Deaicup/Deshab-OS
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docs: 添加项目文档体系（架构/启动路线/路线图/贡献规范）

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- docs/ARCHITECTURE.md: 架构设计文档，覆盖五大核心子系统
  (SAS-R0-PCQ/UTSM/UTRW/DRR/DKM)、内存模型、驱动/文件/网络/图形子系统、
  开放设计点
- docs/BOOT_SEQUENCE.md: 启动路线设计，原创 DBS 五阶段命名体系
  (B0 Ignis/B1 Sigillum/B2 Transitus/B3 Origo/B4 Excitas)，
  启动契约/锚点/回退链机制
- docs/ROADMAP.md: 分阶段开发路线图，9 个 Phase + 5 个里程碑
- CONTRIBUTING.md: 贡献与协作规范，含代码规范/Git 工作流/PR 流程
- .github/: PR 模板 + Bug/Feature Issue 模板
- README.md: 更新为项目介绍 + 文档索引 + 构建说明

所有文档基于项目真实源码与设计文档编写，62 个交叉链接全部有效。
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2026-07-02 16:56:38 +08:00
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# Deshab-OS 架构设计文档
> 本文档描述 Deshab-OS 的系统整体架构、核心子系统设计与关键技术约束。
> 它是 [UTSM 模块设计](../CODE/UTSM/README.md)、[DKM 驱动系统](../CODE/DKM/README.md)、[DSK 主内核](../CODE/dsk/README) 等模块文档的上层索引与架构总览。
---
## 1. 项目定位
Deshab-OS 是一个**从零编写的独立 64 位操作系统**，不基于 Linux 或任何现有内核。项目目标是在 x86_64 long mode 上构建一个**极高权限、极高效率**的单地址空间 Ring0 内核，并配套完整的驱动加载、文件系统、网络、图形与首次启动体验。
| 属性 | 说明 |
|------|------|
| **目标架构** | x86_64 long mode（Higher Half，内核映射于 `0xffffffff80000000` 以上） |
| **权限模型** | 单地址空间 Ring0（SAS-R0），不追求传统多用户强隔离 |
| **引导器** | Limine（UEFI 优先，BIOS 兼容） |
| **主语言** | C11（freestanding）+ x86_64 汇编 |
| **工具链** | LLVM Clang + ld.lld（`-mcmodel=kernel -mno-sse -msoft-float`） |
| **构建/验证** | PowerShell `build.ps1` → `ISO/deshab.img`（GPT + FAT32 ESP）→ QEMU UEFI |
### 1.1 设计哲学
1. **极高权限与极高效率优先**——内核与驱动同处 Ring0，热路径必须保持 O(1)。
2. **内存默认封缄**——所有普通内存存密文，明文读写必须经过统一读写器（UTSM/UTRW）。
3. **恢复根独立**——DRR 拥有独立紧急内存池，普通 OOM 不阻断 recovery。
4. **驱动与内核解耦**——驱动通过稳定 ABI（`dkm_kernel_api`）调用内核服务，不直接依赖任意内核符号。
5. **先闭环再扩展**——每个子系统先用最小可验证链路跑通，再逐步深化数据路径。
---
## 2. 系统整体架构
### 2.1 启动链路
```text
UEFI 固件 / BIOS
└─ Limine bootloader (BOOTX64.EFI)
├─ 读取 limine.conf
├─ 加载 boot():/boot/utsm.elf ← 首阶段内核
└─ 预加载 boot module：
manifest.json / 14 个 *.drv / deshab.elf / test.fat32
│
▼
┌─────────────────────────────────────┐
│ UTSM 首阶段内核 (utsm.elf) │
│ 早期启动 / 封缄内存 / DKM 驱动加载 │
│ 平台发现 / DSK 加载与跳转 │
└───────────────┬─────────────────────┘
│ dsk_boot_context (RDI)
▼
┌─────────────────────────────────────┐
│ DSK 主内核 (deshab.elf) │
│ 长期运行期 / 首次启动流程 │
│ 系统初始化调度 / 用户设置向导 │
└─────────────────────────────────────┘
```
### 2.2 双阶段内核
Deshab 采用**双阶段内核**模型，职责严格分层：
| 阶段 | 产物 | 职责 | 不应做的事 |
|------|------|------|-----------|
| **UTSM** | `SYSTEM/boot/utsm.elf` | Long mode C 入口、serial、IDT、arena、DMA、UTSM init、DKM 首轮驱动加载、平台发现、DSK ELF 加载与跳转 | 不接管长期调度；不重复 Limine 原始解析 |
| **DSK** | `SYSTEM/system/deshab64/deshab.elf` | 接收 boot context、主内核生命周期、首次启动动画、调度 mouseInit/FirstInit/netman、块设备/VFS/网络运行期 | 不重复早期启动职责 |
UTSM 通过版本化的 `dsk_boot_context` 向 DSK 传递 HHDM、RSDP、framebuffer、boot modules、DKM API/driver table、UTSM/DRR 状态等信息，跳转约定：
```text
RDI = struct dsk_boot_context *
RSI = RDX = 0
中断状态 = disabled
paging = UTSM 当前页表 (higher-half + HHDM)
```
### 2.3 UTSM 启动序列
源自 [`CODE/UTSM/kernel/main.c`](../CODE/UTSM/kernel/main.c)：
```text
kernel_main()
→ serial_init() 早期串口（不无限等待 ready 位）
→ idt_init() IDT 0–47 + PIC remap 到 0x20–0x2f
→ arena_init() 内核 arena（16MB）
→ dma_init() 物理页 bitmap 分配器（Limine USABLE → bitmap）
→ net_init() netdev registry（8 槽固定表）
→ drr_stub_init() DRR 占位
→ utsm_init() 封缄内存核心初始化
→ dkm_init() + dkm_fill_platform_info()
→ dsm_load_by_manifest() 按 manifest.json 分 4 stage 加载 14 个 .drv
→ utsm_selftest_run() UTSM/PCKC/UTRW 自检
→ dsk_load_and_jump() 加载 deshab.elf（优先 FAT32 block provider，回退 Limine module）
```
---
## 3. 五大核心架构支柱
Deshab 的内核架构由五个紧密协作的子系统构成：
```mermaid
graph TB
subgraph "Deshab 内核架构"
SAS["SAS-R0-PCQ<br/>单地址空间 Ring0<br/>Per-CPU O(1) 位图调度器"]
UTSM["UTSM<br/>UUID 调谐封缄内存"]
UTRW["UTRW<br/>带标记读写器<br/>Fast / Slow Path"]
DRR["DRR<br/>专用恢复根<br/>看门狗 / checkpoint / 回滚"]
DKM["DKM<br/>驱动模块系统<br/>ELF64 .drv ABI"]
end
SAS -->|任务携带 crypto 上下文| UTSM
UTSM -->|明文访问| UTRW
UTRW -->|dirty 标记 / writer_seq| DRR
DRR -->|root key / recovery| UTSM
DKM -->|驱动内存纳入 UTSM| UTSM
DKM -->|故障上报 / recovery ops| DRR
SAS -->|任务切换只加载 crypto 指针| UTSM
```
### 3.1 SAS-R0-PCQ — 单地址空间 Ring0 调度模型
```text
SAS-R0 = Single Address Space, Ring 0
PCQ = Per-CPU O(1) 位图调度器
```
- **单地址空间**：内核与所有任务共享同一虚拟地址空间，无用户态/内核态隔离。
- **Ring0**：所有代码运行在最高特权级，不追求传统多用户强安全隔离。
- **Per-CPU 调度**：每个 CPU 维护独立 runqueue，调度热路径 O(1)。
- **任务结构**携带 UTSM 加密上下文（`process_uuid`、capability table、`hot_segment_hint`）。
任务状态机：`READY → RUNNING → BLOCKED / SLEEPING → RECOVERING / FAULTED → ZOMBIE`
> **设计约束**：调度切换路径中**禁止**扫描 capability table、计算 MAC、写 checkpoint 或重加密整段——这些会破坏 O(1) 目标。切换时只做：标记 PWC dirty flush、保存 hot_segment_hint、设置 PCKC.current_process_uuid、加载 next.crypto。
### 3.2 UTSM — UUID 调谐封缄内存
```text
UTSM = UUID-Tuned Sealed Memory
```
UTSM 是 Deshab 内存模型的核心：**所有普通内存可以被直接读取，但读到的是密文；真正有效的明文读写必须经过 UTRW 读写器。** UUID 作为进程和内存段的调谐因子，DRR 负责 root key 与恢复。
**核心规则**：
1. 数据区只存连续密文，UUID 不插入数据区（避免破坏 cache line / DMA / 批量复制）。
2. UUID 使用 128-bit 二进制格式（固定长度、cache 友好、适合 KDF/SIMD）。
3. 每个加密段有独立 DMP（段描述符元页）。
4. 每个任务有 `process_uuid` 和 capability table。
5. 加密粒度：**64B cache line**；Dirty 粒度：**4KB page**；MAC 粒度：**4KB page**。
**段内存布局**：
```text
+-------------------------------+
| DMP: Descriptor Meta Page | ← 热路径加速结构
+-------------------------------+
| Cipher Data Page 0 |
| Cipher Data Page 1 | ← 连续密文
