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Architecture Overview

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Z User edited this page Oct 23, 2026 · 2 revisions

语言：简体中文 ｜ Architecture-Overview-EN

本文档描述了树中存在的 L0——下面列出的每个组件都是你可以打开的实 际文件。行数和每目录详情在 docs/data/stats.json 中（重新生成： make api-docs）。

整体架构图

                       GRUB 2.12 (hybrid BIOS + UEFI ISO)
                                     |  multiboot2 + kernel-as-module
        +----------------------------+----------------------------+
        |                 boot/boot.S                            |
        |   32-bit entry -> GDT -> 2 MiB identity map of the      |
        |   first 4 GiB -> PAE+LME+PGE -> long mode -> kmain      |
        +----------------------------+----------------------------+
                                     |
   kernel/main.c  (kmain: bring-up order = the boot log you see)
        |
   +----+------------+------------+-------------+------------+
   |                 |            |             |            |
 kernel/arch/x86_64 kernel/core  kernel/mem   kernel/lib   kernel/crypto
   IDT/GDT/TSS      scheduler    PMM/VMM/heap string/tar  RSA/EC/AEAD/
   exceptions       syscalls 53   4 KiB pages  gzip/config  X.509/SHA
   IRQ 8259 remap   ring3+ELF    free-list     klog
   LAPIC/timers     signals      kmalloc
   context switch   soft timers
        |
   +----------------+----------------+---------------+
   |                |                |               |
 drivers/*        fs/              net/            shell/
 16 families      VFS + ramfs      e1000-family    parser/executor
 block NVME AHCI  FAT32 exFAT      ARP IPv4 ICMP   233 commands
 ATA DMA virtio   ext4             UDP DNS TCP     pipes/redirection
 USB xHCI/EHCI/   node cache       sockets TLS     env/aliases
 OHCI UHCI MSC    mount crossing   SSH client      line editor
 HID audio serial congestion       sshd server    script lang
 PCI PCIe ACPI    /etc volume      firewall        editor
 I2C SMBus HPET                    tcp cc          TUI bridge
 RTC TSC PM timer
 wireless bt SD   tui/            chinese/        l1/
 camera UVC IR    desktop,        CN console      162-numbered
 gameport parallel menus, forms,  font 16x16      extension surface
 SCSI LSI 53C8xx  editor, apps    pinyin IME      + solib loader

启动流程（串口日志显示的顺序）

  1. GRUB 加载 boot/opencube.elf（内核也作为标记为 self 的 multiboot2 模块附加—— 这是安装程序的模式，因此 install/abdisk 可以将正在运行的确切内核复制到磁盘）。
  2. boot/boot.S：32 位入口点，独立的 GDT，使用 2 MiB 页面对前 4 GiB 进行 身份映射，PAE + LME + PGE，切换到 64 位长模式，调用 kmain。
  3. kernel/arch/x86_64/arch_multiboot2.c 解析 multiboot2 信息 （帧缓冲、内存映射、命令行、ACPI RSDP 标签）——具有完整的畸形输入 防御：每标签最小值、NUL 终止检查、截断标签拒绝。
  4. kmain 按启动日志顺序点亮：帧缓冲控制台与字体， IDT/GDT/TSS（256 个门，#DF/#MC 和调试的 IST 栈）， 8259 PIC 重映射，100 Hz 的 PIT，PS/2 键盘，COM1 串口 RX， 行编辑器，异常（带有实时的 #DE/#UD/#PF 自检）， PMM，VMM，堆，然后是驱动域，VFS，网络，Shell。
  5. Shell 注册其 233 个命令（shell command system (233 commands) 行），崩溃恢复启用，oc> 提示符出现。

内存管理

  • PMM (kernel/mem/mem_pmm.{c,h})：基于 multiboot2 内存映射的 4 KiB 页框位图分配器；保留区域（内核 代码、帧缓冲、mbi）在初始化时标记为已使用；O(1) 分配/释放。
  • VMM (kernel/mem/mem_vmm.{c,h})：4 级页表； 内核保持启动时前 4 GiB 的身份映射；API 创建并操作额外的地址空间（用户进程）。 页面保护标志映射到 rw/nx/user 位。
  • Heap (kernel/mem/mem_heap.{c,h})：kmalloc/kfree/krealloc/ kzalloc，带有首次适应和合并的空闲链表，16 字节 对齐的块（历史上 40 字节与 32 字节头部的错误教会了我们惨痛的教训）， 16 MiB 快速失败上限。
  • #PF 增长：栈增长和堆增长的缺页异常是 kmain 异常路径中的 真实故障处理——非法访问升级到崩溃路径。

调度与时间

  • 调度器 (kernel/core/core_sched.{c,h})：抢占式， 基于任务控制块进行优先级 + 时间片轮转； 上下文切换在 arch/x86_64/arch_context_switch.S 系列汇编中进行， 并通过 ABI 探测验证对齐。
  • 定时器 (kernel/core/core_timer.{c,h})：100 Hz 的 PIT 驱动 节拍，g_boot_time_ms 和软定时器轮。 HPET、ACPI PM 定时器和 TSC 作为额外时间源受支持 (drivers/time/)。
  • 看门狗 (kernel/core/core_watchdog.{c,h})：监控任务 槽位与超时策略（watchdog 命令），加上真正的 硬件看门狗点亮（如果固件提供）——Intel TCO （在 QEMU q35 上实时验证：PMBASE 发现，启用状态， 真正的硬重启 + 二次启动）和 ACPI WDAT 表。

