[Chinese] Translate posts 5-8 and improve translation of posts 1-4 (#1131)

2025-12-20 07:57:49 +00:00 · 2022-11-25 18:27:42 +08:00
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--- a/blog/content/edition-2/posts/02-minimal-rust-kernel/index.zh-CN.md
+++ b/blog/content/edition-2/posts/02-minimal-rust-kernel/index.zh-CN.md
@@ -1,23 +1,25 @@
 +++
-title = "最小化内核"
+title = "最小内核"
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 path = "zh-CN/minimal-rust-kernel"
 date = 2018-02-10

 [extra]
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-translators = ["luojia65", "Rustin-Liu"]
+translators = ["luojia65", "Rustin-Liu", "liuyuran"]
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+translation_contributors = ["JiangengDong"]
 +++

-在这篇文章中，我们将基于 **x86架构**（the x86 architecture），使用 Rust 语言，编写一个最小化的 64 位内核。我们将从上一章中构建的独立式可执行程序开始，构建自己的内核；它将向显示器打印字符串，并能被打包为一个能够引导启动的**磁盘映像**（disk image）。
+在这篇文章中，我们将基于 **x86架构**（the x86 architecture），使用 Rust 语言，编写一个最小化的 64 位内核。我们将从上一章中构建的[独立式可执行程序][freestanding-rust-binary]开始，构建自己的内核；它将向显示器打印字符串，并能被打包为一个能够引导启动的**磁盘映像**（disk image）。

 [freestanding Rust binary]: @/edition-2/posts/01-freestanding-rust-binary/index.md

 <!-- more -->

-This blog is openly developed on [GitHub]. If you have any problems or questions, please open an issue there. You can also leave comments [at the bottom]. The complete source code for this post can be found in the [`post-02`][post branch] branch.
+此博客在 [GitHub] 上公开开发. 如果您有任何问题或疑问，请在此处打开一个 issue。 您也可以在[底部][at the bottom]发表评论. 这篇文章的完整源代码可以在 [`post-02`] [post branch] 分支中找到。

 [GitHub]: https://github.com/phil-opp/blog_os
 [at the bottom]: #comments
@@ -32,7 +34,7 @@ This blog is openly developed on [GitHub]. If you have any problems or questions

 x86 架构支持两种固件标准： **BIOS**（[Basic Input/Output System](https://en.wikipedia.org/wiki/BIOS)）和 **UEFI**（[Unified Extensible Firmware Interface](https://en.wikipedia.org/wiki/Unified_Extensible_Firmware_Interface)）。其中，BIOS 标准显得陈旧而过时，但实现简单，并为 1980 年代后的所有 x86 设备所支持；相反地，UEFI 更现代化，功能也更全面，但开发和构建更复杂（至少从我的角度看是如此）。

-在这篇文章中，我们暂时只提供 BIOS 固件的引导启动方式。
+在这篇文章中，我们暂时只提供 BIOS 固件的引导启动方式，但是UEFI支持也已经在计划中了。如果你希望帮助我们推进它，请查阅这份 [Github issue](https://github.com/phil-opp/blog_os/issues/349)。

 ### BIOS 启动

@@ -57,11 +59,17 @@ x86 架构支持两种固件标准： **BIOS**（[Basic Input/Output System](htt
 3. GRUB 和 Multiboot 标准并没有被详细地解释，阅读相关文档需要一定经验；
 4. 为了创建一个能够被引导的磁盘映像，我们在开发时必须安装 GRUB：这加大了基于 Windows 或 macOS 开发内核的难度。

-出于这些考虑，我们决定不使用 GRUB 或者 Multiboot 标准。然而，Multiboot 支持功能也在 bootimage 工具的开发计划之中，所以从原理上讲，如果选用 bootimage 工具，在未来使用 GRUB 引导你的系统内核是可能的。
+出于这些考虑，我们决定不使用 GRUB 或者 Multiboot 标准。然而，Multiboot 支持功能也在 bootimage 工具的开发计划之中，所以从原理上讲，如果选用 bootimage 工具，在未来使用 GRUB 引导你的系统内核是可能的。 如果你对编写一个支持 Mutiboot 标准的内核有兴趣，可以查阅 [初版文档][first edition]。