| ... |
+-------------------------------+
```
**加密方案**（原语待定型，见 [§10 开放设计点](#10-开放设计点)）：
```text
segment_key = KDF(DRR_root_key, process_uuid, segment_uuid, key_epoch)
tweak_seed = hash(process_uuid, segment_uuid, key_epoch)
tweak = hash(tweak_seed, line_index, key_epoch)
ciphertext = plaintext XOR stream(segment_key, tweak)
plaintext = ciphertext XOR stream(segment_key, tweak)
```
**段状态机**：`FREE → ACTIVE → CHECKPOINTING / SEALED → RECOVERING → POISONED / DESTROYED`
完整设计见 [CODE/UTSM/README.md](../CODE/UTSM/README.md) 与 [RE/UTSM_设计架构.md](../RE/UTSM_设计架构.md)。
### 3.3 UTRW — 带标记读写器
UTRW 是访问 UTSM 明文的**唯一合法路径**，分三层：
| 层级 | 说明 |
|------|------|
| **Level 0 — Raw Access** | 直接读 `cipher_base`，得到密文（不可用明文） |
| **Level 1 — Fast Path** | capability O(1) 定位段 → PCKC 命中 → 无全局锁、无 trap 解密 |
| **Level 2 — Slow Path** | key miss / epoch mismatch / MAC fail / checkpoint 等异常处理 |
**Fast Path 定位**：`segment_slot + generation + epoch` 三元组直接定位并验证段。
**Fast Read 用 seqlock**：读 `writer_seq`（before），奇数则重试/slow；读完再读（after），`before != after` 重试。
**Fast Write**：`writer_seq++` 进奇数写态 → 按 64B line 加密 → 写密文 → 标 dirty bitmap → `writer_seq++` 回偶；强恢复段前后写 `WRITE_INTENT` / `WRITE_COMMIT` log。
**部分写**必须先解密旧 64B line，合并新明文后重新加密整条 line。
**Slow Path 错误策略**：
| 错误 | 处理 |
|------|------|
| `KEY_MISS` | 派生 key 写 PCKC，回 Fast Path |
| `EPOCH_EXPIRED` | 刷新 `cap.epoch` + `auth_tag`，清旧 key |
| `MAC_FAILED` | 标 suspicious page + 通知 DRR + 试 page rollback |
| `SEGMENT_POISONED` | 交 DRR 决定回滚 / 重建 / kill task |
### 3.4 DRR — 专用恢复根
```text
DRR = Dedicated Recovery Root
```
DRR 是独立于普通调度器的恢复根，负责看门狗、checkpoint、recovery log、A-B 回滚。
**核心约束**：
- DRR 必须拥有**独立 Emergency Pool**，普通 allocator 永远不能分配它；普通系统 OOM ≠ DRR OOM。
- recovery 路径**禁止依赖普通堆分配器**。
- Emergency Pool 耗尽时直接进入 system rollback。
- checkpoint 只处理 dirty shard / dirty page，**不扫描全内存**。
**Emergency Pool 分配算法**：`class freelist → 切 emergency pages → 不足则写 EXHAUSTED → system rollback`。
**Checkpoint 类型**：
| 类型 | 保存内容 |
|------|---------|
| Light Checkpoint | segment table、DMP、dirty shard summary、writer_seq、key_epoch、MAC root |
| Dirty Page Checkpoint | dirty page 密文副本、dirty page MAC、dirty shard、segment descriptor |
| Boot Checkpoint | 内核镜像 slot、UTSM root epoch、DRR boot status、启动阶段状态 |
**A/B 双槽元数据**：当前 active = A → 新 checkpoint 写 B → 写完 metadata + dirty index + MAC root + CRC → flush → 原子切换 active = B → 旧 A 保留为 fallback。恢复时优先读 active slot，CRC 错则 fallback 另一槽，两槽皆坏则 system rollback。
**回滚级别**：Page Rollback（单页）→ Segment Rollback（整段）→ System Rollback（控制面严重损坏，reboot 切 last_good_slot）。
**Dirty Shard 优化**：将大 dirty bitmap 拆成多个 shard，每个 shard 管理一段连续页范围并维护 `dirty_count`。checkpoint 跳过 `dirty_count == 0` 的 shard，复杂度从"扫描全 bitmap"优化为 `O(dirty_shards + dirty_pages)`。
### 3.5 DKM — 驱动模块系统
```text
DKM = Deshab Kernel Module
DSM = Driver Startup Manager
```
DKM 负责在内核启动时从 `SYSTEM/driver/manifest.json` 读取清单，按 stage 分阶段加载 ELF64 `.drv` 驱动模块。
**分阶段加载**：
| Stage | 名称 | 驱动 | 失败策略 |
|-------|------|------|---------|
| 0 | platform | timer / apic / acpi / pci | required 失败 → DRR recovery 或 panic |
| 1 | boot | console_fb / ahci / nvme / bootfs | required 失败 → DRR recovery |
| 2 | filesystem | vfs / fat32 / devfs | required 失败 → fallback bootfs / 只读 |
| 3 | optional | e1000 / virtio_net / ps2kbd | 失败只标记 FAILED，继续启动 |
**驱动 ABI**：每个 `.drv` 必须导出三个符号：
```c
// 描述符（magic=0x444B4D31 "DKM1", abi_version=1）
struct dkm_driver_desc *driver_desc;
// 入口：返回 0 成功，负数失败
int driver_init(const struct dkm_kernel_api *api, struct dkm_driver_handle *handle);
int driver_exit(struct dkm_driver_handle *handle);
```
**kernel_api 服务接口**——驱动默认通过 `dkm_kernel_api` 调用内核服务，不直接依赖内核符号：
```text
log / mem / utsm / irq / pci / dma / vfs / net / timer / drr
+ 平台直通：rsdp_address / fb_* / boot_modules_response / irq_register / hhdm_offset
+ block provider registry（驱动向 kernel_api.block 注册块设备）
```
**ELF Loader**：第一版支持 `R_X86_64_64 / RELATIVE / GLOB_DAT / JUMP_SLOT`（必须）、`PC32 / PLT32 / 32 / 32S`（建议）；禁止 TLS / IFUNC / lazy binding / 外部动态库 / 用户态 libc。
**加载状态机**：`DISCOVERED → QUEUED → DEP_WAIT → LOADING → ELF_CHECKED → MEMORY_ALLOCATED → RELOCATED → ABI_CHECKED → INITING → ACTIVE`，失败进入 `FAILED_*` 状态。
**boot module 查找**（stage0/stage1 不依赖 VFS）：path 在 boot module table → 直接内存加载；否则 VFS 可用则从 SYSTEM/path 加载；否则 `BOOT_MODULE_NOT_FOUND`。
完整设计见 [CODE/DKM/README.md](../CODE/DKM/README.md) 与 [RE/驱动模块ABI设计.md](../RE/驱动模块ABI设计.md)。
---
## 4. 辅助数据结构
### 4.1 DMP — 段描述符元页
DMP 是热路径加速结构，替代"UUID 数字位置表"，提供 O(1) 段定位、快速边界检查、tweak 生成、dirty bitmap / MAC table 定位。每个加密段有独立 DMP，含 `fast_base / fast_limit / fast_tweak_seed / fast_key_epoch` 等字段 + CRC 校验。
### 4.2 PCKC — 每 CPU 密钥缓存
```text
PCKC = Per-CPU Key Cache
```
每 CPU 一个 PCKC，默认 8 槽（高并发可扩 16），缓存 hot segment 的 key schedule。调度切换时只加载 `next.crypto` 指针和 `hot_segment_hint`，**不扫描 capability table、不刷新全部 key**。替换策略：LRU 或最冷 slot。
### 4.3 Capability — 段访问凭证
任务访问段使用 capability（非裸 UUID），热路径通过 `segment_slot + generation + epoch` 直接定位并验证。权限：`READ / WRITE / EXEC / SHARE / DMA`。任务默认 capability：`cap[0]=stack(RW) / cap[1]=heap(RW) / cap[2]=ipc(RWS,可选) / cap[3]=code(RX,可选)`。
---
## 5. 内存管理
### 5.1 当前实现
| 组件 | 实现 | 位置 |
|------|------|------|
| **内核 arena** | 16MB bump 分配区，用于 DKM 驱动加载 | `CODE/UTSM/mm/arena.c` |
| **DMA 分配器** | Limine USABLE → 物理页 bitmap，返回 `virt = hhdm + phys`，低 4G 钳位 | `CODE/UTSM/mm/dma.c` |
