# CNK

**Repository Path**: cnos1/cnk

## Basic Information

- **Project Name**: CNK
- **Description**: CNOS的开源内核，闭源版也使用同样内核
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: MIT
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 1
- **Forks**: 0
- **Created**: 2026-05-04
- **Last Updated**: 2026-05-05

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# CNOS Kernel Architecture

## 概述

CNOS是一个64位微内核操作系统，采用完全解耦架构。内核仅通过KAL(Kernel Abstraction Layer)与用户态通信，实现了内核与用户态的完全分离。

## 目录结构

```
kernel/
├── main.c              # 内核入口点
├── entry.asm           # 内核入口汇编
├── interrupts.asm      # 中断处理汇编
├── io.h                # IO端口操作宏定义
├── pmm.h/c             # 物理内存管理
├── vmm.h/c             # 虚拟内存管理
├── idt.h/c             # 中断描述符表
├── isr.c               # 中断服务程序
├── process.h/c         # 进程/调度管理
├── ipc.h/c             # 进程间通信
├── multiboot.h/c       # Multiboot协议支持
├── shell.h/c           # 内核Shell
├── gui.h               # GUI接口
├── cnos_syscall.h      # 系统调用头文件
└── drivers/            # 驱动程序
    ├── ata.h/c         # ATA存储驱动
    ├── vga.h/c         # VGA文本驱动
    ├── serial.h/c      # 串口驱动
    ├── graphics.h/c    # 图形驱动接口
    ├── mouse.h/c       # PS/2鼠标驱动
    ├── sheet.h/c       # 图层管理
    ├── font.h/c        # 字体渲染
    ├── pci.h/c         # PCI总线驱动
    ├── qemu_bga.h/c    # QEMU BGA帧缓冲驱动
    ├── intel_hd5500.h/c # Intel HD5500驱动
    └── virtio_*/       # VirtIO驱动(网络、GPU、9P)
```

## 启动流程

```
BIOS/UEFI → Multiboot2 Header → entry.asm
    ↓
kernel_main(mbi_phys, boot_magic)
    ├── serial_init()           # 初始化串口
    ├── multiboot_validate()    # 验证multiboot信息
    ├── pmm_init()              # 初始化物理内存管理
    ├── vmm_init()              # 初始化虚拟内存管理
    ├── vga_init()              # 初始化VGA文本模式
    ├── 图形初始化              # intel_hd5500/qemu_bga/GRUB FB
    ├── ata_init_primary_master() # 初始化ATA存储
    ├── vfs_init()             # 初始化VFS(lwext4)
    ├── vfs_mount_root()       # 挂载根文件系统
    ├── process_init()         # 初始化进程管理
    ├── idt_init()             # 初始化中断描述符表
    ├── tss_init()             # 初始化TSS
    └── sti; halt              # 开启中断，进入空闲循环
```

## 核心组件

### 1. 物理内存管理 (pmm)

物理内存管理器采用位图算法管理物理内存。

**主要接口:**
- `pmm_init(mbi_phys)` - 从multiboot获取内存信息并初始化
- `pmm_alloc()` - 分配一个4KB页
- `pmm_free(void *addr)` - 释放一个4KB页
- `pmm_get_total_memory()` - 获取总内存大小
- `pmm_get_free_memory()` - 获取空闲内存大小

### 2. 虚拟内存管理 (vmm)

基于x86-64分页的虚拟内存管理，支持1GB huge pages。

**主要接口:**
- `vmm_init()` - 初始化页表结构
- `vmm_map(uint64_t virt, uint64_t phys, uint64_t flags)` - 映射虚拟地址到物理地址
- `vmm_unmap(uint64_t virt)` - 取消映射
- `vmm_alloc_range(uint64_t start, uint64_t end, uint64_t flags)` - 在指定范围分配

