NOS系统详细解说

NOS (Not an Operating System)：极简主义的底层开发实验平台

一、项目定位与核心目标

NOS（Not an Operating System）是一个完全由个人独立开发的实验性底层软件项目，由开发者Ghadeeras于2023年在GitHub上启动开发。其核心目标是在现代硬件上复现DOS时代直接操控硬件的体验，同时探索Rust语言在低级别系统开发中的潜力。项目名称“Not an Operating System”既体现了其非完整操作系统的定位，也表达了对传统操作系统设计范式的反思——它更像是一个硬件交互的沙盒环境，而非功能完备的操作系统。

NOS的核心价值在于教育性与实验性：

• 学习目的：帮助开发者理解计算机启动流程、硬件初始化、内存管理等底层机制，例如通过编写EFI应用程序直接操作显卡、键盘等设备。

• 技术探索：验证Rust语言在无标准库环境下的硬件编程能力，例如通过Rust实现内存分配、中断处理等关键功能。

• 怀旧情怀：重现1980-1990年代MS-DOS和MSX计算机的开发体验，让开发者重新获得“完全掌控计算机”的感觉。

二、技术架构与核心模块

1. 底层硬件控制

• 启动流程：

◦ 通过UEFI固件加载，支持x86_64架构的裸机启动。

◦ 实现自定义的引导加载程序（Bootloader），负责初始化内存、建立页表、跳转到内核入口。

• 硬件抽象：

◦ 直接操作PCI设备配置空间，例如枚举显卡、声卡等设备。

◦ 实现PS/2键盘驱动，支持字符输入和扫描码解析。

◦ 实验性VGA图形驱动，支持文本模式和简单图形绘制。

2. 内存管理

• 基础内存分配：

◦ 基于链表实现简单的堆内存分配器，支持固定大小块的分配与释放。

◦ 未实现虚拟内存或分页机制，所有内存操作直接映射到物理地址。

• 内存安全：

◦ 利用Rust的所有权模型防止悬空指针和内存泄漏，但由于底层硬件操作的特殊性，部分场景需手动绕过编译器检查。

3. 开发工具链

• 编译与链接：

◦ 依赖LLVM 14.0.6生成EFI应用程序，通过rustc交叉编译为x86_64-unknown-uefi目标。

◦ 自定义链接脚本，手动布局代码段、数据段和栈空间。

• 调试工具：

◦ 使用QEMU模拟器运行，支持GDB远程调试，可单步跟踪内核代码。

◦ 实现简单的内核日志系统，通过串口输出调试信息。

三、功能特性与实验场景

1. 核心功能演示

• 硬件交互示例：

◦ 直接操作GPIO引脚控制LED灯闪烁。

◦ 通过端口I/O读取PS/2键盘扫描码并在屏幕上显示字符。

◦ 实验性实现VGA文本模式，支持彩色字符输出。

• 系统调用模拟：

◦ 定义简单的系统调用接口，例如sys_print用于输出字符串。

◦ 未实现进程调度，所有操作在单线程环境下执行。

2. 典型应用场景

• 教育用途：

◦ 作为操作系统教学的实验平台，学生可通过修改代码观察硬件行为变化。

◦ 学习Rust语言在嵌入式系统中的应用，例如编写无标准库的硬件驱动。

• 硬件逆向研究：

◦ 分析UEFI固件接口（如BS、RT服务）的调用机制。

◦ 探索x86架构的启动流程和初始化步骤。

• 复古计算体验：

◦ 在QEMU中模拟MSX计算机环境，运行复古BASIC解释器。

◦ 实现简单的命令行界面，支持类似DOS的基础命令（如dir、echo）。

四、开发实践与工具链配置

1. 环境搭建

• 依赖项：

◦ LLVM 14.0.6（用于链接EFI应用）。

◦ QEMU 7.0.0（模拟硬件环境）。

◦ POSIX兼容环境（如Git Bash for Windows）。

• 构建步骤：
git clone https://github.com/ghadeeras/nos.git
cd nos
cargo build --target x86_64-unknown-uefi
qemu-system-x86_64 -bios /usr/share/edk2/ovmf/OVMF.fd -drive format=raw,file=target/x86_64-unknown-uefi/debug/nos.efi
2. 代码结构

• 项目目录：

◦ src/main.rs：内核入口，初始化硬件并启动演示程序。

◦ src/hw：硬件驱动模块，包含PCI枚举、键盘驱动等。

◦ src/mem：内存管理模块，实现简单的堆分配器。

◦ src/uefi：UEFI服务封装，提供EFI API的Rust绑定。

• 关键代码片段：
// 读取PS/2键盘扫描码
unsafe fn read_scan_code() -> u8 {
    let status = port_read(0x64);
    while (status & 0x01) == 0 {
        status = port_read(0x64);
    }
    port_read(0x60)
}

// 向VGA文本缓冲区写入字符
unsafe fn vga_write_char(x: u16, y: u16, c: char, color: u8) {
    let addr = 0xb8000 + (y * 80 + x) * 2;
    *(addr as *mut u8) = c as u8;
    *(addr.wrapping_add(1) as *mut u8) = color;
}
五、与其他系统的对比
特性 NOS Redox OS HelenOS 
设计目标 教育实验、硬件操控体验 安全可靠的类Unix微内核系统 模块化微内核研究平台 
编程语言 Rust Rust C++为主，部分Rust 
硬件兼容性 x86_64 x86_64、ARM x86、ARM、SPARC等8种架构 
功能完整性 极简，仅实现基础硬件交互 完整的用户空间工具链和图形系统 支持文件系统、网络栈等复杂功能 
典型应用 教学、硬件逆向、复古计算 安全关键系统、嵌入式开发 教育研究、工业控制 

从对比可见，NOS在极简性和底层硬件控制上具有独特优势，而Redox和HelenOS更注重系统的完整性和实用性。

六、挑战与未来方向

1. 当前局限性

• 功能缺失：

◦ 无文件系统、网络栈等高级功能。

◦ 单线程执行，无进程调度和多任务支持。

• 硬件支持有限：

◦ 仅支持x86_64架构，缺乏ARM等嵌入式平台适配。

◦ USB、网络等现代外设驱动缺失。

• 开发文档不足：

◦ 缺乏详细的API文档和开发指南，学习门槛较高。

2. 未来发展计划

• 功能扩展：

◦ 实现FAT文件系统，支持从U盘加载程序。

◦ 开发简单的TCP/IP协议栈，支持网络通信。

• 架构优化：

◦ 引入多线程支持，探索Rust的no_std并发模型。

◦ 实验性实现虚拟内存和分页机制。

• 社区建设：

◦ 发布详细的开发教程，降低参与门槛。

◦ 建立开发者论坛，鼓励贡献驱动和应用移植。

七、总结

NOS不仅是一个技术项目，更是对操作系统开发本质的回归。它通过极简的设计和Rust语言的安全性，为开发者提供了一个直接与硬件对话的平台，让我们重新思考“操作系统”的定义。尽管功能尚不完善，但其教育价值和实验意义不可忽视。正如项目README所述：「NOS的目标不是成为一个操作系统，而是让开发者重新体验掌控计算机的乐趣。」对于想要深入理解计算机底层机制的学习者来说，NOS是一个理想的起点——它让我们在代码中触摸硬件，在实验中探索系统的边界。