| **UTSM 段分配** | DMP + 密文数据区，纳入封缄内存 | `CODE/UTSM/core/segment.c` |
### 5.2 内存布局（全局区域）
```text
+--------------------------------------------------+
| Normal Encrypted Segment Region 普通加密段数据区 |
+--------------------------------------------------+
| DMP Pool 段描述符元页池 |
+--------------------------------------------------+
| Segment Table 全局段表 |
+--------------------------------------------------+
| PCKC Area 每 CPU 密钥缓存区 |
+--------------------------------------------------+
| DRR Reserved Region root key / checkpoint / recovery log |
+--------------------------------------------------+
```
### 5.3 关键约束
- **DMA 缓冲必须来自明确物理页分配**，不能用内核高半虚拟地址（BSS）反推物理地址——否则物理页与 CPU 映射不保证一致（e1000 DMA 卡死的根因）。
- **低 4G 约束**：32 位 BAR 设备（e1000 等）的 DMA 描述符/缓冲需落在低 4G。
- DATA/BSS 段使用 `PF_R|PF_W|PF_X`（SAS-R0 下驱动模块内存需可执行）。
- 未启用 FPU/SSE 前编译必须 `-mno-sse -mno-sse2 -mno-mmx -msoft-float`。
---
## 6. 驱动子系统现状
当前 14/14 DKM 驱动已完成 discovery 与加载闭环：
| Stage | 驱动 | 实现进度 |
|-------|------|---------|
| 0 | **timer** | PIT 校准，100ms busy-wait demo |
| 0 | **apic** | CPUID/MADT/LAPIC MMIO 只读探测，保留 PIC IRQ 路由 |
| 0 | **acpi** | RSDP → XSDT，ACPI 表枚举 |
| 0 | **pci** | PCI config space 扫描，设备枚举 |
| 1 | **console_fb** | Limine framebuffer，淡蓝背景 + 四色圆弧加载环（纯整数运算） |
| 1 | **ahci** | PCI AHCI 探测 + ABAR HHDM 映射 + SATA IDENTIFY/READ DMA + 注册 `ahci0` block provider |
| 1 | **nvme** | PCI NVMe 探测（BAR0 位于 4G 以上，等待高位 MMIO 映射） |
| 1 | **bootfs** | Limine boot module 内存文件系统 |
| 2 | **vfs** | 挂载 bootfs，文件查找/读取 |
| 2 | **fat32** | 只读 FAT32，优先 block provider，回退 boot module |
| 2 | **devfs** | `/dev/version` `/dev/platform` `/dev/fb0` `/dev/modules` `/dev/boot/` |
| 3 | **ps2kbd** | PS/2 IRQ1，scan code set 1 → ASCII |
| 3 | **e1000** | PCI 探测 + MAC + IRQ + **完整 RX/TX ring**（物理页 bitmap 根治 DMA） |
| 3 | **virtio_net** | PCI 探测 + modern virtio capability 枚举（未做 feature negotiation / virtqueue） |
---
## 7. 文件系统与块设备
### 7.1 块设备 provider registry
UTSM 通过 `kernel_api.block` 提供块设备注册与读取接口，解耦驱动与文件系统：AHCI 注册 `ahci0` 并实现 LBA read，FAT32 不需知道 AHCI 细节。block read 内部按最多 8 扇区分块（AHCI 当前单 PRDT entry）。
### 7.2 FAT32
- 只读 BPB/FAT/目录项解析，优先通过 block provider 读取，无设备或 BPB 无效时回退 boot module。
- DSK loader 内嵌 FAT32 解析器，优先 `kernel_api.block` + FAT32 读取 `deshab.elf`，无块设备时回退 Limine module。
### 7.3 devfs
暴露 `/dev/version`、`/dev/platform`、`/dev/fb0`、`/dev/modules`、`/dev/boot/`。
---
## 8. 网络子系统
### 8.1 netdev registry
早期固定 8 槽 netdev registry，O(1) 注册与查询。discovery-only 驱动也能注册 name/MAC/flags。
### 8.2 net API 边界
`kernel_api.net` 收窄为 `dkm_net_api*`：`register_netdev / submit_tx / poll_rx`（第一版只定边界）。
### 8.3 netman 网络管理器
`netman.elf` 由 DSK 调度，负责配置解析（`conf.conf` / root 8.3 `NETCONF.CNF`）、netdev 枚举、状态输出。在 e1000/virtio-net 仍缺完整数据路径时先做配置管理闭环。
---
## 9. 图形、字体与首次启动
### 9.1 字体系统
自研 **DBF（Deshab Bitmap Font）** 格式，8bpp 灰度：
| 文件 | 精度 | 覆盖 |
|------|------|------|
| `simhei_16.dbf` | 16×16 | GB2312 全部 6763 汉字 + ASCII 32–126 |
| `simhei_24.dbf` | 24×24 | 同上 |
| `simhei_32.dbf` | 32×32 | 同上 |
- 索引按 codepoint 升序，二分查找。
- 生成工具：`CODE/font/mkfont.py`（Python + Pillow）。
- FirstInit 使用 `render_embedded.py` 预渲染中文位图嵌入 ELF，避免运行时 TTF 解析。
### 9.2 首次启动流程
```text
DSK 启动
→ 旋转加载动画（双缓冲精灵、顺时针、comet-tail 渐变弧）
→ FAT32 读取 firstInit.txt
→ firstInit == 0（首次启动）：
DSK → mouseInit.elf（PS/2 鼠标安全 stub）→ 返回 DSK
DSK → FirstInit.elf
→ 环淡出 → "欢迎使用 Deshab" → 设置提示
→ 账户设置卡片（圆角矩形、白色输入框、18px 中文）
→ 键盘输入：计算机名 / 用户名 / 密码
→ SHA256 密码摘要 + XOR 加密配置缓冲
→ "设置完成"
→ firstInit != 0：正常启动（待实现）
```
| 组件 | 产物 | 职责 |
|------|------|------|
| **FirstInit** | `SYSTEM/system/user/use/FirstInit.elf` | 用户设置向导（计算机名/用户名/密码/网络配置） |
| **mouseInit** | `SYSTEM/system/deshab64/mouse/mouseInit.elf` | PS/2 鼠标安全初始化 stub |
| **netman** | `SYSTEM/system/deshab64/network/netman.elf` | 网络配置加载与 netdev 枚举 |
---
## 10. 开放设计点
以下为当前架构中**尚未定型**的设计决策，需在后续阶段明确：
1. **加密原语未指定**——KDF / hash / stream cipher / MAC 的具体算法（HKDF? BLAKE2? AES-CTR? Poly1305? CMAC?）三份设计文档均未确定。当前 UTSM selftest 使用占位 XOR stream，保留 64B line 接口以便后续替换。
2. **kernel_api 设计态 vs 实现态**——RE 设计文档定义全部 typed sub-struct 指针（`dkm_log_api*` 等 10 个），当前实现为 `const void *` 占位 + Limine 字段直通。需规划迁移路径。
3. **block 未作为独立子 API**——block 走 provider 注册（如 ahci 向 `kernel_api.block` 注册），而非 typed sub-struct。
4. **log API 签名分歧**——RE 设计为 printf 变参 `void (*info)(const char *fmt, ...)`，当前实现为 `void (*info)(const char *msg)`。
5. **v1 不追求**——完整 RAM 原地回滚、对恶意 Ring0 代码的强安全隔离、设备外部副作用回滚。设备恢复依赖文件系统 journal；网卡 TX 已发包不回滚。
---
## 11. 系统目录约定
```text
SYSTEM/ # 打包为 IMG 后的系统根目录
├── boot/
│ ├── utsm.elf # 首阶段内核（Limine 直接加载）
│ └── limine.conf # 引导配置（预加载所有 boot module）
├── driver/
│ ├── manifest.json # 驱动加载清单
│ ├── platform/ bus/ block/ # *.drv 驱动模块
│ ├── fs/ net/ input/ console/
│ └── test.fat32 # FAT32 驱动测试镜像
├── system/
│ ├── deshab64/
│ │ ├── deshab.elf # DSK 主内核
│ │ ├── mouse/mouseInit.elf
│ │ └── network/netman.elf
│ ├── font/ # simhei*.dbf 字体
│ └── user/use/ # FirstInit.elf + firstInit.txt
└── EFI/BOOT/BOOTX64.EFI # UEFI 引导
CODE/ # 源码
├── UTSM/ # 首阶段内核源码
├── dsk/ # DSK 主内核源码
├── DKM/ # 14 个驱动源码
├── firstInit/ mouse/ netman/ # 用户空间初始化程序
└── font/ # 字体工具
RE/ # 研究与设计文档
├── UTSM_设计架构.md
├── UTSM_算法记录.md
└── 驱动模块ABI设计.md
docs/ # 项目文档（本文档所在）
```
---
## 12. 相关文档索引
| 文档 | 内容 |
|------|------|
| [CODE/UTSM/README.md](../CODE/UTSM/README.md) | UTSM 封缄内存模块完整设计 |
