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Deshab-OS 架构设计文档
1. 项目定位
| 属性 | 说明 |
|---|---|
| 架构 | x86_64 long mode，Higher Half 0xffffffff80000000+ |
| 权限 | 单地址空间 Ring0（SAS-R0），无传统多用户隔离 |
| 引导 | Limine（UEFI 优先，BIOS 兼容） |
| 语言 | C11 freestanding + x86_64 asm |
| 工链 | LLVM Clang + ld.lld（-mcmodel=kernel -mno-sse -msoft-float） |
| 构建 | build.ps1 → ISO/deshab.img（GPT+FAT32 ESP）→ QEMU UEFI |
设计哲学：极高权限/效率优先（Ring0+O(1)热路径）；内存默认封缄（UTSM/UTRW）；恢复根独立（DRR Emergency Pool）；驱动与内核解耦（dkm_kernel_api）；先闭环再扩展。
2. 系统整体架构
2.1 启动链路
UEFI/BIOS → Limine → utsm.elf（首阶段：serial/IDT/arena/DMA/UTSM/DKM→14驱动/FUCK配置）
→ dsk_boot_context(RDI) → deshab.elf（DSK：首次启动/正常启动/FUCK配置）
2.2 双阶段内核
| 阶段 | 产物 | 职责 |
|---|---|---|
| UTSM | SYSTEM/boot/utsm.elf |
Long mode入口/serial/IDT/arena/DMA/UTSM init/DKM驱动加载/平台发现/DSK加载跳转 |
| DSK | SYSTEM/system/deshab64/deshab.elf |
接收boot context/首次启动调度/块设备VFS/网络运行期 |
跳转约定：RDI=dsk_boot_context*, RSI=RDX=0, IF=0, paging=UTSM页表
2.3 UTSM 启动序列
kernel_main() → serial_init → idt_init → arena_init(16MB) → dma_init(Limine USABLE→bitmap)
→ net_init(8槽) → drr_stub_init → utsm_init → dkm_init+fill_platform_info
→ dsm_load_by_manifest(4 stage, 14 .drv) → utsm_selftest_run → dsk_load_and_jump
3. 五大核心架构支柱
3.1 SAS-R0-PCQ — 单地址空间Ring0调度模型
- 单地址空间，Ring0，Per-CPU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：
READY→RUNNING→BLOCKED/SLEEPING→RECOVERING/FAULTED→ZOMBIE - 约束：调度切换禁止扫描capability/计算MAC/写checkpoint/重加密
3.2 UTSM — UUID调谐封缄内存
所有普通内存存密文，明文读写须经UTRW。UUID 128-bit二进制格式。
核心规则：数据区只存连续密文（UUID不插入数据区）；每段独立DMP；每任务process_uuid+capability table；加密粒度64B cache line，Dirty粒度4KB page，MAC粒度4KB page。
段布局：[DMP: Descriptor Meta Page][Cipher Data Page 0][Cipher Data Page 1]...
加密方案：
segment_key = KDF(DRR_root_key, process_uuid, segment_uuid, key_epoch)
tweak = hash(hash(process_uuid, segment_uuid, key_epoch), line_index, key_epoch)
ciphertext = plaintext XOR stream(segment_key, tweak)
段状态：FREE→ACTIVE→CHECKPOINTING/SEALED→RECOVERING→POISONED/DESTROYED
3.3 UTRW — 带标记读写器
| 层级 | 说明 |
|---|---|
| L0 Raw | 直接读cipher_base（密文） |
| L1 Fast Path | capability O(1)定位→PCKC命中→无全局锁解密 |
| L2 Slow Path | key miss/epoch mismatch/MAC fail异常处理 |
Fast Read用seqlock（读writer_seq before→读数据→读after，不等则重试）。Fast Write：writer_seq++进奇数→按64B line加密→写密文→标dirty bitmap→writer_seq++回偶。部分写须先解密旧64B line再合并。
Slow Path：KEY_MISS→派生key写PCKC；EPOCH_EXPIRED→刷新cap.epoch；MAC_FAILED→标suspicious+DRR+试rollback；SEGMENT_POISONED→交DRR。
3.4 DRR — 专用恢复根
核心约束：独立Emergency Pool（普通OOM≠DRR OOM）；recovery路径禁止依赖普通堆；checkpoint只处理dirty shard/page不扫描全内存。
Checkpoint类型：Light（段表/DMP/dirty summary/writer_seq/key_epoch/MAC root）；Dirty Page（dirty页密文副本+MAC）；Boot（内核slot/UTSM root epoch/DRR boot status）。