-## 最小化内核
+[first edition]: @/edition-1/_index.md

-现在我们已经明白电脑是如何启动的，那也是时候编写我们自己的内核了。我们的小目标是，创建一个内核的磁盘映像，它能够在启动时，向屏幕输出一行“Hello World!”；我们的工作将基于上一章构建的独立式可执行程序。
+### UEFI
+
+（截至此时，我们并未提供UEFI相关教程，但我们确实有此意向。如果你愿意提供一些帮助，请在 [Github issue](https://github.com/phil-opp/blog_os/issues/349) 告知我们，不胜感谢。）
+
+## 最小内核
+
+现在我们已经明白电脑是如何启动的，那也是时候编写我们自己的内核了。我们的小目标是，创建一个内核的磁盘映像，它能够在启动时，向屏幕输出一行“Hello World!”；我们的工作将基于上一章构建的[独立式可执行程序][freestanding Rust binary]。

 如果读者还有印象的话，在上一章，我们使用 `cargo` 构建了一个独立的二进制程序；但这个程序依然基于特定的操作系统平台：因平台而异，我们需要定义不同名称的函数，且使用不同的编译指令。这是因为在默认情况下，`cargo` 会为特定的**宿主系统**（host system）构建源码，比如为你正在运行的系统构建源码。这并不是我们想要的，因为我们的内核不应该基于另一个操作系统——我们想要编写的，就是这个操作系统。确切地说，我们想要的是，编译为一个特定的**目标系统**（target system）。

@@ -135,7 +143,9 @@ Nightly 版本的编译器允许我们在源码的开头插入**特性标签**
 "disable-redzone": true,
 ```

-我们正在编写一个内核，所以我们应该同时处理中断。要安全地实现这一点，我们必须禁用一个与**红区**（redzone）有关的栈指针优化：因为此时，这个优化可能会导致栈被破坏。我们撰写了一篇专门的短文，来更详细地解释红区及与其相关的优化。
+我们正在编写一个内核，所以我们迟早要处理中断。要安全地实现这一点，我们必须禁用一个与**红区**（redzone）有关的栈指针优化：因为此时，这个优化可能会导致栈被破坏。如果需要更详细的资料，请查阅我们的一篇关于 [禁用红区][disabling the red zone] 的短文。
+
+[disabling the red zone]: @/edition-2/posts/02-minimal-rust-kernel/disable-red-zone/index.zh-CN.md

 ```json
 "features": "-mmx,-sse,+soft-float",
@@ -147,7 +157,7 @@ Nightly 版本的编译器允许我们在源码的开头插入**特性标签**

 禁用 SIMD 产生的一个问题是，`x86_64` 架构的浮点数指针运算默认依赖于 SIMD 寄存器。我们的解决方法是，启用 `soft-float` 特征，它将使用基于整数的软件功能，模拟浮点数指针运算。

-为了让读者的印象更清晰，我们撰写了一篇关于禁用 SIMD 的短文。
+为了让读者的印象更清晰，我们撰写了一篇关于 [禁用 SIMD][disabling SIMD](@/edition-2/posts/02-minimal-rust-kernel/disable-simd/index.zh-CN.md) 的短文。

 现在，我们将各个配置项整合在一起。我们的目标配置清单应该长这样：

@@ -171,7 +181,9 @@ Nightly 版本的编译器允许我们在源码的开头插入**特性标签**

 ### 编译内核

-要编译我们的内核，我们将使用 Linux 系统的编写风格（这可能是 LLVM 的默认风格）。这意味着，我们需要把前一篇文章中编写的入口点重命名为 `_start`：
+要编译我们的内核，我们将使用 Linux 系统的编写风格（这可能是 LLVM 的默认风格）。这意味着，我们需要把[前一篇文章][previous post]中编写的入口点重命名为 `_start`：
+
+[previous post]: @/edition-2/posts/01-freestanding-rust-binary/index.md

 ```rust
 // src/main.rs
@@ -203,61 +215,99 @@ pub extern "C" fn _start() -> ! {
 > cargo build --target x86_64-blog_os.json

 error[E0463]: can't find crate for `core` 
-（或者是下面的错误）
-error[E0463]: can't find crate for `compiler_builtins`
 ```

