学习目标 🎯
- 在 macOS 上搭建完整的 Rust 操作系统开发环境
- 配置 macOS 特有的开发工具
- 成功编译并运行第一个内核程序
第一部分： macOS 开发环境准备
安装 Rust 必要组件
Rust 版本 1.70.0 (稳定版本)
bash
# 安装 Rust 源码
rustup component add rust-src
# 安装Rust nightly工具链（必需不稳定特性）
rustup install nightly
rustup default nightly
# 添加编译目标（生成裸机二进制）
rustup target add x86_64-unknown-none
# 安装 LLVM 工具
rustup component add llvm-tools-preview
# 安装 bootimage 工具
cargo install bootimage
# 验证安装
bootimage --versionrust-src
rust-src 是 Rust 编程语言的源代码包，它包含了 Rust 标准库和编译器的完整源代码。
nightly
nightly 是 Rust 编程语言的每日构建版本，它包含了最新的、尚未稳定的功能和改进。 在这里用最新版。
为什么需要 nightly ？
bootloader编译需要-Z标志 （-Z是Rust编译器的不稳定标志，用于启用实验性功能和内部选项。）- 裸机开发需要最新的编译器功能
- 工具链支持需要实验性功能
x86_64-unknown-none
x86_64-unknown-none 是面向64 位 x86 架构裸机环境的目标标识，用于无操作系统的开发场景（如内核、嵌入式系统）。
llvm-tools-preview
llvm-tools-preview 是 Rust 生态系统中的一个组件，它提供了 LLVM 工具链的预览版本。 包含的工具有：
llvm-objcopy：用于复制和修改目标文件llvm-objdump：用于显示目标文件信息llvm-readelf：用于读取 ELF 文件格式llvm-strip：用于去除符号表llvm-size：用于显示目标文件大小- 其他
LLVM工具
在 Rust 项目中的作用：
- 用于交叉编译
- 处理目标文件
- 调试和优化
- 嵌入式开发
bootimage
bootimage 是一个 Rust 工具，专门用于创建可引导的磁盘镜像。它主要用于操作系统开发和嵌入式系统开发。bootimage 在这个项目中特别有用：
- 将Rust 内核编译成可引导镜像
- 在 QEMU 虚拟机中测试内核
- 创建用于实际硬件部署的镜像
第二部分：安装 QEMU
1. 使用 Homebrew 安装 QEMU
bash
# 安装 QEMU（推荐方法）
brew install qemu
# 验证安装
qemu-system-x86_64 --version
which qemu-system-x86_642. 配置 QEMU 路径
bash
# 检查 QEMU 安装路径
ls -la /opt/homebrew/bin/qemu* # Apple Silicon Mac
# 添加到 PATH（通常 Homebrew 会自动处理）
echo 'export PATH="/opt/homebrew/bin:$PATH"' >> ~/.zshrc # Apple Silicon3. 测试 QEMU
bash
# 测试 QEMU 是否正常工作
qemu-system-x86_64 -versionQEMU (Quick EMUlator) 是一个开源的硬件虚拟化工具，可以模拟不同的计算机硬件架构。
QEMU 的主要功能:
- 硬件模拟
- 模拟 CPU、内存、硬盘、网络等硬件
- 支持多种架构：x86_64、ARM、PowerPC 等
- 提供虚拟的计算机环境 2. 系统虚拟化
- 运行完整的操作系统
- 支持 Windows、Linux、macOS 等
- 提供隔离的虚拟环境 3. 用户模式模拟
- 运行单个程序
- 跨架构程序执行
- 调试和测试工具
QEMU 的优势
- 跨平台支持
- 在 macOS 上运行 Linux 程序
- 在 ARM 机器上运行 x86_64 代码
- 支持多种操作系统 2. 性能优秀
- 接近原生性能
- 支持硬件加速
- 高效的模拟 3. 功能丰富
- 网络支持
- 图形界面
- 调试工具
常用 QEMU 命令
- 基本运行
bash
qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=kernel.bin- 指定内存
bash
qemu-system-x86_64 -m 512M -drive format=raw,file=kernel.bin- 启用图形界面
bash
qemu-system-x86_64 -display gtk -drive format=raw,file=kernel.bin- 网络支持
bash
qemu-system-x86_64 -net nic -net user -drive format=raw,file=kernel.bin第三部分 创建项目
bash
cargo new blog_os --bin
cd blog_os修改 Cargo.toml 添加配置：
toml
[package]
name = "blog_os"
version = "0.1.0"
edition = "2021" # 兼容较旧版本
[dependencies]
bootloader = "0.9" # 引导加载程序
[build-dependencies]
bootimage = "0.10.3" # 镜像创建工具修改 main.rs
rust
// 1. 禁用标准库
#![no_std]
// 2. 禁用Rust运行时（无main函数）
#![no_main]
// 3. 定义入口点（取代main函数）
#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
// 内核入口函数
loop {}
}
// 4. 实现panic处理函数
#[panic_handler]
fn panic(_info: &core::panic::PanicInfo) -> ! {
loop {}
}第四部分：编译和运行
bash
# 编译内核
cargo +nightly build --target x86_64-unknown-none
# 运行内核 (直接运行 ELF 文件)
qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=target/x86_64-unknown-none/debug/blog_os此时：
写在最后-电脑开机启动发生了什么
开机启动流程
- POST（加电自检）
- 进行一系列诊断
- 按固件配置顺序寻找可启动设备（软盘、CD-ROM、硬盘等）
- 主引导记录（MBR）
- BIOS检查引导扇区的引导签名（0x55、0xAA，位于510和511字节偏移处）
- 找到后加载到内存特定位置（0x0000:0x7c00或0x7c0:0x0000，物理地址相同） -硬盘MBR结构：446字节可执行代码 + 分区表（16字节/项，共4项） + 2字节签名
- 早期执行环境
- 高度依赖BIOS实现，寄存器内容不确定（包括FLAGS、SP，栈可能无效）
- 唯一确定：DL寄存器存引导代码加载的驱动器代码
- CPU通常处于实模式（少数BIOS可能已激活保护模式）
- 内核加载与控制转移
- 引导程序加载内核到内存并移交控制权 内核加载前的任务
- 确定启动分区（找活动分区或让用户选择）
- 确定内核在引导分区的位置（解析文件系统或从固定位置加载）
- 加载内核到内存（需基础磁盘I/O）
- 启用保护模式
- 为内核准备运行环境（如设置栈空间） 解决引导记录空间限制的方法
- 极客加载：将所有任务挤入引导记录（几乎不可能，无特殊处理和错误信息空间）
- 单阶段加载：写转换存根程序链接到内核前，引导记录加载内核到1MB以下，存根切换到保护模式并准备环境后跳转内核
- 两阶段加载：写单独存根程序加载到1MB以下，完成所有加载前任务
- 传统链式加载：MBR relocation到0x0000:0x0600，加载活动分区引导记录到0x0000:0x7c00并跳转 推荐与其他启动方式
- 推荐使用现成引导程序（如GRUB）
- 提供启动菜单和链式加载功能
- 初始化早期环境到确定状态（含保护模式、读取BIOS信息）
- 支持多种文件系统、内核模块、无盘启动等
- 其他启动方式
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利用未使用分区加载第二阶段
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将第二阶段放在MBR和第一个分区起始之间
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类似Lilo：检测扇区/簇列表，第一阶段加载对应扇区
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DOS和Windows：格式化空文件系统，加载根目录第一、二个文件
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旧Linux软盘启动：第一扇区加载第二阶段（setup），其设置系统后加载内核
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nuni引导程序：在一个引导扇区内切换到保护模式并加载文件
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