/系统调用
  • kernel/init.cpp 中 init_all() 按顺序调用相关 init 例程
• 自制“标准库”与工具
  • kernel/src/stdio.asm、kernel/src/string.c、kernel/src/assert.c 等

• 调整磁盘写入扇区：修改 CMakeLists.txt 中的 add_disk_target(write_* ...) 参数
• 修改内核加载地址或入口：编辑 kernel/CMakeLists.txt 中的 target_link_options(kernel ...)
• 新增设备驱动：在 device/ 下添加库与 target_link_libraries 依赖
• 新增/调整文件系统能力：在 kernel/module/filesystem/ 下扩展实现，并在 filesystem_init() 中挂载/格式化策略

• 构建时报 32 位相关错误（找不到 32 位 crt 或头文件）
  • 需安装 gcc-multilib g++-multilib，并确认 -m32 能正常编译
• 运行 Bochs 报 BIOS 路径错误
  • 根据你本机 Bochs 安装位置，调整 bochsrc*.disk 的 romimage/vgaromimage 路径
• Bochs 启动后黑屏/重启
  • 优先查看 bochs*.out 与 bochs_debugger.txt，确认 Loader 是否正确读取内核（关注 LBA）
  • 检查 osbuild 是否已将二进制写入 hd64M.img 正确扇区（LBA0/2/9 等）
• GDB 无法连接
  • 确认使用 bochsrc-gdb.disk 启动，且端口 1234 未被占用
• 文件系统未挂载/找不到分区
  • 查看 ide_init 与 filesystem_init 的日志，确认 hd80M.img 已创建并存在有效（或将被格式化）的分区

• 运行内置测试：当前 kernel/main.cpp 默认调用 test::t7()（查看根与 /kkkzbh 目录的 stat/ls 输出）
• 你可以在 kernel/test/filesystem.cpp 中切换至 t1~t6 等其他测试项，重新构建并运行观察行为

• 欢迎提交 Issue/PR 交流内核/文件系统/驱动实现思路与优化建议
• License：未指定（如需开放授权，请在仓库根目录添加 LICENSE 文件）

• 构建总控：CMakeLists.txt 顶层（add_disk_target、osbuild、输出目录等）
• 引导构建：boot/CMakeLists.txt（生成 mbr.bin、loader.bin 并写入镜像）
• 内核构建：kernel/CMakeLists.txt（kernel → kernel_stripped → write_kernel）
• Bochs 配置：bochsrc.disk、bochsrc-gdb.disk
• 入口与初始化：kernel/main.c（入口符号 kkkzbh）→ kernel/start.cpp → kernel/init.cpp

祝玩得开心，hack the kernel!