| [CODE/DKM/README.md](../CODE/DKM/README.md) | DKM 驱动模块系统说明 |
| [CODE/dsk/README](../CODE/dsk/README) | DSK 主内核说明与 boot context |
| [RE/UTSM_设计架构.md](../RE/UTSM_设计架构.md) | UTSM 架构记录 |
| [RE/UTSM_算法记录.md](../RE/UTSM_算法记录.md) | UTSM 核心算法记录 |
| [RE/驱动模块ABI设计.md](../RE/驱动模块ABI设计.md) | DKM ABI 详细设计 |
| [LESSONS_LEARNED.md](../LESSONS_LEARNED.md) | 开发经验与教训记录 |
| [CLAUDE.md](../CLAUDE.md) | 项目上下文与当前状态 |
| [docs/BOOT_SEQUENCE.md](./BOOT_SEQUENCE.md) | 启动路线设计（B0-B4 五阶段） |
| [docs/ROADMAP.md](./ROADMAP.md) | 开发路线图 |
| [CONTRIBUTING.md](../CONTRIBUTING.md) | 贡献与协作规范 |
docs/BOOT_SEQUENCE.md
+596
View File
@@ -0,0 +1,596 @@
# Deshab 启动路线设计
> 本文档定义 Deshab-OS 从上电到用户可交互的完整启动序列。
> 它是 [架构设计文档](./ARCHITECTURE.md) 中启动链路的深度展开，基于真实源码实现。
---
## 0. 设计理念
Deshab 的启动不是一条简单的"引导→内核"直线，而是一个**带契约的分阶段唤醒过程**。每个阶段都有明确的入口条件、出口契约和失败语义，失败时可沿**启动回退链**降级到上一个稳定点，而非直接 panic。
### 0.1 原创命名体系
延续 Deshab 的工程化缩写风格（SAS-R0-PCQ / UTSM / DRR / DKM），启动序列命名为 **DBS（Deshab Boot Sequence）**，划分为五个阶段：
| 阶段 | 代号 | 名称 | 含义 | 产物 |
|------|------|------|------|------|
| B0 | **Ignis** | 火种 | 固件点燃，引导器接管 | `utsm.elf` 入内存 |
| B1 | **Sigillum** | 封缄解封 | UTSM 首阶段内核建立封缄内存与驱动底座 | 14 个 DKM 驱动 ACTIVE |
| B2 | **Transitus** | 交接 | UTSM 向 DSK 版本化传递控制权 | `dsk_boot_context` 就绪 |
| B3 | **Origo** | 溯源 | DSK 判定首次/正常启动，调度系统初始化器 | `firstInit` 标志判定 |
| B4 | **Excitas** | 唤醒 | 用户设置向导或正常启动路径 | 用户可交互 |
> 命名取自拉丁语，呼应 Deshab "封缄内存"（Sealed Memory）的意象：系统从封缄中逐层苏醒。
### 0.2 三个核心概念
**启动契约（Boot Contract）**——每个阶段 B(n) 对下一阶段 B(n+1) 做出明确承诺。契约包含：
- **Entry**：进入本阶段时 CPU/内存/设备必须处于什么状态
- **Exit**：离开本阶段时必须完成什么、向下一阶段传递什么
- **Fail**：本阶段失败时的降级策略（回退 / DRR 接管 / panic）
**启动锚点（Boot Anchor）**——每个阶段结束时的可验证检查点，输出稳定的串口日志标记。锚点是"已知稳定点"，回退只能退到锚点，不能退到阶段中间。例如 `[UTSM] SELFTEST PASS` 是 B1 的锚点。
**启动回退链（Boot Fallback Chain）**——失败时的降级路径，每级回退对应一个锚点：
```text
B2 DSK 块设备加载失败
└─ 回退 B1 锚点：改用 Limine boot module 加载 deshab.elf
B1 某驱动 init 失败
├─ required 驱动 → DRR recovery 或 panic
└─ optional 驱动 → 标记 FAILED，继续启动
B0 BCB 校验失败
└─ 切换 last_good_slot（未来 DRR 实现）
```
---
## 1. 启动总览
```mermaid
graph TD
PWR["上电 Power-on"] --> B0
subgraph B0["B0 Ignis 火种"]
B0A["UEFI/BIOS 固件"] --> B0B["Limine bootloader<br/>读 limine.conf"]
B0B --> B0C["加载 utsm.elf<br/>预加载 17 个 boot module"]
end
B0 --> B1
subgraph B1["B1 Sigillum 封缄解封"]
B1A["早期启动<br/>serial/IDT/arena/DMA"] --> B1B["UTSM init<br/>封缄内存+PCKC"]
B1B --> B1C["DKM 4-stage<br/>14 驱动加载"] --> B1D["selftest 锚点"]
end
B1 --> B2
subgraph B2["B2 Transitus 交接"]
B2A["FAT32 block provider<br/>读取 deshab.elf"] -.失败.-> B2F["回退 Limine module"]
B2F --> B2B
B2A --> B2B["ELF 校验+PT_LOAD"]
B2B --> B2C["填充 dsk_boot_context<br/>跳转 DSK"]
end
B2 --> B3
subgraph B3["B3 Origo 溯源"]
B3A["渐变背景+旋转环"] --> B3B["FAT32 读 firstInit.txt"]
B3B --> B3C{"firstInit==0?"}
end
B3 -->|首次| B4F
B3 -->|正常| B4N
subgraph B4F["B4 Excitas 唤醒（首次）"]
B4F1["mouseInit"] --> B4F2["netman"] --> B4F3["FirstInit 向导"]
end
subgraph B4N["B4 Excitas 唤醒（正常）"]
B4N1["正常启动路径<br/>待实现"]
end
```
---
## 2. B0 Ignis — 火种
### 2.1 契约
| 项 | 内容 |
|----|------|
| **Entry** | CPU 上电，执行固件（UEFI 优先），内存可用，PCI 设备已枚举 |
| **Exit** | `utsm.elf` 已加载到内存，boot module table 已构建，`limine.conf` 已解析，控制权交给 `_start` |
| **Fail** | 固件失败 → 硬件级复位；Limine 找不到 `utsm.elf` → 引导失败停在固件错误界面 |
### 2.2 执行细节
**固件阶段**：UEFI 固件加载 `SYSTEM/EFI/BOOT/BOOTX64.EFI`（即 Limine）。QEMU 场景需显式指定 UEFI 固件（`edk2-x86_64-code.fd` / `OVMF_CODE.fd`）。
**Limine 阶段**（源自 [`SYSTEM/boot/limine.conf`](../SYSTEM/boot/limine.conf)）：
```text
timeout: 0
serial: yes
verbose: yes
/UTSM boot
protocol: limine
kernel_path: boot():/boot/utsm.elf
module_path: boot():/driver/manifest.json # dkm:manifest
module_path: boot():/driver/platform/timer.drv # 14 个 .drv
... (apic/acpi/pci/console_fb/ahci/nvme/bootfs/vfs/fat32/devfs/e1000/virtio_net/ps2kbd)
module_path: boot():/system/deshab64/deshab.elf # dsk:main
module_path: boot():/driver/test.fat32 # dkm:test_fat32
```
Limine 从 FAT32 ESP 读取 `utsm.elf` 作为内核，并预加载 **17 个 boot module**：1 个 manifest + 14 个 `.drv` + 1 个 `deshab.elf` + 1 个 `test.fat32`。这些 module 通过 Limine module response 暴露给内核。
### 2.3 未来扩展（DRR 接入后）
B0 未来将引入 **BCB（Boot Control Block）** 校验：
```text
1. 读取 Boot Control Block
2. 校验 BCB CRC
3. 选择 active_slot
4. 若 active_slot 失败次数超限 → 切换 last_good_slot
5. 加载对应 slot 的 utsm.elf
6. 传入 memory map、BCB 地址、DRR reserved region 信息
```
当前 BCB 尚未实现，B0 直接加载单一 `utsm.elf`。
### 2.4 B0 锚点
无串口输出（serial 尚未初始化）。锚点为 Limine 成功跳转到 `_start`，由 B1 的 `[UTSM] boot` 间接验证。
---
## 3. B1 Sigillum — 封缄解封
### 3.1 契约
| 项 | 内容 |
|----|------|
| **Entry** | Long mode 已启用，`_start` 获得控制，RDI/RSI 含 Limine bootloader 信息，中断禁用 |
| **Exit** | UTSM 封缄内存初始化完成，14 个 DKM 驱动 ACTIVE，selftest 通过，平台发现完成 |
| **Fail** | required 驱动失败 → DRR recovery 或 panic；optional 驱动失败 → 标记 FAILED 继续 |
### 3.2 入口约定（源自 [`boot.S`](../CODE/UTSM/arch/x86_64/boot.S)）
```asm
_start:
cli # 进入 C 前必须关中断（IDT 未建）
cld # 清方向标志（避免 rep movs 反向）
lea kernel_stack_top(%rip), %rsp
andq $-16, %rsp # 16 字节栈对齐
call kernel_main
```
**强制约束**：
1. `cli` / `cld` 必须在最前——未建 IDT 前被中断或方向标志异常会导致三重故障。
2. 早期设置 `IA32_GS_BASE`——防止栈保护 prologue 访问 GS 段时页错误（真机三重故障的根因之一）。
3. 未启用 FPU/SSE 前编译必须 `-mno-sse -mno-sse2 -mno-mmx -msoft-float`——Clang 在 freestanding 下也可能生成 `xorps/movups`。
### 3.3 执行序列（源自 [`kernel/main.c`](../CODE/UTSM/kernel/main.c)）
```text
kernel_main()
