用 Rust 复刻 Real Mode 世界

一、动机：不是为了实用，而是为了"味道"

在现代操作系统里，内核、驱动、虚拟内存、用户态进程，这些概念都已经被包装得很"高级"。

CPU 开机就在 Real Mode，内存没有保护，任意程序都可以写到任意地址，系统调用就是一次 int 21h 软件中断。

这个项目的目标很直接：

在真实的 x86 机器上，以 Real Mode 运行；
实现一部分经典 DOS API，让简单的 DOS 程序可以直接跑；
提供最基础的功能：磁盘读写、FAT12 文件系统、简单的 COMMAND.COM 命令行。

换句话说，它不是要成为一个"新系统"，而是要模仿当年的 MS-DOS，让现代开发者可以亲手体验那种"程序和硬件几乎零距离"的感觉。

如果有人想先回顾一下 Rust 这门语言本身，可以在中途顺手翻一眼官方站点：

Rust 官网： https://www.rust-lang.org/

二、从 BIOS 开机到 0x7C00：Bootloader 的工作

80 年代的 PC 上电之后，首先接管机器的是 BIOS 。

BIOS 会完成很小一部分初始化，然后按照固定流程：

扫描可启动设备（软盘、硬盘等）。
读取"被选中的那块盘"的第一个扇区（512 字节），加载到物理地址 0x7C00。
把控制权跳转到 0x7C00------从这时起，就轮到 Bootloader 自己表演。

这个项目里的 Bootloader 干的事情，大体可以概括为：

用 BIOS 的中断服务（比如 int 13h）从磁盘读数据；
把内核和驱动一次性装进内存；
设置好段寄存器和栈；
跳转到内核入口。

一个典型的 Real Mode 启动头，伪代码大概类似这样：

asm 复制代码

; 以 0x7C00 为起点的启动扇区
[org 0x7C00]

cli                 ; 关中断
xor ax, ax
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
mov sp, 0x7C00      ; 暂时把栈放在这里

; 这里调用 BIOS int 13h 读取更多扇区到内存
; ...

jmp 0x0000:0x8000   ; 跳到载入好的内核入口
times 510-($-$$) db 0
dw 0xAA55           ; 引导扇区签名

在现代 UEFI 世界里，上述很多事情已经被抽象掉；但在 Real Mode 里，这些步骤必须自己完成。

三、Real Mode：内存分段的"古早麻烦"

DOS 必须在 Real Mode 下工作，这是向 8086 时代兼容的历史包袱。

Real Mode 只有 16 位寄存器，看起来最多只能寻址 64 KB。

但 Intel 当年的设计希望能访问 1 MB，于是搞出了一个折中方案：段寄存器 + 偏移量。

每个段寄存器（CS、DS、SS 等）保存一个 16 位"段基址"；
实际物理地址 = 段值左移 4 位 + 偏移量。

例如：

段地址 0x2020，偏移 0x4300

对应物理地址 = 0x2020 * 16 + 0x4300 = 0x24500

同一个物理地址，可以有很多种"段：偏移"的写法，这给上下文切换、加载程序、传参数都带来了额外负担。

而 DOS API 又大量依赖"段：偏移"的约定，例如把缓冲区地址放在 ES:BX 里传递，因此内核不得不和这些细节打交道。

这也是为什么现代操作系统教程几乎清一色建议"尽快切换到 Protected Mode"------那里有平坦的 32 位地址空间，还有分页、权限管理等一整套机制，而这些在 Real Mode 里完全不存在。

四、用 Rust 写一个 Real Mode 内核：no_std + 静态链接

项目选择 Rust 作为内核开发语言，一方面是出于对现代语言特性的偏爱，另一方面也想看看 Rust 在极简环境下能走多远。

为了在没有操作系统支持、没有 C 运行时的情况下运行，内核必须：

禁用标准库：#![no_std]
禁用默认入口点：#![no_main]
自己提供入口函数和 panic 处理逻辑。

一个最简骨架，可以写成这样的形式：

rust 复制代码

#![no_std]
#![no_main]

use core::panic::PanicInfo;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn kstart() -> ! {
    // 在这里完成内核初始化，然后进入主循环
    loop {
        // ...
    }
}

#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    // Real Mode 下没有日志系统，只能挂死
    loop {}
}