A/B双槽：active=A→新checkpoint写B→metadata+dirty index+MAC root+CRC→flush→原子切active=B。恢复优先active slot，CRC错则fallback，两槽皆坏则system rollback。
回滚级别：Page→Segment→System。Dirty Shard优化：dirty bitmap拆shard，跳过dirty_count==0的shard，复杂度O(dirty_shards+dirty_pages)。
3.5 DKM — 驱动模块系统
分阶段加载（manifest.json）：
| Stage | 驱动 | 失败策略 |
|---|---|---|
| 0 platform | timer/apic/acpi/pci | required失败→DRR/panic |
| 1 boot | console_fb/ahci/nvme/bootfs | required失败→DRR recovery |
| 2 filesystem | vfs/fat32/devfs | 失败→fallback bootfs |
| 3 optional | e1000/virtio_net/ps2kbd | 失败标记FAILED继续 |
驱动ABI：导出driver_desc(magic=0x444B4D31)/driver_init/driver_exit。kernel_api服务：log/mem/utsm/irq/pci/dma/vfs/net/timer/drr + 平台直通(rsdp/fb_*/boot_modules/irq_register/hhdm) + block provider registry。
ELF Loader：必须R_X86_64_64/RELATIVE/GLOB_DAT/JUMP_SLOT，禁止TLS/IFUNC/lazy binding。加载状态机：DISCOVERED→QUEUED→DEP_WAIT→LOADING→ELF_CHECKED→MEMORY_ALLOCATED→RELOCATED→ABI_CHECKED→INITING→ACTIVE。
4. 辅助数据结构
4.1 DMP — 段描述符元页
热路径加速结构，O(1)段定位/边界检查/tweak生成/dirty bitmap定位。含fast_base/fast_limit/fast_tweak_seed/fast_key_epoch+CRC。
4.2 PCKC — 每CPU密钥缓存
默认8槽，缓存hot segment key schedule。调度切换只加载next.crypto指针+hot_segment_hint。替换LRU/最冷slot。
4.3 Capability — 段访问凭证
热路径segment_slot+generation+epoch直接定位验证。权限：READ/WRITE/EXEC/SHARE/DMA。默认cap[0]=stack(RW)/cap[1]=heap(RW)/cap[2]=ipc(RWS)/cap[3]=code(RX)。
5. 内存管理
| 组件 | 实现 | 位置 |
|---|---|---|
| 内核arena | 16MB bump | CODE/UTSM/mm/arena.c |
| DMA分配器 | Limine USABLE→bitmap，低4G钳位 | CODE/UTSM/mm/dma.c |
| UTSM段分配 | DMP+密文数据区 | CODE/UTSM/core/segment.c |
全局区域：Normal Encrypted Segment / DMP Pool / Segment Table / PCKC Area / DRR Reserved Region
关键约束：DMA缓冲须来自物理页分配（不能用高半虚拟地址反推物理）；32位BAR设备DMA需落低4G；DATA/BSS用PF_R|PF_W|PF_X；未启用SSE前-mno-sse -msoft-float。
6. 驱动子系统现状
| Stage | 驱动 | 实现 |
|---|---|---|
| 0 | timer | PIT校准+100ms demo |
| 0 | apic | CPUID/MADT/LAPIC MMIO只读，保留PIC IRQ |
| 0 | acpi | RSDP→XSDT，表枚举 |
| 0 | pci | config space扫描枚举 |
| 1 | console_fb | Limine fb，淡蓝背景 |
| 1 | ahci | PCI探测+ABAR HHDM+IDENTIFY/READ/WRITE DMA+ahci0 provider |
| 1 | nvme | PCI探测（BAR0>4G，待高位MMIO） |
| 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,platform,fb0,modules,boot/ |
| 3 | ps2kbd | IRQ1，scancode set1→ASCII |
| 3 | e1000 | PCI+MAC+IRQ+完整RX/TX ring+DHCP/ARP/UDP/DNS（polling） |
| 3 | virtio_net | PCI+modern capability枚举（未做virtqueue） |
7. 文件系统与块设备
- block provider registry：
kernel_api.block注册/读写，AHCI注册ahci0。block read按最多8扇区分块。 - FAT32：DKM驱动只读（优先block provider，回退boot module）；DSK loader内嵌FAT32（读写：根目录文件创建/覆写/FAT链分配释放，用于USER.CONF/firstInit.txt持久化）
- devfs：/dev/version,platform,fb0,modules,boot/
8. 网络子系统
- netdev registry：8槽固定表，O(1)注册查询
- kernel_api.net：register_netdev/submit_tx/poll_rx
