0 环境准备

windows11宿主机, intel core系列芯片

vmplayer 17虚拟机(免费)

ubuntu24.04

vscode

clangd (vscode插件)

xorriso (xorriso和bear都可以通过sudo apt install安装)

bear (生成build json文件，供clangd代码分析，内核开发一般用clangd分析)

1 前言

1.1. 大学课程里的操作系统课程主要是针对内核而言。和字面意思理解可能不一样，真正的内核，在计算机的运行框架里，更像是千层饼里的一层，而不是想象中的一个球体。

1.2. 在内核之下，有硬件,bios，寄存器,grub等为内核提供操作硬件的接口指令(这也是内核需要适配不同架构的原因。不同架构的接口指令不同，内核只能分开处理，统一逻辑)，严格可以说内核代码是不直接操作硬件的。

1.3. 在内核之上，则是用户态程序。而用户态是内核分级权限指令的一种状态。所以可以称为运行在内核用户态之上的程序。怎么运行的呢？内核针对用户态会有专门的syscall_abi接口，以提供给用户态程序使用，包括文件处理，内存处理，打印服务，网络服务等等。这些都有对应的syscall_abi接口提供给用户程序。内核只需要保证abi接口稳定，就可以实现内核和用户程序的更新隔离，以及编译隔离。常见的用户程序比如(图形界面，终端等)。

1.4. 我们常见的OS镜像包，比如windows的iso安装包，ubuntu的iso安装包，这些里面包含的是两部分：内核，以及常驻用户程序。我们可以把内核比作一栋毛坯房，把常驻用户程序比作精装修。我们日常使用的电脑系统就是一个精装修的房子。也就是说，一栋毛坯房，不同的精装修就是不同的居住体验，类似不同的linux系统发行商版本arch, ubuntu等。从这个比喻也可以看出，即便只有内核，也可以算作一个OS，可以运行了。就像毛坯房也可以住人不是，就是条件简陋点。而我们的目标，就是做毛坯房。一个人喔，精装房就不用想了，没必要。我们是要学习操作系统的，不是要做一个新系统开公司和华为，苹果，windows竞争喔(狗头)。

tips: 为什么华为排第一呢，因为俺是中国人(^v^)

1.5 可以看出，常驻用户程序这一层，更侧重留住用户，是用户导向，功能优先；而内核这一层，更侧重稳定，性能，时间，安全。当然常驻用户程序肯定也是侧重稳定，性能，时间，安全的。但就像刚才的比喻一样，常驻用户程序即便在这四项上不达标或表现不好，也就是居住体验不好，能忍。但内核如果在这四项上不达标或表现不好，那就是危房了，怎么会有用户敢住呢。

---

2 具体内核选择

2.1. 有两个选择方向，一个是看早期版本内核，这个时候内核是完整的，相对简单的，能够帮助理解整个内核架构和全貌。这也够了，对于想要深入了解内核的同学。至于比如2026年现在的linux内核，那都是好多人经过几十年积累写的呢，一个人怎么看的完！至于为什么不提windows内核呢，因为是闭源的，俺不想吃国家饭(狗头)。另外个人也觉得windows内核估计很丑陋，光看mfc相关就难受。至于另外一个选择呢，自然就是自己手搓了。

2.2. 那么我们手搓肯定是推荐参考linux的。那这不就矛盾了吗，linux那么大，我手搓本来就是为了避免看linux那么大的代码。ok，现在是2026年，我们有AI大人了。

2.3. 从创建内核项目目录开始，我们就需要了解从引导程序到内核入口，这段路程。这其中涉及到内核层与内核层之下的层级交互。会出现很多的名词。我个人推荐在遇到不熟悉的名词时，搜索了解一下这些名词背后的发展历史，对于自写内核有很大帮助，就会觉得，喔，原来在几十年的诞生历史里，内核是这样随着计算机产生，长大的。

3. 工具编译相关

3.0. 首先，我们需要在编译系统禁用c库文件，以及若干针对内核的编译项，比如：

CPARAMS = -m32 -I. -nostdlib -fno-builtin -fno-exceptions \
		-fno-leading-underscore -std=gnu2x \
		-ffreestanding -fno-stack-protector \
		-fno-pic -fno-pie \
		-Wall -Wextra -Wno-address-of-packed-member \
		-mno-sse -mno-mmx -mno-sse2 -mno-3dnow -mno-avx \
		-O2 -g