中断与异常

kernel/arch/x86_64/arch_idt.{c,h} + arch_irq.c：256 项 IDT， 带有 IST1（#DF/#MC 的 panic 栈）和 IST2（专用 异常退出栈——在 IST2 上从不发生上下文切换）的 TSS， 8259 重映射到向量 32-47，LAPIC 处理，以及完整的 异常帧路径，用于生成崩溃转储。每次启动都运行实时的 3/3（#DE/#UD/#PF）自检。

Ring 3、系统调用、进程

  • 系统调用 ABI (kernel/core/core_syscall.h)：rax=编号， rdi/rsi/rdx/r10=参数，rax=结果。53 个系统调用编号 （验证：grep -c '#define SYS_' kernel/core/core_syscall.h）。
  • 用户模式 (kernel/core/core_usermode.{c,h})：ELF 加载器， 进程表，信号，ring-3 入口/fork 汇编。
  • 用户程序 (userprogs/)：hello，fork/exec/pipe/signal/ select/mmap 测试，使用真正的树内加载器进行动态链接 (libs/ld_so.c)——共享对象、dlsym、PIE 和重定位 测试都作为 shell 命令运行。

文件系统

  • VFS (fs/fs_vfs.{c,h})：统一的 open/read/write/seek/close/ stat/mkdir/rmdir/readdir/lookup 接口，适用于已注册的文件系统类型； 节点树透明地跨越挂载点；每个文件系统的大小写敏感性； 权限位强制执行；i64 寻址。
  • 文件系统：FAT32（LFN 与别名 + 冲突扫描 + 校验和 验证，双 FAT 镜像，FSINFO），exFAT（活动 FAT）， ext4（读/写，支持扩展），ramfs（稀疏洞归零）。
  • 块层 (drivers/block/driver_block_blk.{c,h})：注册/ 读/写/刷新，支持每个实例的名称，分区扫描， AHCI，ATA/ATA-DMA（32 字节堆头保证 PRDT 对齐）， NVMe，virtio-blk。
  • /etc 卷：挂载在 /etc 的 32 MiB FAT32 镜像， 包含 opencube.conf、SSH 主机密钥、内核日志—— 因此配置在重启后仍然保留（etc.img 目标）。

网络协议栈

net/net_core.{c,h} 及相关模块——一个自包含的协议栈：PCI 发现，e1000 系列网卡驱动（e1000/e1000e/igb/ixgbe；rtl8139/ rtl8169 系列；BCM57xx），Ethernet + ARP + IPv4 + ICMP + UDP + DNS + TCP 及拥塞控制（net_tcp_cc.c），用户程序的 套接字 API，状态防火墙，wget/dns/ping/route 命令。 在其之上：支持 RSA/ECDHE、X.509 链验证（RFC 6125 主机名策略） 的 TLS 1.2/1.3 客户端，以及真正的 SSH 客户端 + SSH 服务器 (net_sshd.c，通过 curve25519/ed-style 原语进行密钥交换， 主机密钥在 /etc)。DRBG 播种是 RDRAND + 重新混合的 RDTSC（NIST SP 800-90A HMAC_DRBG）。

驱动

drivers/ 下的 16 个驱动家族——每个在 docs/drivers/ 下都有 自己的点亮手册。亮点：UHCI/OHCI/EHCI/xHCI USB 栈， 支持 MSC（大容量存储）、HID、串口、音频类； HDA/AC97/SB16/ES1370/virtio 声卡；i2c + SMBus； 无线（ath/brcm/iwlwifi/rtlwifi 系列）和蓝牙（HCI/L2CAP/RFCOMM/SDP/SPP + HID）层； 支持 MJPEG 的 UVC 摄像头；SD/SDHCI；SCSI（LSI 53C8xx 系列）； 带有真正 AML 命名空间遍历器的 ACPI（FADT/DSDT/MCFG， S3 挂起/恢复在 arch_acpi_s3*.S 中）；芯片组时间源 （HPET/PM 定时器/TSC/CMOS RTC）。

Shell 与 TUI

  • Shell (shell/)：分词器，环境变量，别名，管道， 重定向，后台作业，通配符，命令链 (; && ||)，当前工作目录，脚本语言， help -a/-w 两种视图，233 个命令，带历史记录的 行编辑器，文本 editor。
  • TUI (tui/)：在帧缓冲之上的窗口层—— 带有任务栏/启动器的桌面，菜单，表单，面板，文本控件， TUI 编辑器，系统监控应用，以及扩展接口面 tui/tui_ext.h（37 个可调用声明），L1 模块使用。

中文控制台层

chinese/ 添加了 16x16 位图字体，GB 编码的控制台渲染， 拼音输入法，以及 TUI 硬件/网络/系统信息应用的中文变体—— 可在构建时选择（CONFIG_CHINESE），禁用时使用 ASCII 等价回退。系统字符串按约定保持 ASCII。

L1 扩展接口面

编号的 162 接口面（参见 INTERFACES.md）加上驱动/OTA/看门狗/健康/内核日志头文件； 共享对象加载器（libs/ld_so.c）让 L1 模块在运行时加载。 TUI 命令桥端到端地演示了该模式。

OTA 与 A/B 更新

kernel/ota/：更新清单验证（SHA256 + 签名）， 下载，分阶段安装到 A/B 槽位（ota_ab.{c,h}）， 回滚，GRUB 菜单消耗的启动槽位标志（槽位 ISO / A / B）。 update 命令链运行整个流程；ab_partition_test 在临时磁盘上练习槽位管理。

崩溃恢复

kernel/core/core_crash.c + shell/shell_cmds_crash.c：panic 路径， 将寄存器转储到串口 + /etc 卷上的崩溃日志， 通过 dumpinfo 检查转储，客户机内的 crashtest， 以及 WinRE 风格的恢复姿态：系统默认启动到 oc> shell， 因此"恢复"是主要接口，而不是特殊模式。

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