🖥️ CCOperatingSystemX64

从零构建的 64 位 x86_64 操作系统

项目从CCOperateSystem（笔者的X86操作系统）派生！

升级到X64，全新的CCOperateSystem

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📖 项目简介

CCOperatingSystemX64 是一个完全从零开始的 x86_64 架构操作系统开发项目。项目旨在通过实践深入理解计算机系统底层原理，包括：

• 🔧 双阶段 Bootloader - 支持 LBA 与 CHS 双模式磁盘读取
• 🚀 64位长模式 - 完整的 x86_64 长模式切换与页表设置
• 🏗️ CMake 构建系统 - 现代化的构建与调试流程
• 🐛 QEMU 集成调试 - 支持 GDB 远程调试与 VNC 图形界面

核心特性

特性	说明
双阶段 Bootloader	支持 LBA 与 CHS 双模式磁盘读取
64位长模式	完整的 x86_64 长模式切换与页表设置
CMake 构建系统	现代化的构建与调试流程
VSCode 调试	一键启动 GDB 远程调试
模块化设计	清晰的代码组织，易于学习
进程管理	fork/exit/wait、Copy-on-Write
调度器框架	Round-Robin、优先级调度、抢占式
系统调用	syscall/sysret、完整的 POSIX 接口
用户态支持	Ring 3 进程、用户态 C 库
同步原语	Spinlock、Mutex、Semaphore、CondVar、RWLock
文件系统	VFS、EXT2、ATA 磁盘驱动
多线程支持	内核线程与用户线程

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🚀 快速开始

前置要求

工具	版本要求	用途
NASM	>= 2.15	汇编器
GCC	>= 15.2.1	C 编译器
CMake	>= 4.2.3	构建系统
QEMU	>= 10.2.0	系统模拟器
Python	>= 3.14.2	构建脚本

构建与运行

# 克隆项目
git clone https://github.com/Charliechen114514/CCOperatingSystemX64
cd CCOperatingSystemX64

# 配置并构建
cmake -B build
cmake --build build

# 运行（VGA 图形模式 - 推荐）
cmake --build build --target vga-run

# 一键构建并运行
cmake -B build && cmake --build build --target build-and-vga-run

调试

按 F5 即可启动 VSCode 调试，支持断点、变量监视、调用栈查看等功能。

详见 调试教程

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✨ 功能一览

系统基础

模块	功能
Bootloader	双阶段加载、LBA/CHS 兼容、64位长模式切换
内核入口	独立入口点、BSS 段清零、栈帧设置
串口驱动	COM1 配置、ANSI 颜色、同步输出

显示系统

模块	功能
VGA 文本模式	80x25 显示、16 色支持、硬件/软件光标
GUI 辅助	进度条、布局辅助
格式化输出	printf 风格输出、多后端支持
欢迎界面	ASCII 艺术 logo、模块化设计

内存与数据结构

模块	功能
字符串库	完整字符串操作 (strlen/strcpy/strcmp/strtok 等)
内存操作	memset/memcpy/memmove/memcmp
双向链表	Linux kernel 风格链表操作
哈希表	开放寻址哈希表
位图操作	位图管理、位查找、位图运算
数学工具	对齐、幂运算、除法变体、位操作宏

内存管理

模块	功能
E820 内存检测	BIOS E820/E801/88h 内存地图解析
物理帧分配器	Bitmap 物理帧分配/释放
虚拟内存管理	页表管理、地址映射、权限控制
堆内存管理	kmalloc/kfree、块合并算法
页错误处理	缺页异常、按需分页框架、Copy-on-Write 框架

中断与设备驱动

模块	功能
中断框架	IDT、异常处理、IRQ 描述符系统
PIC 控制器	8259A 初始化、IRQ 重映射、EOI 处理
PIT 定时器	可编程间隔定时器驱动
键盘驱动	PS/2 控制器、扫描码解析、环形缓冲区
串口中断	RX/TX 中断、串口 Shell
RTC 时钟	CMOS RTC、周期性中断、闹钟功能
ATA 磁盘驱动	ATA/ATAPI PIO 模式、LBA28/LBA48 寻址

