Minmus Operating System in Rust

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For more details, please refer to the MinmusOS Project Documentation (200 pages, 6.03 MB)

有关更多详细信息，请参考 MinmusOS 项目说明文档（200 页，6.03 MB）

项目名称

Minmus_Operating_System_in_Rust

项目简介

MinmusOS: The design and implementation of an operating system based on Rust language.

MinmusOS：基于 Rust 语言的操作系统的设计与实现。

Relevant course

• Operating System Course Project 2024 (2024年同济大学操作系统课程设计)

MinmusOS 是一个基于 Rust 语言和 Intel IA-32（x86）架构开发的多任务操作系统，它实现了系统内核与用户空间的分离，并允许用户使用标准运行库开发用户应用程序。

MinmusOS 的功能：

• 引导程序
  • 引导 MinmusOS
  • 切换到非真实模式（在 16 位实模式下使用 32 位地址）
  • 加载内核（从磁盘将内核复制到受保护的内存）
  • 加载全局描述符表
  • 切换到保护模式
  • 跳转内核
• 内核
  • 加载中断描述符表
  • CPU 异常处理器与 PANIC 处理器
  • 可编程中断控制器（8259 PIC）驱动程序
  • PS/2 键盘驱动程序
  • ATA 磁盘驱动程序
  • CPU 轮转调度器
  • 任务管理器
  • 系统调用
  • VGA 文本模式
  • 页式内存管理
  • FAT16 文件系统
  • RTC 定时器
  • 命令行解释器支持 20 种可执行命令
• 标准运行库
  • math 数学库
  • mutex 互斥库
  • print 打印库
  • rand 随机数生成库
  • sort 排序库
  • string 字符串处理库
• 应用程序
  • 汉诺塔解决方案应用程序
  • 允许用户使用标准运行库开发用户应用程序

项目组成

• /assets 存放 .md 文件所需的相关图片资源

• /LaTeX 项目说明文档 $\LaTeX$ 源代码

• /MinmusOS MinmusOS 源代码

• Documentation.pdf MinmusOS 项目说明文档

开发环境

本项目的开发环境如下：

• 开发环境
  • Windows 11 家庭中文版 23H2
  • Windows Subsystem for Linux (WSL) 2.2.4.0
  • Ubuntu 22.04.3 LTS
  • QEMU 模拟机（qemu-system-i386）6.2.0
• 开发软件
  • JetBrains RustRover 2024.1.7
• 开发语言
  • Rust 语言（Rustup：1.27.1，Rustc：1.82.0-nightly，Cargo：1.82.0-nightly）

系统架构

系统演示

谢辞

从零开始实现一个操作系统，是我本科期间一次独特且宝贵的经历。这一路走来，实属不易。

实现操作系统的想法可以追溯到2024年寒假，当时我主要学习川合秀实所著的《30天自制操作系统》。然而，这本书所依赖的工具链过于陈旧，必须使用书中提供的编译器和特有的非标准函数，启动区更是为2.88MB软盘设计的。由于没有使用标准编译器，作为初学者的我必须严格按照教程操作，这让我在开发过程中感到束手束脚，无法灵活地增添新功能，这并不是我所追求的。

之后，我转而学习于渊所著的《Orange'S：一个操作系统的实现》，但因其难度过大，最终放弃。

4月，我在Bilibili平台偶然发现了一位宝藏UP主LunaixSky，他发布了一系列视频教程《从零开始自制操作系统》。这位作者的操作系统LunaixOS及相关教程完全原创，未参考任何现有的操作系统开发书籍或开源内核代码。为了编写这套教程，他耗费了大量时间和精力钻研技术文档和现行工业标准，力求知识的独创性。但随着教程的深入和项目的频繁重构，我在跟随教程到分页与内核重映射部分时便跟不上了。Git提交记录和视频教程的不完全对应加大了我的学习难度，让我最终不得不选择放弃。然而，这段学习经历让我受益匪浅，不仅提升了我的技术理解能力，还让我真正领悟到了开发操作系统的魅力，并培养了我查阅Intel®64与IA-32架构软件开发者手册等官方技术文档的能力。加入作者的LunaixOS技术交流群，更让我感受到了开源精神的伟大。

在期末周结束后的小学期，我重拾起这个项目。面对C语言中指针满天飞带来的复杂性和潜在的不安全因素，我做出了一个重要决定：将MinmusOS的编程语言从C语言改为Rust语言。Rust的开发体验相比C语言无疑更加出色。C语言中的许多不安全或未定义行为，往往只能在运行时暴露出问题或被隐藏，而Rust则通过其严格的安全性检查，在编译期就能有效避免这些错误。这种安全性和可靠性，极大地提升了我的开发效率。

自此，我不断在OS Dev Wiki学习并查阅Intel IA-32架构软件开发者手册，逐步完成了引导程序、内核、标准运行库与应用程序的实现。从最初学习和复现别人的代码，到逐渐成长为能够独立实现自定义功能的开发者，甚至为开源社区贡献代码、修复Bug，我感受到自己编程能力的巨大进步，也体会到了从无到有实现一个项目的成就感。回首整个项目，于我而言，这不仅仅是一项课程设计，更是我技术生涯中的重要里程碑。

在此，我要衷心感谢张惠娟老师和王冬青老师对于操作系统理论的教授，并让我有这个机会从零开始实现一个操作系统。感谢开源社区和OS Dev Wiki的贡献者们，是你们的无私分享让我不断增加对操作系统开发的理解。更要感谢一路坚持、没有因为技术难题而放弃的自己。最后，感谢阅读至此的你，愿你也能在自己的学习与探索中找到属于自己的光芒。

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文档更新日期

2024年9月23日