-哇哦，编译失败了！输出的错误告诉我们，Rust 编译器找不到 `core` 或者 `compiler_builtins` 包；而所有 `no_std` 上下文都隐式地链接到这两个包。[`core` 包](https://doc.rust-lang.org/nightly/core/index.html)包含基础的 Rust 类型，如` Result`、`Option` 和迭代器等；[`compiler_builtins` 包](https://github.com/rust-lang-nursery/compiler-builtins)提供 LLVM 需要的许多底层操作，比如 `memcpy`。
+毫不意外的编译失败了，错误信息告诉我们编译器没有找到 [`core`][`core` library] 这个crate，它包含了Rust语言中的部分基础类型，如 `Result`、`Option`、迭代器等等，并且它还会隐式链接到 `no_std` 特性里面。

-通常状况下，`core` 库以**预编译库**（precompiled library）的形式与 Rust 编译器一同发布——这时，`core` 库只对支持的宿主系统有效，而我们自定义的目标系统无效。如果我们想为其它系统编译代码，我们需要为这些系统重新编译整个 `core` 库。
+[`core` library]: https://doc.rust-lang.org/nightly/core/index.html

-### Cargo xbuild
+通常状况下，`core` crate以**预编译库**（precompiled library）的形式与 Rust 编译器一同发布——这时，`core` crate只对支持的宿主系统有效，而对我们自定义的目标系统无效。如果我们想为其它系统编译代码，我们需要为这些系统重新编译整个 `core` crate。

-这就是为什么我们需要 [cargo xbuild 工具](https://github.com/rust-osdev/cargo-xbuild)。这个工具封装了 `cargo build`；但不同的是，它将自动交叉编译 `core` 库和一些**编译器内建库**（compiler built-in libraries）。我们可以用下面的命令安装它：
+#### `build-std` 选项

-```bash
-cargo install cargo-xbuild
+此时就到了cargo中 [`build-std` 特性][`build-std` feature] 登场的时刻，该特性允许你按照自己的需要重编译 `core` 等标准crate，而不需要使用Rust安装程序内置的预编译版本。 但是该特性是全新的功能，到目前为止尚未完全完成，所以它被标记为 "unstable" 且仅被允许在 [nightly Rust 编译器][nightly Rust compilers] 环境下调用。
+
+[`build-std` feature]: https://doc.rust-lang.org/nightly/cargo/reference/unstable.html#build-std
+[nightly Rust compilers]: #安装 Nightly Rust
+
+要启用该特性，你需要创建一个 [cargo 配置][cargo configuration] 文件，即 `.cargo/config.toml`，并写入以下语句：
+
+```toml
+# in .cargo/config.toml
+
+[unstable]
+build-std = ["core", "compiler_builtins"]
 ```

-这个工具依赖于Rust的源代码；我们可以使用 `rustup component add rust-src` 来安装源代码。
+该配置会告知cargo需要重新编译 `core` 和 `compiler_builtins` 这两个crate，其中 `compiler_builtins` 是 `core` 的必要依赖。 另外重编译需要提供源码，我们可以使用 `rustup component add rust-src` 命令来下载它们。

-现在我们可以使用 `xbuild` 代替 `build` 重新编译：
+<div class="note">

-```bash
-> cargo xbuild --target x86_64-blog_os.json
+**Note:** 仅 `2020-07-15` 之后的Rust nightly版本支持 `unstable.build-std` 配置项。
+
+</div>
+
+在设定 `unstable.build-std` 配置项并安装 `rust-src` 组件之后，我们就可以开始编译了：
+
+```
+> cargo build --target x86_64-blog_os.json
   Compiling core v0.0.0 (/…/rust/src/libcore)
-   Compiling compiler_builtins v0.1.5
-   Compiling rustc-std-workspace-core v1.0.0 (/…/rust/src/tools/rustc-std-workspace-core)
-   Compiling alloc v0.0.0 (/tmp/xargo.PB7fj9KZJhAI)
-    Finished release [optimized + debuginfo] target(s) in 45.18s
-   Compiling blog_os v0.1.0 (file:///…/blog_os)
+   Compiling rustc-std-workspace-core v1.99.0 (/…/rust/src/tools/rustc-std-workspace-core)
+   Compiling compiler_builtins v0.1.32
+   Compiling blog_os v0.1.0 (/…/blog_os)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.29 secs
 ```