其中-std=传统经典的内核比如linux，一般都选择gnu11，也就是c11，但这里为什么选c23呢。因为理论上c23比c11更有优势一些。那为什么linux不用呢，我问AI大人，说是历史包袱，更换代价大，且收益不高。

3.1. 之前已经讲过，内核只是计算机千层饼的中间一层，那么要做一个内核呢：

cpu架构	引导程序	引导程序提供给内核的统一接口规范	内核	打包成可运行iso镜像工具
x86	grub	multiboot	自研内核	xorriso
arm	uboot	boom/bootz(arm相比于x86在引导程序有很大不同，这里放在一列只是为了好看)	自研内核	xorriso

3.2 首先，我们要先明确手搓的各个阶段。既然我们要盖房子，那就必须得有地基，也就是引导程序。引导程序选择呢根据你的电脑的cpu型号来定。我是大部分人，所以选择grub。那么我们写内核时，怎么就算选择到grub呢：

3.2.1. 首先我们需要在内核编译文件里添加grub编译命令:

$(JLOS).bin: arch/$(ARCH)/linker.ld  $(OBJS) 

    @ld $(LDPARAMS) -T $< -o $(JLOS).bin $(OBJS)

install: $(JLOS).bin

    @sudo cp $< /boot/$(JLOS).bin

$(JLOS).iso: $(JLOS).bin

    @rm -rf iso

    @mkdir -p iso/boot/grub

    @cp $< iso/boot/$(JLOS).bin

    @echo 'set timeout=0' > iso/boot/grub/grub.cfg

    @echo 'set default=0' >> iso/boot/grub/grub.cfg

    @echo '' >> iso/boot/grub/grub.cfg

    @echo 'menuentry "johnlove operating system" {' >> iso/boot/grub/grub.cfg

    @echo ' multiboot /boot/$(JLOS).bin' >> iso/boot/grub/grub.cfg

    @echo ' boot' >> iso/boot/grub/grub.cfg

    @echo '}' >> iso/boot/grub/grub.cfg

    @grub-mkrescue --output=$@ iso

    @rm -rf iso

3.2.2. 我们需要.ld链接脚本来定义内核文件链接规则，包括段配置，虚拟地址边界，输出.bin文件的架构和格式，以及引导程序加载内核iso后，第一条cpu指令执行地址名称。比如：

ENTRY(loader)
OUTPUT_FORMAT(elf32-i386)
OUTPUT_ARCH(i386:i386)

这里我们指定了入口地址名是loader，链接器输出.bin的格式是32位x86 ELF，架构是i386。

3.2.3. 然后我们需要一个.s文件来定义loader入口，比如：

.global loader
.type loader, @function
loader:
    movl  $boot_stack_top, %esp

    cmpl  $MULTIBOOT_BOOTLOADER_MAGIC, %eax
    jne   _stop_bad_magic

    /* 保存 mbinfo 物理地址和 magic 到 .boot 段全局变量 */
    movl  %ebx, boot_mbinfo_pa
    movl  %eax, boot_magic

    /* 启动页表: 4MB 大页, 恒等 + 高半核各映射 64MB */
    movl  $0x00, %ecx
    movl  $0x83, %eax
1:
    movl  %eax, boot_page_dir(, %ecx, 4)
    movl  %eax, boot_page_dir + (768 * 4)(, %ecx, 4)
    addl  $0x00400000, %eax
    incl  %ecx
    cmpl  $16, %ecx
    jl    1b

    /* 开分页: CR4.PSE → CR3 → CR0.PG → jmp 序列化 */
    /* CR4: PSE(bit4,4MB页) | OSFXSR(bit9,启用FXSAVE/FXRSTOR/SSE) */
    movl  %cr4, %eax
    orl   $0x210, %eax
    movl  %eax, %cr4

    movl  $boot_page_dir, %eax
    movl  %eax, %cr3

    movl  %cr0, %eax
    andl  $~0x4, %eax
    orl   $0x80000022, %eax /* PG(bit 31) | MP(bit 1) | NE(bit 5) */ 
    movl  %eax, %cr0
    jmp   .Lpg_flush
.Lpg_flush:

    lea   high_half, %ecx
    jmp   *%ecx

_stop_bad_magic:
1:  cli
    hlt
    jmp   1b

.size loader, . - loader

/* high_half: 链接在 .text, VMA = 0xC01xxxxx */
.section .text
.extern john_beauty_main
.extern _kernel_end
.extern _bss_start
.extern _bss_end