**页表标志:**
- `VMM_PRESENT` - 页存在
- `VMM_RW` - 可写
- `VMM_USER` - 用户态可访问
- `VMM_HUGE` - Huge page (2MB/1GB)

### 3. 进程管理 (process)

支持多任务调度，采用轮转调度算法。

**进程控制块 (proc_t):**
```c
typedef struct proc {
    uint64_t pid;              // 进程ID
    uint64_t parent_pid;      // 父进程ID
    proc_state_t state;       // 进程状态
    uint64_t rsp;              // 内核栈指针
    uint8_t *stack_base;      // 栈底
    uint32_t kernel_stack_sz;  // 栈大小
    uint8_t *user_stack_base; // 用户栈
    uint64_t pml4_phys;       // 页表物理地址
    message_t msg_buffer;      // IPC消息缓冲
    struct proc *next_in_queue;
    struct proc *sender_queue;
    uint8_t home_core;
    void *newlib_reent_ctx;
    int exit_code;
    int waited;
} proc_t;
```

**进程状态:**
- `PROC_STATE_FREE` - 空闲槽位
- `PROC_STATE_READY` - 就绪
- `PROC_STATE_RUNNING` - 运行中
- `PROC_STATE_SENDING` - 发送消息中
- `PROC_STATE_RECEIVING` - 接收消息中
- `PROC_STATE_SLEEPING` - 睡眠
- `PROC_STATE_EXITED` - 已退出

**主要接口:**
- `process_init()` - 初始化进程调度器
- `process_create(void (*entry)(void))` - 创建内核线程
- `process_create_user(void (*entry)(void))` - 创建用户进程
- `schedule()` - 调度下一个进程
- `process_getpid()` - 获取当前进程ID
- `process_exit_current(int code)` - 退出当前进程
- `process_waitpid(int pid, int *status)` - 等待进程退出

### 4. 中断处理 (idt/isr)

**中断描述符表 (idt):**
- 支持256个中断描述符
- 支持用户态中断(INT 0x80系统调用)

**中断服务程序 (isr):**
- 定时器中断 (IRQ 0) - 调度器触发
- 键盘中断 (IRQ 1) - PS/2键盘输入
- 鼠标中断 (IRQ 12) - PS/2鼠标
- 硬盘中断 (IRQ 14/15) - ATA控制器
- 系统调用 - 用户态请求

**主要接口:**
- `idt_init()` - 初始化IDT
- `irq_register(int irq, void (*handler)(void))` - 注册中断处理
- `kbd_pop_char_nonblock()` - 非阻塞获取键盘字符
- `gui_kbd_pop_char_nonblock()` - GUI模式键盘输入

### 5. 进程间通信 (ipc)

基于消息的进程间通信机制。

**消息结构:**
```c
typedef struct {
    int src_pid;
    int dst_pid;
    uint64_t type;
    uint64_t data[6];
} message_t;
```

**主要接口:**
- `ipc_send(int dst, message_t *msg)` - 发送消息
- `ipc_recv(int src, message_t *msg)` - 接收消息
- `ipc_call(int dst, message_t *msg)` - 同步调用(发送+等待回复)

### 6. 系统调用 (cnos_syscall)

通过KAL接口提供系统调用。

**主要系统调用:**
- `KAL_SYSCALL_PROCESS` - 进程管理
- `KAL_SYSCALL_IPC` - 进程间通信
- `KAL_SYSCALL_MEMORY` - 内存管理
- `KAL_SYSCALL_INPUT_EVENT` - 输入事件
- `KAL_SYSCALL_GFX_GET_INFO` - 获取图形信息
- `KAL_SYSCALL_GFX_FLUSH` - 刷新帧缓冲
- `KAL_SYSCALL_VFS` - 文件系统操作

## 驱动程序

### ATA存储驱动

支持LBA28和LBA48两种模式。

**主要接口:**
- `ata_init_primary_master()` - 初始化主盘
- `ata_read28(uint32_t lba, uint8_t count, void *buf)` - LBA28读
- `ata_write28(uint32_t lba, uint8_t count, const void *buf)` - LBA28写
- `ata_read48(uint64_t lba, uint16_t count, void *buf)` - LBA48读
- `ata_write48(uint64_t lba, uint16_t count, const void *buf)` - LBA48写
- `ata_primary_master_sectors()` - 获取磁盘扇区数

### 图形驱动

支持多种帧缓冲设备:

1. **Intel HD5500** - 集成显卡驱动
2. **QEMU BGA** - QEMU虚拟机BGA帧缓冲
3. **GRUB FB** - Multiboot2提供的帧缓冲