① serial_init() 早期串口（不无限等待 ready 位，超时降级）
② idt_init() IDT 0–47 stub + PIC remap 到 0x20–0x2f
③ arena_init() 内核 arena（16MB bump 分配区）
④ dma_init() 物理页 bitmap（Limine USABLE → bitmap，低 4G 钳位）
⑤ net_init() netdev registry（8 槽固定表）
⑥ drr_stub_init() DRR 占位（真实 DRR 待实现）
⑦ utsm_init() 封缄内存：segment table + PCKC
⑧ dkm_init() + dkm_fill_platform_info()
⑨ dsm_load_by_manifest() 按 manifest.json 分 4 stage 加载 14 个 .drv
⑩ utsm_selftest_run() UTSM/PCKC/UTRW 自检
⑪ dsk_load_and_jump() → 进入 B2
```
### 3.4 DKM 分阶段加载（源自 [`manifest.json`](../SYSTEM/driver/manifest.json)）
| Stage | 名称 | 驱动 | 失败策略 |
|-------|------|------|---------|
| 0 | platform | timer → apic → acpi → pci | required 失败 → DRR recovery / panic |
| 1 | boot | console_fb / ahci / nvme / bootfs | required 失败 → DRR recovery |
| 2 | filesystem | vfs → fat32 / devfs | required 失败 → fallback bootfs / 只读 |
| 3 | optional | e1000 / virtio_net / ps2kbd | 失败只标记 FAILED，继续启动 |
**加载状态机**：`DISCOVERED → QUEUED → DEP_WAIT → LOADING → ELF_CHECKED → MEMORY_ALLOCATED → RELOCATED → ABI_CHECKED → INITING → ACTIVE`
**ELF 重定位**：必须 `R_X86_64_64/RELATIVE/GLOB_DAT/JUMP_SLOT`，建议 `PC32/PLT32/32/32S`，禁止 TLS/IFUNC/lazy binding。
**boot module 查找**（stage0/stage1 不依赖 VFS）：path 在 boot module table → 内存加载；否则 VFS 可用则从 SYSTEM/path 加载；否则 `BOOT_MODULE_NOT_FOUND`。
### 3.5 kernel_api 平台直通
B1 完成后，`dkm_kernel_api` 已暴露：`log / rsdp_address / fb_* / boot_modules_response / irq_register / hhdm_offset / dma.alloc_pages / block / net`。
### 3.6 B1 锚点
```text
[UTSM] boot
... (各初始化阶段日志)
[UTSM] SELFTEST PASS ← B1 锚点（稳定点 1）
```
**锚点语义**：到达此日志表示封缄内存、DKM 驱动、平台发现全部就绪，可安全进入 B2。若未到达此锚点，DRR（未来）应能从 B0 重新引导。
---
## 4. B2 Transitus — 交接
### 4.1 契约
| 项 | 内容 |
|----|------|
| **Entry** | B1 锚点达成，`dkm_kernel_api` 就绪，boot module response 可用 |
| **Exit** | `deshab.elf` 已加载并重定位，`dsk_boot_context` 已填充，控制权交给 `dsk_entry(ctx)` |
| **Fail** | FAT32 block provider 失败 → 回退 Limine module；两者皆失败 → panic |
### 4.2 两阶段 DSK 加载（源自 [`dsk_loader.c`](../CODE/UTSM/kernel/dsk_loader.c)）
```text
dsk_load_and_jump()
① 优先：FAT32 block provider
kernel_api.block.read(0, lba, count, buf)
→ 解析 BPB → 遍历 root cluster → 找 "DESHAB ELF"
→ 沿 FAT 链读取文件到 arena
② 回退：Limine boot module
遍历 module response 找 path=="/system/deshab64/deshab.elf"
或 cmdline=="dsk:main"
③ ELF 校验：ELFCLASS64 / ELFDATA2LSB / EM_X86_64 / ET_DYN|ET_EXEC
④ PT_LOAD 加载：计算 min/max vaddr → arena 分配 → 清零 → 复制 filesz
⑤ 填充 dsk_boot_context
⑥ 跳转 entry(ctx)
```
**关键约束**：
- `data_start_sec = rsvd + fat_count * spf`——漏掉第二份 FAT 会导致 root cluster 错位。
- arena 容量需足够（已从 4MB 扩到 16MB，后续应迁移到物理页分配器）。
- 批量读 256 扇区稳定，单扇区连续读偶尔超时——DSK loader 全部用 cluster 级批量读取。
### 4.3 dsk_boot_context 版本化传递
源自 [`dsk.h`](../CODE/UTSM/include/utsm/dsk.h)，magic = `0x44534B31424F4F54`（"DSK1BOOT"）：
```c
struct dsk_boot_context {
u64 magic; // DSK_BOOT_MAGIC，DSK 入口必须校验
u32 abi_version; // DSK_BOOT_ABI_VERSION = 1
u32 size;
u64 flags; // FROM_UTSM | DKM_READY | FAT32_PATH
u64 hhdm_offset; // physical → virtual direct map
u64 rsdp_address; // ACPI RSDP
u64 framebuffer_address/width/height/pitch/bpp;
u64 boot_modules_response;
u64 dkm_kernel_api; // DSK 通过此指针访问所有内核服务
u64 dkm_driver_table / driver_count;
u64 utsm_state / drr_state; // 当前为占位
u64 memory_map / count / entry_size;
u64 kernel_stack_top;
u64 reserved[8]; // 未来扩展（只能追加，不能插入）
};
```
**跳转约定**：
```text
RDI = dsk_boot_context *
RSI = RDX = 0
中断状态 = disabled
paging = UTSM 当前页表（higher-half + HHDM）
```
> **ABI 约束**：`dsk_boot_context` 字段只能追加到 `reserved` 区，不能在中间插入，否则 DSK 入口偏移错位。DSK 通过硬偏移读取 `block_read`（`api + 0xA8`），偏移错误会导致 NULL 解引用。
### 4.4 B2 锚点
```text
[UTSM] loading DSK
[UTSM] DSK loaded from FAT32 block provider ← 或 "trying Limine module"
[UTSM] DSK image base=0x...
[UTSM] DSK entry=0x...
[UTSM] jumping to DSK
[DSK] boot ← B2 锚点（稳定点 2）
[DSK] context ok
```
**锚点语义**：`[DSK] context ok` 表示 magic 校验通过，DSK 已接管控制权。若 `[DSK] bad context` 则 magic 不匹配，DSK 直接 halt。
---
## 5. B3 Origo — 溯源
### 5.1 契约
| 项 | 内容 |
|----|------|
| **Entry** | B2 锚点达成，`dsk_boot_context` 校验通过，framebuffer 可用 |
| **Exit** | `firstInit` 标志已判定，系统初始化器已调度（首次启动时） |
| **Fail** | 无 block device → 跳过 firstInit 检查，进入正常启动；FAT32 读取失败 → 视为首次启动 |
### 5.2 执行序列（源自 [`dsk/main.c`](../CODE/dsk/main.c)）
```text
dsk_entry(ctx)
① cli # 禁用 IRQ——ps2kbd/IRQ1 和 mouse/IRQ12 handler 在 spinner 期间会崩
② 校验 ctx->magic == DSK_BOOT_MAGIC，失败则 halt
③ 从 ctx->dkm_kernel_api + 0xA8 取 block_read 函数指针
④ 绘制渐变背景（BG_TOP 淡蓝 → BG_BOTTOM 深紫，按 y 插值）
⑤ 旋转加载环动画循环：
- 双缓冲精灵（128×128 离屏 sprite）
- 四色圆弧（顺时针旋转，comet-tail 渐变）
- 每帧按行重算 sprite 背景以匹配渐变
- base -= 2（顺时针），frame++
⑥ frame >= 100 后触发首次启动检测：
- 有 block_read → FAT32 读 "FIRSTINTXT"
- firstInit == '0' → 首次启动
- firstInit != '0' 或文件不存在 → 正常启动
⑦ 首次启动时调度系统初始化器（见 §6）
⑧ frame > 150 后跳转 FirstInit.elf
```
### 5.3 视觉体验设计
**渐变背景**：`BG_TOP = 0xFFC8E0F0`（淡蓝）→ `BG_BOTTOM = 0xFF49306F`（深紫），按屏幕 y 坐标线性插值。FirstInit 复用相同背景语义，保证转场连续。
**旋转加载环**：
- 中心 `(cx, cy) = (fb_w/2, fb_h/2)`，半径 `r=48`，厚度 `thk=4`。
- 四色弧：`arcs = {0xFF4488CC, 0xFF2266AA, 0xFF66AAEE, 0xFF88CCFF}`，每段 90°，宽 82°。
- comet-tail：弧两端 6° 范围内 alpha 渐变（fade 0→255→0），形成拖尾。
- 内圆高光：`r-8` 范围内用背景色与白色 `(0xD0,0xF0,0xFF)` 混合，营造光晕。
- 纯整数运算（无浮点依赖），`isqrt_int` 用牛顿迭代。
**帧率控制**：`for(volatile u32 d=0; d<72000; d++) __asm__("pause")`——约 60fps（QEMU 下）。
### 5.4 B3 锚点
```text
[DSK] block_read ptr=0x...