所有代码都被编译成 静态可执行映像 ，不依赖动态重定位。

原因很简单：当内核被加载进内存时，没有别的程序可以帮忙修改符号地址，也没有 ELF/PE 加载器可用，一切都必须"编译期说清楚"。

这带来一个有趣的副作用：

许多会在运行时触发 panic 的操作（例如切片越界、除以零）会导致编译器拒绝生成代码。

为了通过编译，开发者必须在可疑位置手动加上边界检查，反而逼出了更"安全"的写法。

至于如何在 Rust 里写操作系统，网上已经有非常详细的教程，例如 Philipp Oppermann 的系列文章就专门讲这一套流程：

Rust 写 OS 教程示例： https://os.phil-opp.com/

五、内核的角色：一个巨大的 `int 21h` 分发器

在 DOS 兼容世界里，系统调用主要通过 软件中断 0x21 实现。

调用约定大致是：

AH 放子功能号；
其他寄存器（AL, BX, CX, DX, DS:DX, ES:BX 等）组合成参数；
中断返回后，AX 通常携带返回值或错误码。

这个项目里的内核，核心就是一个"中断处理大开关"：

保存所有通用寄存器的值；
读取 AH 等寄存器，决定调用哪一个内部函数；
调用文件系统、驱动层，完成实际操作；
把结果写回寄存器；
恢复寄存器并 iret，把控制权还给用户程序。

为了在中断之间保持状态（例如当前目录、当前磁盘），内核里还需要一块"全局工作区"。

在 Rust 代码里，这通常长这样：

rust 复制代码

// 注意：static mut 在 Rust 里属于不安全用法
static mut CURRENT_DRIVE: u8 = 0;
static mut CURRENT_DIR: [u8; 64] = [0; 64];

pub fn set_current_drive(d: u8) {
    unsafe {
        CURRENT_DRIVE = d;
    }
}

这些 static mut 变量本质上和传统汇编里的"全局内存区"是一个思路：

编译期就决定好它们的地址，系统调用之间靠它们共享状态。

在单任务、单线程的 Real Mode DOS 里，这种方式足够简单直接。

六、FAT12、磁盘驱动和 `COMMAND.COM`

为了跑起真正的 DOS 程序，仅仅有内核还不够，至少还要几块拼图：

磁盘驱动

利用 BIOS 的磁盘中断来读写扇区，对上层暴露类似"读某柱面某扇区"的接口。
FAT12 文件系统实现
- 解析引导扇区（BPB）；
- 读取 FAT 表，找到文件链；
- 实现按文件名查找、顺序读写文件内容。
一个基本的命令解释器 COMMAND.COM
- 支持一小部分内建命令，例如 DIR、CD、TYPE；
- 能够加载 .COM 程序，把它放进内存某个固定位置，把 CS:IP 调整过去，然后执行。

一个典型的 COM 程序加载流程大致是：

text 复制代码

1. 打开指定文件
2. 在某个段（例如 0x1000:0x0000）预留足够空间
3. 读文件内容到该段的偏移 0x0100 起（保留 PSP）
4. 构造 PSP（Program Segment Prefix）
5. 设置 CS=DS=ES=目标段，IP=0x0100
6. 用一次 far jump 把控制权交给用户程序

七、构建流程：把 Rust 内核塞进一张软盘镜像

整个系统最终被打包成一张 FAT12 软盘镜像，在 QEMU 或真实机器上都可以启动。

构建过程一般包括以下几步：

编译 Bootloader（汇编）为 512 字节的二进制，引导扇区；
编译内核和各个工具程序（COMMAND.COM 等），生成纯二进制映像；
创建一张新的 FAT12 镜像，格式化后，写入引导扇区；
使用工具（例如 mtools）把系统文件复制进镜像；
用 QEMU 加载这张镜像，观察是否能顺利启动到命令行。

虚拟机部分可以用常见的开源模拟器来完成，例如：

QEMU 项目主页： https://www.qemu.org/

在虚拟机里调试好之后，再写入 U 盘，连接到支持 Legacy Boot 的真实 PC 上，就可以体验一次"现代硬件上启动类 DOS 系统"的完整流程。

八、写 DOS，有什么意义？

从实用性角度看，一个只能跑部分 DOS API 的小系统，显然无法和现代操作系统相比。

但这样的项目，仍然有几方面有趣的价值：

把抽象拆开重新认识

在主流教程里，"操作系统"往往从分页、内核态/用户态等概念讲起。

而 Real Mode DOS 逼着人重新面对"裸机"：中断向量表、段寄存器、BIOS 调用，这些都变成了写代码时必须考虑的东西。
在 Rust 里练习"极限环境"编程

没有标准库、没有堆分配器、没有调试控制台，却仍然要写出可靠的代码。

这类约束很适合训练对所有权、生命周期、panic 机制的理解。
复古计算的乐趣

对很多开发者来说，第一次接触电脑的记忆，往往正是那种黑底绿字的界面。

亲手写出一个能跑老程序的小系统，有时候比再多一个 Web 框架、再多一套微服务还更让人放松。

对于对 DOS 生态本身有兴趣的读者，还可以顺带看看现代的兼容实现，比如 FreeDOS：

FreeDOS 官网： http://www.freedos.org/