-我们能看到，`cargo xbuild` 为我们自定义的目标交叉编译了 `core`、`compiler_builtin` 和 `alloc` 三个部件。这些部件使用了大量的**不稳定特性**（unstable features），所以只能在[nightly 版本的 Rust 编译器][installing rust nightly]中工作。这之后，`cargo xbuild` 成功地编译了我们的 `blog_os` 包。
+如你所见，在执行 `cargo build` 之后， `core`、`rustc-std-workspace-core` （`compiler_builtins` 的依赖）和 `compiler_builtins` crate被重新编译了。

-[installing rust nightly]: #an-zhuang-nightly-rust
+#### 内存相关函数

-现在我们可以为裸机编译内核了；但是，我们提供给引导程序的入口点 `_start` 函数还是空的。我们可以添加一些东西进去，不过我们可以先做一些优化工作。
+目前来说，Rust编译器假定所有内置函数（`built-in functions`）在所有系统内都是存在且可用的。事实上这个前提只对了一半，
+绝大多数内置函数都可以被 `compiler_builtins` 提供，而这个crate刚刚已经被我们重编译过了，然而部分内存相关函数是需要操作系统相关的标准C库提供的。
+比如，`memset`（该函数可以为一个内存块内的所有比特进行赋值）、`memcpy`（将一个内存块里的数据拷贝到另一个内存块）以及`memcmp`（比较两个内存块的数据）。
+好在我们的内核暂时还不需要用到这些函数，但是不要高兴的太早，当我们编写更丰富的功能（比如拷贝数据结构）时就会用到了。

-### 设置默认目标
+现在我们当然无法提供操作系统相关的标准C库，所以我们需要使用其他办法提供这些东西。一个显而易见的途径就是自己实现 `memset` 这些函数，但不要忘记加入 `#[no_mangle]` 语句，以避免编译时被自动重命名。 当然，这样做很危险，底层函数中最细微的错误也会将程序导向不可预知的未来。比如，你可能在实现 `memcpy` 时使用了一个 `for` 循环，然而 `for` 循环本身又会调用 [`IntoIterator::into_iter`] 这个trait方法，这个方法又会再次调用 `memcpy`，此时一个无限递归就产生了，所以还是使用经过良好测试的既存实现更加可靠。

-为了避免每次使用`cargo xbuild`时传递`--target`参数，我们可以覆写默认的编译目标。我们创建一个名为`.cargo/config`的[cargo配置文件](https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/config.html)，添加下面的内容：
+[`IntoIterator::into_iter`]: https://doc.rust-lang.org/stable/core/iter/trait.IntoIterator.html#tymethod.into_iter
+
+幸运的是，`compiler_builtins` 事实上自带了所有相关函数的实现，只是在默认情况下，出于避免和标准C库发生冲突的考量被禁用掉了，此时我们需要将 [`build-std-features`] 配置项设置为 `["compiler-builtins-mem"]` 来启用这个特性。如同 `build-std` 配置项一样，该特性可以使用 `-Z` 参数启用，也可以在 `.cargo/config.toml` 中使用 `unstable` 配置集启用。现在我们的配置文件中的相关部分是这样子的：
+
+[`build-std-features`]: https://doc.rust-lang.org/nightly/cargo/reference/unstable.html#build-std-features

 ```toml
-# in .cargo/config
+# in .cargo/config.toml
+
+[unstable]
+build-std-features = ["compiler-builtins-mem"]
+build-std = ["core", "compiler_builtins"]
+```
+
+（`compiler-builtins-mem` 特性是在 [这个PR](https://github.com/rust-lang/rust/pull/77284) 中被引入的，所以你的Rust nightly更新时间必须晚于 `2020-09-30`。）
+
+该参数为 `compiler_builtins` 启用了 [`mem` 特性][`mem` feature]，至于具体效果，就是已经在内部通过 `#[no_mangle]` 向链接器提供了 [`memcpy` 等函数的实现][`memcpy` etc. implementations]。
+
+[`mem` feature]: https://github.com/rust-lang/compiler-builtins/blob/eff506cd49b637f1ab5931625a33cef7e91fbbf6/Cargo.toml#L54-L55
+[`memcpy` etc. implementations]: https://github.com/rust-lang/compiler-builtins/blob/eff506cd49b637f1ab5931625a33cef7e91fbbf6/src/mem.rs#L12-L69
+
+经过这些修改，我们的内核已经完成了所有编译所必需的函数，那么让我们继续对代码进行完善。
+
+#### 设置默认编译目标
+
+每次调用 `cargo build` 命令都需要传入 `--target` 参数很麻烦吧？其实我们可以复写掉默认值，从而省略这个参数，只需要在 `.cargo/config.toml` 中加入以下 [cargo 配置][cargo configuration]：
+
+[cargo configuration]: https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/config.html
+
+```toml
+# in .cargo/config.toml

 [build]
 target = "x86_64-blog_os.json"
 ```