[DSK] entering spinner loop
[DSK] checking firstInit...
[DSK] fat32 reading 256 sectors from LBA 0
[DSK] firstInit=0 ← 首次启动判定
[DSK] first init detected; running system initializers
```
---
## 6. 系统初始化器调度协议
### 6.1 设计原则
DSK **独占系统组件初始化职责**。FirstInit 只负责用户级设置（计算机名/用户名/密码），不接管系统初始化。这一边界避免"用户向导"与"系统初始化"逻辑耦合。
### 6.2 调度顺序（首次启动）
```text
DSK (firstInit == 0)
→ ① mouseInit.elf 系统输入初始化（PS/2 鼠标安全 stub）
DSK 调用 → mouseInit 执行 → 返回 DSK
→ ② netman.elf 网络管理器（配置加载 + netdev 枚举 + DHCP）
DSK 调用 → netman 执行 → 返回 DSK
→ ③ FirstInit.elf 用户设置向导
DSK 调用 → FirstInit 接管 UI → 不返回（halt）
```
### 6.3 初始化器 ELF 加载
DSK 用内嵌 FAT32 解析器 + PIE ELF loader 加载每个初始化器：
```text
fat32_read_root_file("MOUSE ELF", &data, &size)
→ dsk_load_elf(data, size, &entry)
→ 校验 ELF64 / EM_X86_64
→ PT_LOAD 复制到静态 image buffer
→ PT_DYNAMIC → DT_RELA/DT_RELASZ → R_X86_64_RELATIVE 重定位
(*slot = load_bias + addend)
→ entry = image + (e_entry - min_vaddr)
→ entry(ctx) # 传入同一 dsk_boot_context
```
**关键约束**：
- PIE ELF 必须处理 `R_X86_64_RELATIVE`——否则解引用全局指针/数组会 page fault。
- 指针数组改用栈上 `char[]` 逐字节赋值——避免 UTSM loader 不处理 `.rela.dyn` 的问题。
- ELF 文件大小不能超过静态缓冲区（`g_fdata[262144]` = 256KB），`dsk_load_elf` 必须校验 `found_size <= sizeof(g_fdata)`。
- 8.3 文件名必须用栈上字符数组构造，避免 PIE 重定位（`char name[12]; name[0]='F'; ...`）。
### 6.4 各初始化器职责
| 初始化器 | 产物 | 当前状态 | 职责 |
|---------|------|---------|------|
| **mouseInit** | `mouse/mouseInit.elf` | 安全 stub | 只读 PS/2 状态，不写控制器（避免 QEMU 早期阶段阻塞） |
| **netman** | `network/netman.elf` | 配置闭环 | 读 `conf.conf`/`NETCONF.CNF`，枚举 netdev，e1000 最小 DHCP |
| **FirstInit** | `user/use/FirstInit.elf` | UI + 输入 | 环淡出 → "欢迎使用 Deshab" → 账户设置卡片 → 键盘输入 → SHA256 密码 |
---
## 7. B4 Excitas — 唤醒
### 7.1 首次启动路径
```text
FirstInit.elf (dsk_entry → entry(ctx))
① 接收 dsk_boot_context，复用 framebuffer
② 加载环淡出动画（~1秒渐变）
③ 屏幕中央："欢迎使用 Deshab"（预渲染 24px 中文位图，180×30）
④ 等待 5 秒
⑤ 渐隐切换为："接下来让我们来引导你设置你的系统"
⑥ 账户设置卡片：
- 圆角矩形（draw_card，isqrt_int 边界检查）
- 白色输入框（INPUT_BG = 0xFFF0F5FA）
- 18px 中文（text_bitmaps.c 预渲染嵌入 ELF）
⑦ PS/2 键盘轮询输入：计算机名 → 用户名 → 密码
⑧ SHA256 密码摘要 + XOR 加密配置缓冲（user.conf 格式）
⑨ "设置完成"提示
⑩ for(;;) hlt # 当前不返回，待写盘后跳转正常启动
```
**字体方案**：
- 预渲染中文位图：`CODE/font/render_embedded.py` 用 Pillow 从 `simhei.ttf` 渲染指定字符串为 8bpp 灰度 C 数组，嵌入 ELF，避免运行时 TTF 解析。
- 运行时字体：DBF 格式（`simhei_16/24/32.dbf`），GB2312 全部 6763 汉字 + ASCII，索引按 codepoint 升序二分查找。
### 7.2 正常启动路径（待实现）
```text
firstInit != 0（或文件不存在）
→ B3 检测到非首次启动
→ 跳过系统初始化器调度
→ frame > 800 后 break 退出 spinner
→ [DSK] SELFTEST PASS
→ for(;;) hlt
```
当前正常启动路径仅 halt。未来将进入：
- 桌面环境 / Shell
- 用户登录验证（读取 user.conf，校验密码）
- 后台服务启动
### 7.3 首次→正常的转换条件
首次启动完成后，需写 `firstInit.txt = '1'` 以标记已完成。当前**写盘待实现**（依赖 `dkm_block_api.write` + AHCI WRITE DMA + FAT32 文件覆写，见 [路线图](./ROADMAP.md) Phase 5）。
### 7.4 B4 锚点
```text
[DSK] jumping to mouseInit
[mouse] init done
[DSK] mouseInit returned
[DSK] jumping to netman
[netman] ...
[DSK] netman returned
[DSK] loading FirstInit.elf
[DSK] FirstInit.elf loaded
[DSK] jumping to FirstInit ← B4 锚点（稳定点 3）
```
---
## 8. 启动错误恢复
### 8.1 当前回退链
| 失败点 | 回退策略 | 日志 |
|--------|---------|------|
| B2 FAT32 block provider 不可用 | 回退 Limine module | `[UTSM] FAT32 block path unavailable; trying Limine module` |
| B2 DSK module 两路径都找不到 | panic | `[UTSM] DSK module not found (neither FAT32 nor Limine)` |
| B2 ELF 校验失败 | panic | `[UTSM] DSK ELF rejected` |
| B3 无 block device | 跳过 firstInit，正常启动 | `[DSK] no block device, skipping firstInit` |
| B3 firstInit.txt 不存在 | 视为首次启动 | `[DSK] firstInit.txt not found` |
| B3 FirstInit.elf 加载失败 | 继续正常启动 | `[DSK] firstInit not found, continuing normal boot` |
| B4 mouseInit.elf 加载失败 | 跳过，继续 netman | （日志无，静默跳过） |
| B1 required 驱动失败 | DRR recovery / panic | （DKM 标记 FAILED_REQUIRED） |
| B1 optional 驱动失败 | 标记 FAILED，继续 | （DKM 标记 FAILED_*） |
### 8.2 DRR 接管路径（未来）
DRR（专用恢复根）实现后，启动错误恢复将升级为三级：
```text
Page Rollback 单页损坏，从 checkpoint slot 恢复密文页
Segment Rollback 整段损坏，恢复 segment desc / DMP / key_epoch
System Rollback 控制面严重损坏，写 crash reason → reboot → bootloader 切 last_good_slot
```
DRR Emergency Pool 独立于普通 allocator，recovery 路径禁止依赖普通堆。详见 [架构设计文档 §3.4](./ARCHITECTURE.md#34-drr--专用恢复根)。
### 8.3 真机调试特殊处理
QEMU 不严格检查 NX，真机 Limine page table 会强制 NX。以下问题只在真机暴露，需特殊处理：
- `kernel_panic` 应直接通过 COM1 串口输出，**不依赖 console/heap**。
- 添加分步 `screen_info()` 便于真机调试。
- 早期 `IA32_GS_BASE` 必须设置，否则栈保护 prologue 页错误。
---
## 9. 启动状态传递链
启动过程中，系统状态通过三级指针链传递给 DSK 及其初始化器：
```mermaid
graph LR
L["Limine response<br/>memmap/RSDP/fb/module/HHDM"] -->|"kernel_main 读取"| UTSM["UTSM 内核"]
UTSM -->|"dkm_fill_platform_info<br/>填充 kernel_api"| API["dkm_kernel_api<br/>log/irq/dma/block/net/..."]