- netman.elf：DSK调度，读conf.conf/NETCONF.CNF，DHCP四步握手+ARP网关+DNS A查询（e1000真实收发，polling）
9. 图形、字体与首次启动
9.1 字体系统
DBF格式8bpp灰度：simhei_16/24/32.dbf（GB2312 6763汉字+ASCII 32-126），索引按codepoint升序二分查找。生成工具CODE/font/mkfont.py。FirstInit用render_embedded.py预渲染中文位图嵌入ELF。
9.2 首次启动流程
DSK → 读FUCK配置(show_logo/skip_login/mouse_init/netman/dev_mode)
→ 渐变背景+旋转加载环(comet-tail弧+TSC计时+show_logo=0可跳过)
→ 读firstInit.txt("0|1\n0|1"，第二行dev_mode)
→ dev_mode=1: 加载shell.elf自动命令测试
→ firstInit==0(首次): mouseInit→netman→FirstInit(偏好/账户/网络)→写USER.CONF+翻转firstInit.txt→desktop
→ firstInit!=0(正常): login.elf(USER.CONF+skip_login可跳)→desktop
| 组件 | 产物 |
|---|---|
| FirstInit | SYSTEM/system/user/use/FirstInit.elf |
| mouseInit | SYSTEM/system/deshab64/mouse/mouseInit.elf |
| netman | SYSTEM/system/deshab64/network/netman.elf |
| login | SYSTEM/system/user/use/login.elf |
| desktop | SYSTEM/system/deshab64/desktop.elf |
10. 内核启动配置（FUCK）
SYSTEM/system/deshab64/FUCK，INI分区格式。
| 阶段 | 读取方式 |
|---|---|
| UTSM | Limine boot module（cmdline=fuck:config），serial_init+idt_init后 |
| DSK | FAT32子目录遍历（SYSTEM /DESHAB64 /FUCK ），block provider可用后 |
[boot] vmm=1 linux_guest=1 selftest=1 dev_mode=0
[drivers] timer=1 apic=1 nvme=0 # 0=跳过
[utsm] max_segments=1024 max_pckc_keys=8 dirty_shard_pages=1024 arena_size_mb=16
[dsk] show_logo=1 skip_login=0 default_shell=desktop mouse_init=1 netman=1
缺失或空时用硬编码默认值。算法参数通过运行期全局变量覆盖编译期宏，静态数组大小仍用编译期上限。
关键代码：CODE/UTSM/kernel/ini_parser.h/c、CODE/UTSM/kernel/main.c、CODE/UTSM/include/utsm/config.h、CODE/dsk/main.c。
11. 开放设计点
- 加密原语未指定——KDF/hash/stream/MAC待定，当前占位XOR stream
- kernel_api设计态vs实现态——RE定义typed sub-struct指针，实现为const void*占位
- block未作为独立子API——走provider注册
- log API签名分歧——定参vs变参，统一方向待定
- v1不追求——RAM原地回滚/强安全隔离/设备副作用回滚
12. 系统目录约定
SYSTEM/
├── boot/utsm.elf, limine.conf, linux-bzImage, linux-initrd.img, linux-rootfs.img
├── driver/manifest.json, platform/bus/block/*.drv, fs/net/input/console/, test.fat32
├── system/deshab64/deshab.elf, FUCK, desktop.elf, shell.elf, cmd.elf, tools/, mouse/, network/
├── system/font/simhei*.dbf
├── system/user/use/FirstInit.elf, login.elf, firstInit.txt, USER.CONF
└── EFI/BOOT/BOOTX64.EFI
CODE/ UTSM/ dsk/ DKM/ firstInit/ mouse/ netman/ desktop/ shell/ cmd/ tools/ linux/ utsm-ipc/ font/
RE/ UTSM_设计架构.md, UTSM_算法记录.md, 驱动模块ABI设计.md
docs/ （本文档所在）
13. 相关文档索引
| 文档 | 内容 |
|---|---|
| CODE/UTSM/README.md | UTSM封缄内存模块 |
| CODE/DKM/README.md | DKM驱动模块系统 |
| CODE/dsk/README | DSK主内核与boot context |
| RE/UTSM_设计架构.md | UTSM架构记录 |
| RE/UTSM_算法记录.md | UTSM核心算法 |
| RE/驱动模块ABI设计.md | DKM ABI详细设计 |
| docs/BOOT_SEQUENCE.md | 启动路线设计 |
| docs/ROADMAP.md | 开发路线图 |
| docs/系统开发策划.md | 实现矩阵与里程碑策划 |
| docs/兼容层设计.md | Linux/PE兼容层 |
| docs/桌面设计.md | 桌面环境设计 |