-这里的配置告诉 `cargo` 在没有显式声明目标的情况下，使用我们提供的 `x86_64-blog_os.json` 作为目标配置。这意味着保存后，我们可以直接使用：
+这个配置会告知 `cargo` 使用 `x86_64-blog_os.json` 这个文件作为默认的 `--target` 参数，此时只输入短短的一句 `cargo build` 就可以编译到指定平台了。如果你对其他配置项感兴趣，亦可以查阅 [官方文档][cargo configuration]。

-```
-cargo xbuild
-```
-
-来编译我们的内核。[官方提供的一份文档](https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/config.html)中有对 cargo 配置文件更详细的说明。
+那么现在我们已经可以用 `cargo build` 完成程序编译了，然而被成功调用的 `_start` 函数的函数体依然是一个空空如也的循环，是时候往屏幕上输出一点什么了。

 ### 向屏幕打印字符

@@ -332,7 +382,7 @@ cargo install bootimage
 > cargo bootimage
 ```

-可以看到的是，`bootimage` 工具开始使用 `cargo xbuild` 编译你的内核，所以它将增量编译我们修改后的源码。在这之后，它会编译内核的引导程序，这可能将花费一定的时间；但和所有其它依赖包相似的是，在首次编译后，产生的二进制文件将被缓存下来——这将显著地加速后续的编译过程。最终，`bootimage` 将把内核和引导程序组合为一个可引导的磁盘映像。
+可以看到的是，`bootimage` 工具开始使用 `cargo build` 编译你的内核，所以它将增量编译我们修改后的源码。在这之后，它会编译内核的引导程序，这可能将花费一定的时间；但和所有其它依赖包相似的是，在首次编译后，产生的二进制文件将被缓存下来——这将显著地加速后续的编译过程。最终，`bootimage` 将把内核和引导程序组合为一个可引导的磁盘映像。

 运行这行命令之后，我们应该能在 `target/x86_64-blog_os/debug` 目录内找到我们的映像文件 `bootimage-blog_os.bin`。我们可以在虚拟机内启动它，也可以刻录到 U 盘上以便在真机上启动。（需要注意的是，因为文件格式不同，这里的 bin 文件并不是一个光驱映像，所以将它刻录到光盘不会起作用。）

@@ -349,10 +399,13 @@ cargo install bootimage
 现在我们可以在虚拟机中启动内核了。为了在[ QEMU](https://www.qemu.org/) 中启动内核，我们使用下面的命令：

 ```bash
-> qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=bootimage-blog_os.bin
+> qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=target/x86_64-blog_os/debug/bootimage-blog_os.bin
+warning: TCG doesn't support requested feature: CPUID.01H:ECX.vmx [bit 5]
 ```

-![](https://os.phil-opp.com/minimal-rust-kernel/qemu.png)
+然后就会弹出一个独立窗口：
+
+![QEMU showing "Hello World!"](qemu.png)

 我们可以看到，屏幕窗口已经显示出 “Hello World!” 字符串。祝贺你！

@@ -383,7 +436,7 @@ runner = "bootimage runner"

 命令 `bootimage runner` 由 `bootimage` 包提供，参数格式经过特殊设计，可以用于 `runner` 命令。它将给定的可执行文件与项目的引导程序依赖项链接，然后在 QEMU 中启动它。`bootimage` 包的 [README文档](https://github.com/rust-osdev/bootimage) 提供了更多细节和可以传入的配置参数。

-现在我们可以使用 `cargo xrun` 来编译内核并在 QEMU 中启动了。和 `xbuild` 类似，`xrun` 子命令将在调用 cargo 命令前编译内核所需的包。这个子命令也由 `cargo-xbuild` 工具提供，所以你不需要安装额外的工具。
+现在我们可以使用 `cargo run` 来编译内核并在 QEMU 中启动了。

 ## 下篇预告