API -->|"dsk_fill_boot_context<br/>ctx->dkm_kernel_api"| CTX["dsk_boot_context"]
CTX -->|"dsk_entry(ctx)<br/>RDI"| DSK["DSK 主内核"]
DSK -->|"同一 ctx 传递"| INIT["mouseInit / netman / FirstInit"]
INIT -->|"ctx->dkm_kernel_api<br/>+ 0xA8 取 block_read"| BLK["block provider<br/>(ahci0)"]
INIT -->|"ctx->dkm_kernel_api<br/>+ net 偏移"| NET["netdev registry<br/>(e1000/virtio_net)"]
```
**关键约束**：
- DSK 及所有初始化器共享同一个 `dsk_boot_context`，通过它访问所有内核服务。
- `block_read` 通过硬偏移 `api + 0xA8` 读取——偏移错误会导致 NULL 解引用（曾因误用 `0x60` 导致 `g_block_read` 永远为 NULL）。
- 所有初始化器都是 PIE ELF，DSK loader 必须处理 `R_X86_64_RELATIVE`。
---
## 10. 启动阶段与架构映射
| 启动阶段 | 架构子系统 | 涉及源码 |
|---------|-----------|---------|
| B0 Ignis | Limine bootloader | `SYSTEM/EFI/BOOT/` `SYSTEM/boot/limine.conf` |
| B1 Sigillum | UTSM + DKM + DMA + IDT | `CODE/UTSM/` `CODE/DKM/` |
| B2 Transitus | DSK loader + FAT32 + block provider | `CODE/UTSM/kernel/dsk_loader.c` `CODE/UTSM/kernel/block.c` |
| B3 Origo | DSK 主内核 + FAT32 内嵌解析 | `CODE/dsk/main.c` |
| B4 Excitas | FirstInit + mouseInit + netman + 字体 | `CODE/firstInit/` `CODE/mouse/` `CODE/netman/` `CODE/font/` |
---
## 11. 启动验证标准
### 11.1 最小启动验证（QEMU 默认场景）
```text
[UTSM] boot ← B1 开始
[UTSM] SELFTEST PASS ← B1 锚点
[UTSM] loading DSK
[UTSM] DSK loaded from FAT32 block provider ← 或 Limine module
[UTSM] jumping to DSK
[DSK] boot ← B2 锚点
[DSK] context ok
[DSK] SELFTEST PASS ← B3 正常启动锚点
```
### 11.2 首次启动完整验证（带 SATA FAT32 测试盘）
```text
[UTSM] boot
[UTSM] SELFTEST PASS
[UTSM] loading DSK
[DSK] boot
[DSK] context ok
[DSK] block_read ptr=0x...
[DSK] entering spinner loop
[DSK] checking firstInit...
[DSK] fat32 reading 256 sectors from LBA 0
[DSK] firstInit=0
[DSK] first init detected; running system initializers
[DSK] jumping to mouseInit
[mouse] init done
[DSK] mouseInit returned
[DSK] jumping to netman
[DSK] netman returned
[DSK] loading FirstInit.elf
[DSK] FirstInit.elf loaded
[DSK] jumping to FirstInit ← B4 锚点
（屏幕显示：渐变背景 → 旋转环 → "欢迎使用 Deshab" → 账户设置卡片）
```
### 11.3 设备测试场景
| 场景 | QEMU 参数 | 验证锚点 |
|------|----------|---------|
| SATA 块设备 | 临时 SATA FAT32 测试盘 | `block_read ptr` 非 NULL，FAT32 读取成功 |
| NVMe | `-device nvme` | 探测 `1b36:0010`（register 读取依赖高位 MMIO） |
| e1000 网络 | `-device e1000e` | netdev `tx=ready rx=ready` |
| virtio-net | `-netdev user` + `-device virtio-net-pci` | 探测 `1af4:1001` |
---
## 12. 相关文档
| 文档 | 内容 |
|------|------|
| [架构设计文档](./ARCHITECTURE.md) | 五大核心子系统、内存模型、驱动系统 |
| [开发路线图](./ROADMAP.md) | 分阶段开发路线（Phase 0-9） |
| [DSK 主内核说明](../CODE/dsk/README) | DSK boot context 与加载要求 |
| [UTSM 模块设计](../CODE/UTSM/README.md) | 封缄内存与启动流程 §16 |
| [DKM 驱动系统](../CODE/DKM/README.md) | 驱动分阶段加载与状态机 |
| [CLAUDE.md](../CLAUDE.md) | 项目当前状态与下一阶段路线 |
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# Deshab-OS 开发路线图
> 本文档基于项目当前实现状态与各模块规划，给出分阶段开发路线。
> 状态标记：✅ 已完成 · 🔶 部分完成 · ⬜ 待实现
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## 当前状态总览
Deshab-OS 已完成**可启动的实验内核**闭环：
```text
Limine → utsm.elf → DKM 14 驱动加载 → DSK (deshab.elf)
→ 旋转加载动画 → 首次启动检测
→ firstInit=0: mouseInit → FirstInit 用户设置向导（中文 UI / SHA256 密码）
→ firstInit≠0: 正常启动（待实现）
```
| 子系统 | 状态 | 说明 |
|--------|------|------|
| 早期启动（serial/IDT/PIC） | ✅ | IDT 0–47，PIC remap 0x20–0x2f |
| UTSM 封缄内存 | 🔶 | selftest 闭环，占位 XOR stream，真实加密待实现 |
| DKM 驱动加载 | ✅ | 14/14 驱动 discovery + 加载闭环 |
| DMA 分配器 | ✅ | Limine USABLE → 物理页 bitmap，低 4G 钳位 |
| AHCI 块设备 | 🔶 | IDENTIFY/READ DMA + block provider，无 write |
| NVMe | 🔶 | PCI discovery only，BAR0 在 4G 以上待映射 |
| FAT32 | 🔶 | 只读，优先 block provider 回退 boot module |
| e1000 网络 | 🔶 | 完整 RX/TX ring，无协议栈 |
| virtio_net | 🔶 | PCI discovery + capability 枚举，无 virtqueue |
| 字体系统 | ✅ | DBF 格式 16/24/32px，GB2312 全覆盖 |
| FirstInit | 🔶 | 中文 UI + 键盘输入 + SHA256 密码，写盘待实现 |
| SAS-R0-PCQ 调度器 | ⬜ | 设计完成，未实现 |
| DRR 恢复根 | ⬜ | stub 占位，未实现 |
---
## 路线图总览
```mermaid
graph LR
P0["Phase 0<br/>内存与 MMIO 底座"] --> P1["Phase 1<br/>DMA 与块设备数据路径"]
P1 --> P2["Phase 2<br/>IRQ 后端升级"]
P2 --> P3["Phase 3<br/>网络数据路径"]
P1 --> P4["Phase 4<br/>VFS 与真实块设备接入"]
P4 --> P5["Phase 5<br/>block write 与 FAT32 write"]
P5 --> P6["Phase 6<br/>FirstInit 完善"]
P2 --> P7["Phase 7<br/>SAS-R0-PCQ 调度器"]
P7 --> P8["Phase 8<br/>DRR 恢复系统"]
P8 --> P9["Phase 9<br/>真实加密落地"]
```
**优先级原则**（源自 [DSK README](../CODE/dsk/README) §7）：
> 先让 UTSM 能加载并跳到 DSK → 再补内存/MMIO/DMA → 再做块设备真实读取 → 再迁移文件系统和网络数据路径 → 最后进入调度器和恢复系统深化。
---
## Phase 0 — 内存与 MMIO 底座
**目标**：建立物理页分配器、页表映射接口、高位 PCI MMIO 映射能力，解决 NVMe 4G 以上 BAR 和后续 DMA 映射问题。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| 物理页 bitmap 分配器 | ✅ | Limine USABLE → bitmap，已根治 e1000 DMA |
| 页表映射接口（map/unmap） | ⬜ | 提供 `mmio_map(phys, size, flags)` 通用接口 |
| 高位 PCI MMIO 映射（4G 以上 BAR） | ⬜ | NVMe BAR0 可安全读取 register |
| 替换 arena 为真实页分配 | ⬜ | DKM 驱动加载使用物理页分配器，移除 16MB arena 上限 |
**依赖**：无（基础设施）
**风险**：页表操作需在关中断下小心进行；高位 MMIO 映射需建立独立页表项，避免破坏 HHDM。
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## Phase 1 — DMA 与块设备数据路径
**目标**：建立 contiguous DMA buffer、cache/屏障约定、PRDT/队列内存管理，推进 AHCI/NVMe 真实读写。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| DMA buffer 统一接口（alloc/sync_for_device/sync_for_cpu） | 🔶 | `dkm_dma_api` 已定义，cache 屏障约定待完善 |
| AHCI IDENTIFY/READ | ✅ | SATA 盘可读取 LBA0 |
| AHCI 多扇区批量 read 稳定化 | 🔶 | 256 扇区批量读成功，单扇区偶发超时待收敛 |
| AHCI block provider 注册 | ✅ | `ahci0` 注册到 `kernel_api.block` |
| NVMe admin queue / identify | ⬜ | 依赖 Phase 0 高位 MMIO |
| NVMe block provider | ⬜ | 注册 `nvme0`，支持 READ |