.type high_half, @function
high_half:
    /* 从 .boot 段读取 multiboot 参数 (高半核映射: boot_mbinfo_pa PA → VA = PA + KERNEL_VIRTUAL_BASE) */
    movl  boot_mbinfo_pa, %ebx
    movl  boot_magic, %eax

    /* 切永久内核栈 */
    movl  $kernel_stack, %esp

    /* 清零 BSS (不影响 .boot 段的 boot_mbinfo_pa/boot_magic) */
    movl  $_bss_start, %edi
    movl  $_bss_end, %ecx
    subl  %edi, %ecx
    xorl  %eax, %eax
    cld
    rep   stosb

    /* mbinfo 物理地址 → 虚拟地址 */
    movl  boot_mbinfo_pa, %ebx
    addl  $0xC0000000, %ebx

    pushl $_kernel_end
    pushl %ebx
    call  john_beauty_main

1:
    cli
    hlt
    jmp   1b
.size high_half, . - high_half

在这里，我们定义了loader符号，也就是cpu会在grub把内核加载到内存完成后从这里开始执行。包括校验内核是否遵照multiboot协议，存mb信息，建临时栈，开分页，没问题跳转到high_half继续执行。可以看到，在high_half中，我们让cpu跳转到了john_beauty_main这个内核入口函数。内核真正的逻辑入口处。

3.2.4. 然后，生成.bin后，我们就需要通过grub-mkrescue，来打包.bin。它会调用xorriso来制作grub iso镜像。这样，镜像就会被grub识别加载到内存。

3.2.5. 综上，可以看出，我们只需要使用grub来生成grub镜像，并在内核可执行文件中定义加载入口地址，就算是使用grub了。

3.3. 在知道怎么从引导程序加载到内核入口函数后，我们就需要编写内核入口函数了，比如：

#include <common/multiboot.h>
#include <hal/mmu.h>
#include <hal/context.h>
#include <hal/hal_arch.h>
#include <hal/paging.h>
#include <hal/smp.h>
#include <kernel/multitask.h>
#include <kernel/memory_manager.h>
#include <kernel/page_frame_allocator.h>
#include <kernel/device.h>
#include <kernel/initcall.h>

#define JLOS_KERNEL_LOG_SUBSYS "boot"
#include <kernel/printk.h>

void john_beauty_main(const multiboot_info_t *multiboot_structure, uint32_t kernel_end)
{
    jlos_hal_arch_init();
    jlos_printk_init();
    printk_info("princess yihan is safe and happy!\n");

    jlos_smp_init();
    jlos_mmu_init();
    jlos_arch_tss_init();

    jlos_device_init(multiboot_structure);
    jlos_pfa_boot_alloc_init(VIRT_TO_PHYS(kernel_end));
    jlos_arch_paging_initialize_kernel(jlos_pfa_boot_alloc_page);
    jlos_page_frame_allocator_init();
    printk_info("paging initialized\n");

    jlos_do_initcalls();

    for (;;) {
        jlos_hal_halt();
    }
}

3.3.1. 从这个入口函数，我们就可以看出很多内核子系统初始化，包括hal, 打印，smp多核，mmu, tss, 设备管理，pfa, paging分页，以及initcall分级初始化。至于为什么有一行princess yihan is safe and happy呢，因为yihan是俺喜欢的女孩子喔。手搓内核嘛。

3.3.2. 基本到这里就可以了，后续就是内核子系统的实现了，那就已经进入内核开发了，包括：

4. 结束

4.1. 在计算机分支里，学习操作系统可以用到很多计算机知识。但是手搓内核是很耗时耗力的。所以呢，大学的时候不是正是有时间琢磨的时候。fighting。最后附上基本几个推荐书籍，网站，以及个人手搓内核项目(^v^)：

《c程序设计语言》第2版，brian w. kernighan, dennis m. ritchie著，徐宝文，李志译。经典K&R

《数据结构与算法分析》c语言描述，第2版，mark allen weiss著，冯舜玺译。

https://wiki.osdev.org/Expanded_Main_Page

Linux Kernel Teaching — The Linux Kernel documentation

johnbeauty-os:基于 C++ 的操作系统项目 - AtomGit (俺手搓的，实际是基于c，没法改链接名称了)