开发工具

模块	功能
日志系统	五级日志、多后端输出、可配置过滤
断言系统	运行时/静态断言、可配置后端
栈回溯	符号解析、表格化输出、安全验证
Shell 系统	多后端支持、命令注册、内置命令

进程管理

模块	功能
进程控制块	PCB 结构定义、进程状态管理、PID 分配器
线程控制	TCB 结构、线程创建与退出
上下文切换	switch_context/switch_to_first 汇编实现
进程操作	fork/exit/wait4 系统调用、Copy-on-Write 支持
内核栈管理	每进程独立内核栈、栈溢出保护
用户栈设置	1MB 用户栈空间、自动增长支持

调度器框架

模块	功能
调度器抽象类	sched_class 多态设计、策略枚举
Round-Robin 调度	FIFO 队列、固定时间片 (10ms)
优先级调度	128 级优先级、Active/Expired 队列机制
抢占式调度	时间片到期、优先级抢占支持
调度器注册	动态注册、运行时切换

同步原语

模块	功能
Spinlock	自旋锁、Ticket Lock、关闭抢占支持
Mutex	互斥锁、基于等待队列实现
Semaphore	信号量、资源计数
CondVar	条件变量、等待/通知机制
RWLock	读写锁、读者优先策略
WaitQueue	等待队列、可中断等待
Atomic	原子操作、GCC 内建原子

系统调用

模块	功能
syscall/sysret	快速系统调用指令支持
系统调用分发	统一入口、参数解析、错误处理
进程管理	fork/exit/wait/getpid/getppid/yield
线程管理	thread_create/thread_exit
同步操作	mutex_lock/unlock、sem_wait/post
I/O 操作	write/read/open/close/lseek
系统信息	uname/getuid/kill/execve

用户态支持

模块	功能
Ring 3 切换	iretq 用户态进入、syscall 内核态返回
用户内存管理	USER_BASE~USER_END 地址空间、安全访问验证
内存拷贝	user_copy_from_user/to_user 安全拷贝
用户态 C 库	printf/malloc/exit 等标准库函数
用户程序构建	freestanding 编译、符号重命名、内核嵌入

文件系统

模块	功能
ATA 磁盘驱动	ATA/ATAPI PIO 模式、LBA28/LBA48 寻址
块设备层	通用块设备接口、请求队列管理
VFS 虚拟文件系统	超级块、inode、文件、目录项抽象
EXT2 文件系统	EXT2 超级块解析、inode 管理、块寻址
文件操作	open/read/write/lseek/close 系统调用
目录操作	readdir、路径解析、目录遍历
数据磁盘管理	自动创建、格式化 ext2 磁盘镜像

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📚 学习路径

教程 (Tutorial)

每章教程都配有对应代码，从零开始构建操作系统：

章节	内容
01 Bootloader	BIOS 加载与 MBR 引导
02 加载汇编内核	简单内核加载
03 统一引导	多内核支持
04 CMake 联合构建	现代化构建系统
05 大内核支持	超过扇区限制的内核
06 调试入门	GDB 基础调试
07 VGA + VSCode 调试	图形模式与完整调试
08 字符串工具	C 标准库实现
09 内存与串口	内存操作与串口通信
10 格式化日志	printf 与日志系统
11 链表与位图	数据结构基础
12 栈回溯	符号解析与调试
13 中断基础	IDT/PIT/键盘驱动
14 更多中断设备	串口中断/RTC/Shell
15 物理内存管理	E820 内存检测与物理帧分配
16 虚拟内存管理	页表管理与缺页异常
17 堆内存管理	kmalloc/kfree 实现
18 COW 与异常处理	写时复制与异常处理
19 代码重构	代码整理与重构
20 系统调用框架	syscall/sysret 指令支持
21 简单进程	进程控制块与上下文切换
22 调度器类	调度器抽象类与多策略支持
23 用户态进程	Ring 3 切换与用户态 C 库
24 ATA 磁盘驱动	ATA/ATAPI PIO 模式、LBA 寻址
25 EXT2 文件系统	VFS 与 EXT2 文件系统实现
26 同步原语	Spinlock/Mutex/Semaphore 实现

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🤝 贡献

欢迎提交 Issue 和 Pull Request！

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📄 许可证

本项目采用 MIT 许可证

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