**依赖**：Phase 0
**风险**：AHCI command header 布局须严格按规范；不对 ATAPI/空端口发 ATA IDENTIFY。
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## Phase 2 — IRQ 后端升级
**目标**：在 PIC fallback 稳定基础上扩展 IDT/vector allocator/APIC EOI/IOAPIC redirection，逐步迁移设备 IRQ，最后接入 MSI/MSI-X。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| IDT 扩展到 256 vectors | 🔶 | 当前 0–47 stub |
| Vector allocator | ⬜ | 动态分配中断向量 |
| APIC EOI 后端 | ⬜ | 替代 PIC EOI |
| IOAPIC redirection | ⬜ | 迁移设备 IRQ 到 IOAPIC |
| LAPIC timer | ⬜ | 替代 PIT 作为调度时钟 |
| MSI / MSI-X | ⬜ | NVMe/e1000 使用 MSI-X |
**依赖**：无（可与 Phase 1 并行）
**风险**：未扩展 IDT/vector allocator 前不能禁用 PIC 或重编 IOAPIC RTE，否则中断投递和 EOI 后端不一致。
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## Phase 3 — 网络数据路径
**目标**：在 DMA/IRQ 完成后推进 e1000 与 virtio-net 的完整收发能力。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| e1000 完整 RX/TX ring | ✅ | netdev flags `LINK_UP|TX_READY|RX_READY` |
| e1000 中断驱动收发 | ⬜ | 替代 polling，接 IOAPIC/MSI（依赖 Phase 2） |
| virtio-net feature negotiation | ⬜ | 完成 device_status / feature_select |
| virtio-net virtqueue RX/TX | ⬜ | 建队列、收发包 |
| 最小协议栈（ARP/IP/UDP/DHCP/DNS） | ⬜ | netman 可完成 DHCP 获取地址 |
**依赖**：Phase 1（DMA）、Phase 2（IRQ）
**风险**：网卡中断早期开启容易刷屏或阻塞，IOAPIC/MSI 完善前保持 masked，收发先走 polling。
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## Phase 4 — VFS 与真实块设备接入
**目标**：将 FAT32 从测试镜像迁移到 AHCI/NVMe block provider，完善挂载、读取、目录遍历和错误路径。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| FAT32 接入真实 block provider | 🔶 | 优先 block provider，回退 boot module |
| FAT32 子目录路径解析 | ⬜ | 支持 `/system/deshab64/deshab.elf` 完整路径 |
| VFS 统一路径语义 | ⬜ | DSK 加载与 VFS 路径统一 |
| 目录遍历 | ⬜ | 支持枚举目录项 |
| 错误路径完善 | ⬜ | block read 失败 / BPB 无效正确回退 |
**依赖**：Phase 1（块设备）
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## Phase 5 — block write 与 FAT32 write
**目标**：实现块设备写和 FAT32 文件写入，支撑配置持久化。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| `dkm_block_api.write` | ⬜ | AHCI 实现 WRITE DMA |
| FAT32 文件创建 | ⬜ | 写目录项 |
| FAT32 FAT 链更新 | ⬜ | 分配新 cluster |
| FAT32 文件覆写 | ⬜ | user.conf / firstInit.txt 写盘 |
| firstInit.txt 标志写盘 | ⬜ | 首次启动后写 `1` |
**依赖**：Phase 1（块设备）、Phase 4（VFS）
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## Phase 6 — FirstInit 完善
**目标**：完善首次启动用户设置向导的完整功能。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| 修复 FirstInit 按键崩溃 | 🔶 | `fb_text` 在 `-O2` 下稳定 |
| 鼠标光标移动 | ⬜ | PS/2 IRQ12 + 包解码 + 光标更新 |
| user.conf 写盘 | ⬜ | 依赖 Phase 5 block write |
| 网络配置界面 | ⬜ | IP/DHCP/网关设置 |
| 时区/语言选择 | ⬜ | — |
| 设置完成后跳转正常启动 | ⬜ | 写 firstInit=1，跳转 DSK 正常路径 |
| 正常启动路径 | ⬜ | firstInit≠0 时的桌面/Shell |
**依赖**：Phase 3（网络）、Phase 5（写盘）
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## Phase 7 — SAS-R0-PCQ 调度器
**目标**：实现单地址空间 Ring0 任务模型与 Per-CPU O(1) 位图调度器。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| TCB 与 task_create 流程 | ⬜ | 分配 TCB、生成 process_uuid、创建 stack/heap 段、capability table |
| Per-CPU runqueue | ⬜ | 每 CPU 独立 runqueue |
| O(1) 位图调度器 | ⬜ | pick_next_task 为 O(1) |
| context_switch | ⬜ | utsm_switch_out / utsm_switch_in 只加载 crypto 指针 |
| task_kill crypto erase | ⬜ | owned segment key_epoch++，state=DESTROYED |
| SMP 多核 | ⬜ | 多核调度（可选，后续） |
**依赖**：Phase 0（内存）
**风险**：调度切换路径禁止扫描 capability、计算 MAC、重加密——必须保持 O(1)。
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## Phase 8 — DRR 恢复系统
**目标**：实现专用恢复根的看门狗、checkpoint、recovery log、A-B 回滚。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| DRR Emergency Pool | ⬜ | 独立紧急内存池，普通 allocator 不可用 |
| Watchdog | ⬜ | 独立于普通调度器 |
| Recovery log | ⬜ | WRITE_INTENT / WRITE_COMMIT log 对 |
| Dirty Shard + Dirty Bitmap | 🔶 | 数据结构已设计，实现待补 |
| A/B Checkpoint metadata 双槽 | ⬜ | CRC 校验 + 原子 active slot 切换 |
| Page / Segment / System Rollback | ⬜ | 三级回滚 |
| 驱动 recovery ops（quiesce/reset/reinit） | ⬜ | DRR 驱动故障恢复 |
**依赖**：Phase 7（调度器）、UTSM 真实加密（Phase 9）
**风险**：恢复路径禁止依赖普通堆；checkpoint 提交顺序固定不可调；Emergency Pool 耗尽直接 system rollback。
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## Phase 9 — 真实加密落地
**目标**：将 UTSM 占位 XOR stream 替换为真实加密原语。
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| 确定加密原语（KDF/hash/stream/MAC） | ⬜ | 选定 HKDF/BLAKE2/AES-CTR/Poly1305 等 |
| KDF 实现 | ⬜ | `segment_key = KDF(root_key, process_uuid, segment_uuid, key_epoch)` |
| Stream cipher 实现 | ⬜ | 64B cache line 级加解密 |
| MAC 实现 | ⬜ | 4KB page 粒度 MAC |
| DRR root key 管理 | ⬜ | root key 生成 / 存储 / 轮换 |
| PCKC key schedule 缓存 | ⬜ | 真实 key schedule 而非占位 |
**依赖**：Phase 8（DRR root key）
**风险**：加密原语需在 `-mno-sse` 下可用（或在此阶段启用 SSE/SIMD）；性能需保持热路径 O(1)。
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## DKM 工程化收尾（贯穿各阶段）
| 任务 | 状态 | 验收标准 |
|------|------|---------|
| 统一驱动本地 ABI 公共头 | ⬜ | 移除各驱动内联 `dkm_kernel_api` 定义 |
| kernel_api typed sub-struct 迁移 | ⬜ | `const void *` 占位 → typed 指针 |
| 清理编译 warning | ⬜ | `-Wall -Wextra` 零警告 |
| QEMU 场景自动化 | ⬜ | e1000/virtio-net/nvme/ahci 独立测试场景 |
| log API printf 变参支持 | ⬜ | 统一为 `(*info)(const char *fmt, ...)` |
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## 里程碑
| 里程碑 | 完成阶段 | 标志 |
|--------|---------|------|
| **M1 — 真实块设备启动** | Phase 0+1+4 | 从 AHCI/NVMe FAT32 读取 deshab.elf，脱离 test.fat32 |
| **M2 — 配置持久化** | Phase 5+6 | FirstInit 设置可写盘，重启后正常启动 |
| **M3 — 网络可用** | Phase 2+3 | DHCP 获取地址，可收发 UDP |
| **M4 — 多任务调度** | Phase 7 | SAS-R0-PCQ 调度器运行多任务 |
| **M5 — 容错恢复** | Phase 8+9 | DRR checkpoint/rollback + 真实加密 |
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## 相关文档
- [架构设计文档](./ARCHITECTURE.md)
- [贡献与协作规范](../CONTRIBUTING.md)
- [CLAUDE.md](../CLAUDE.md) — 项目当前状态与下一阶段路线
- [LESSONS_LEARNED.md](../LESSONS_LEARNED.md) — 开发经验教训