KHY OS Kernel#

一个从零实现的裸机 x86_64 混合内核 · v0.1.0 "Genesis"

KHY OS 是一个自包含、可独立引导的操作系统内核：从 GRUB 引导、进入 64 位长模式、
建立分页与中断，运行 Ring 3 用户态程序，提供持久化文件系统与一个交互式 shell。
它不依赖任何上层平台即可启动运行——khy os（TUI / 网页 / pip）只是通过串口
连接到它的几个「控制面」，内核本身在任意 x86_64 环境下都能独立跑。

构建产物是一张可引导 ISO：build/khy-os-kernel.iso（约 12 MB）。

能力一览#

子系统	实现	源文件
引导	Multiboot2 → 长模式切换	`boot/boot.asm`, `boot/long_mode.asm`
内存	物理页分配器 / 虚拟内存分页 / 内核堆	`pmm.c`, `vmm.c`, `kheap.c`
中断	GDT / IDT / PIC / ISR / 定时器 / 键盘	`gdt.c`, `idt.c`, `pic.c`, `timer.c`, `keyboard.c`
进程	fork / exec / wait、抢占式调度、Ring 3 用户态	`process.c`, `sched.c`, `boot/usermode.asm`
可执行格式	ELF64 加载器 · PE32+/PE64 加载器 + Windows API 兼容层	`elf.c`, `pe.c`, `wincompat.c`
文件系统	VFS 抽象 · KhyFS 持久化（基于 ATA）· ramfs	`vfs.c`, `diskfs.c`, `ramfs.c`, `ata.c`
图形 / 终端	VGA 文本 · framebuffer · 窗口管理器	`vga.c`, `framebuffer.c`, `wm.c`
通信	串口（16550 UART）· 网络栈雏形 · IPC / 端口	`serial.c`, `net.c`, `ipc.c`
安全	基于能力（capability）的访问控制	`capability.c`
扩展	MoonBit 语言桥接（内核内运行 MoonBit 代码）	`moonbit_bridge.c`, `moonbit_os_api.c`

亮点：pe.c 能把 Windows PE 可执行文件加载进用户地址空间，wincompat.c
在 PE 导入 kernel32.dll 函数时，将其重定向到内核服务并修补 IAT——即一个
「内核级的迷你兼容层」。注意它只覆盖 kernel32 的极小子集，属研究/实验性质。

独立启动（无需 khy-os）#

方式一：QEMU（最快）#

make run          # 串口输出到当前终端，无图形窗口（推荐，直接看 shell）
make run-vga      # 同时打开 VGA 图形窗口
make run-disk     # 挂载一块持久化的 16MB ATA 磁盘（首次自动创建 build/khy-disk.img）

启动后会看到横幅与提示符 khy> 。

方式二：任意虚拟机（VirtualBox / VMware）#

把 build/khy-os-kernel.iso 作为光驱挂载，CPU 选 x86_64 即可引导。

方式三：真机（U 盘）#

# ⚠️ 会清空目标设备，请务必确认 /dev/sdX 是你的 U 盘
sudo dd if=build/khy-os-kernel.iso of=/dev/sdX bs=4M status=progress && sync

从该 U 盘引导（BIOS/Legacy 模式）。串口控制台可用 -serial 对应的物理串口或
USB-TTL 转接线观察。

从源码构建#

工具链#

工具	用途
`nasm`	汇编引导/中断代码
`gcc` + `ld`	编译/链接 freestanding 内核
`grub-mkrescue`	生成可引导 ISO
`qemu-system-x86_64` / `qemu-img`	运行与磁盘镜像
`moon`（MoonBit）	默认构建需要：生成并编译 MoonBit 模块
`xxd`	仅在 `make userland` 重新生成用户态程序时需要

构建#

make            # 完整构建 → build/khy-os-kernel.iso（含 MoonBit 步骤）
make iso        # 同上，只产出 ISO
make clean      # 清理 build/ 与 MoonBit 产物

默认 make 会先跑 MoonBit（moon build --target native）。若你的环境没有
MoonBit 工具链，需先安装，或裁剪 Makefile 中的 MOONBIT_OBJ 依赖。

重新生成 Ring 3 用户态程序#

用户态测试程序以 ELF blob 形式内嵌进内核（src/user_*_blob.h，已签入仓库）。
仅在修改了 userland/*.asm 后才需要：

make userland   # 重新汇编 init/filetest/argv/badptr/forktest/exectest/forkwait

Shell 内建命令#

命令	说明
`help`	列出命令
`ps`	查看进程
`mem`	内存使用
`ls` / `cat <f>`	列目录 / 看文件
`write <f> <文本>` / `append <f> <文本>` / `rm <f>`	写 / 追加 / 删
`run <prog>`	运行 `/bin` 下的 Ring 3 程序（fork+exec）
`sleep <ms>`	睡眠
`netstat` / `netsend` / `netrecv`	网络栈雏形
`diskinfo` / `diskread <blk>` / `diskwrite <blk> <文本>`	直接读写 ATA 磁盘块
`syscalltest`	系统调用自检

KhyFS 持久化验证：diskwrite 100 hello → 重启（make run-disk 再次启动）→
diskread 100，数据跨重启存活。

系统调用#

经 int 0x80 进入（约定见 src/syscall.c），目前实现 20 个：

write  exit  getpid  uptime  open  read  close  write_file
net_send  net_recv  ipc_send  ipc_recv  ipc_call
port_register  port_unregister  create_process  exec  wait  yield  mmap

源码地图#

kernel/
├── boot/          引导与底层汇编（长模式切换、ISR、上下文切换、进入用户态）
├── src/           内核 C 源码（内存/进程/调度/文件系统/驱动/syscall…）
├── userland/      Ring 3 测试程序（汇编源 + 预构建 ELF）
├── moonbit/       内核内 MoonBit 模块
├── iso/           GRUB 配置（grub.cfg）
├── linker.ld      内核链接脚本
└── Makefile       构建 / 运行目标

定位与边界（实话实说）#

KHY OS 是教学 / 实验 / 爱好级内核，不是生产系统：

单架构 x86_64、BIOS/GRUB 引导；无 SMP 多核。
驱动仅 ATA（无 USB / NVMe / 现代显卡）；网络与 IPC 为雏形。
Windows PE 兼容只覆盖 kernel32 的极小子集，跑不了复杂真实 .exe。
用户态是手写汇编测试程序，无 POSIX 完整性、无软件生态。

它真正的价值在于：完整地走通了引导 → 分页 → 调度 → 系统调用 → fork/exec →
文件系统 → 用户态这条链路，适合学习 OS 内核、做研究原型（尤其 PE 加载方向），
或作为系统编程能力的展示。

与 khy-os 平台的关系#

内核通过 16550 串口（QEMU 暴露为 TCP）对外提供唯一的双向字节流。上层 @khy/shared
里的 KhyOsRunner 把这条串口包装成统一运行时，再衍生出三个控制面：

TUI：khy os → 内核终端浮层
网页：前端 /khyos + xterm.js，经 ai-backend /ws 桥接
pip：khy os / khy os run "<命令>"，跨 Windows 与 Linux

这些都是「遥控器」——内核本身零改动、可独立启动，平台只是让它不再是孤岛。