**主要接口:**
- `graphics_init(struct vbe_mode_info *vbe)` - 初始化图形
- `graphics_boot_splash()` - 显示启动动画
- `graphics_get_lfb()` - 获取线性帧缓冲地址
- `graphics_get_width()` - 获取屏幕宽度
- `graphics_get_height()` - 获取屏幕高度
- `graphics_get_pitch()` - 获取每行字节数
- `graphics_present()` - 显示帧缓冲内容

### 其他驱动

- **VGA** - 文本模式输出
- **Serial** - 串口通信(115200bps, 8N1)
- **Mouse** - PS/2鼠标，支持3键和滚轮
- **PCI** - PCI设备枚举
- **VirtIO-Net** - 虚拟网络设备
- **VirtIO-GPU** - 虚拟图形设备
- **VirtIO-9P** - 9P文件系统共享

## VFS文件系统

基于lwext4库实现，支持ext2/3/4文件系统。

### 块设备抽象层

**cnos_lwext4.c** 提供:

1. **Ramdisk块设备** - 内存模拟块设备
2. **ATA块设备** - 真实硬盘访问
3. **MBR分区表解析** - 传统BIOS分区
4. **GPT分区表解析** - UEFI GUID分区表

### 设备命名

- `hd0` - ATA Primary Master 整个磁盘
- `hd1~hdN` - 各分区(支持GPT最多128个分区)

## KAL接口

KAL(Kernel Abstraction Layer)是内核与用户态的唯一接口。

### 系统调用号

| 调用号 | 名称 | 说明 |
|--------|------|------|
| 53 | KAL_SYSCALL_INPUT_EVENT | 获取输入事件 |
| 54 | KAL_SYSCALL_GFX_GET_INFO | 获取图形信息 |
| 55 | KAL_SYSCALL_GFX_FLUSH | 刷新显示 |
| 56 | KAL_SYSCALL_VFS | 文件系统操作 |

### 输入事件结构

```c
typedef struct {
    uint32_t type;   // 事件类型
    uint32_t data1;  // 数据1
    uint32_t data2;  // 数据2
    uint32_t data3;  // 数据3
} kal_input_event_t;
```

### 图形信息结构

```c
typedef struct kal_fb_info {
    void    *lfb;      // 线性帧缓冲
    uint64_t phys;     // 物理地址
    uint32_t width;    // 宽度
    uint32_t height;   // 高度
    uint32_t pitch;    // 每行字节数
    uint32_t bpp;      // 每像素位数
} kal_fb_info_t;
```

## 构建系统

使用CMake构建系统。

```bash
mkdir build && cd build
cmake ..
make kernel.elf      # 编译内核
make disk_images     # 创建磁盘镜像
```

### 内核镜像

- 输出: `build/kernel.elf`
- 格式: ELF64
- 入口: `kernel_main`
- 加载地址: 0x100000 (1MB)

## 内存布局

```
+------------------+ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF (虚拟地址空间顶部)
|    内核空间      | 0xFFFF800000000000 - 0xFFFF80FF...
|------------------| 0xFFFF800000000000
|    系统保留      |
|------------------|
|   物理内存映射   | 0xFFFF880000000000
|    (直接映射)    | (对应0x0开始的物理内存)
|------------------|
|   VMALLOC区域    | (动态分配的页表)
|------------------|
|   用户空间       | 0x0000000000000000
+------------------+ (用户进程地址空间)
```

## 中断向量

| 向量号 | 中断源 | 说明 |
|--------|--------|------|
| 0x00 | 除零错误 | CPU异常 |
| 0x06 | 无效操作码 | CPU异常 |
| 0x0D | 通用保护 | CPU异常 |
| 0x0E | 缺页错误 | CPU异常 |
| 0x20 | PIT | 定时器，100Hz |
| 0x21 | PS/2键盘 | 键盘中断 |
| 0x2C | PS/2鼠标 | 鼠标中断 |
| 0x2E | ATA Primary | 硬盘中断 |
| 0x80 | 系统调用 | 用户态请求 |
| 0xFF | APIC时钟 | 多核时钟 |

## 调度策略

1. **轮转调度** - 所有就绪进程按时间片轮转
2. **时间片** - 定时器每10 ticks触发一次调度
3. **优先级** - 目前所有进程优先级相同
4. **多核支持** - 支持最多8核(MAX_CORES=8)
5. **最大任务数** - 16个任务(MAX_TASKS=16)