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Deshab-OS/docs/兼容层设计.md
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2026-07-31 13:53:49 +08:00

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Deshab 兼容层设计文档

Linux程序兼容层（双内核park-and-resume）与PE/EXE兼容层（UTSM内置加载器），以及Pacman生态方案。

1. 概述

Deshab无Linux syscall/动态链接器/Windows API，兼容走两条路线：

兼容层 目标 路线 类比
Linux兼容层 Linux x86-64 ELF UTSM作VMM运行Linux 6.6 guest，Deshab经IPC委托执行取回结果 WSL
PE/EXE兼容层 PE32+/PE32 UTSM内置PE加载器+API shim+x86-32解释器，Ring0直接执行 极简Wine

核心判断：pacman装的软件是Linux动态链接ELF，不可能在Deshab原生跑。正确模式：Linux guest内Arch+pacman→Deshab通过IPC委托Linux执行→结果显示回Deshab。

2. 双内核架构

2.1 park-and-resume模型

UTSM作VMM(VMX root)，Linux 6.6 LTS作guest(VMX non-root)常驻内存。

UTSM(Ring0) → linux_compat_service.exec() → 写EXEC_REQUEST到utsm_to_linux ring
  → linux_resume() → vmresume → Linux guest(daemon: RECV_MSG→fork+exec→pipe捕获输出
  → SEND_MSG STDOUT/STDERR/EXIT → ioctl(PARK)→HLT→VM-Exit)
  ← VM-Exit(HLT) → host推进RIP → 从linux_to_utsm ring读输出
  • park：guest HLT→VM-Exit→host推进RIP+exit-to-host（g_guest_parked=1）
  • resume：linux_resume()经vmresume唤醒parked guest
  • guest cmdline须含nohlt idle=poll：防止内核idle的HLT误触发park

2.2 组件清单

组件 文件
VMM vmm.c/vmx.c/ept.c, vmexit.c/vmexit_asm.S
Linux装载 linux_loader.c/linux_boot.c
唤醒 linux_resume.c
兼容服务 linux_compat.c+linux_compat.h
IPC CODE/utsm-ipc/ipc_proto.h
virtio后端 virtio_mmio.c/virtio_blk.c/virtio_net.c
Linux侧驱动 CODE/linux/patches/utsm_hcall.c
exec daemon CODE/linux/initramfs/bin/utsm_exec_daemon.c

2.3 guest构建产物

产物 位置 说明
bzImage SYSTEM/boot/linux-bzImage Limine boot module
initramfs SYSTEM/boot/linux-initrd.img phase-1最小用户态(init+daemon)
Arch rootfs SYSTEM/boot/linux-rootfs.img virtio-blk /dev/vdb，含pacman+国内镜像

3. Guest GPA内存布局

定义于CODE/UTSM/include/utsm/linux_loader.h：

GPA范围 用途
0x00000000–0x003FFFFF UTSM保留
0x00400000 boot_params(4KB)
0x00500000 内核cmdline(≤4096B)
0x00600000/0x00700000/0x00800000 guest GDT/页表/栈
0x01000000–0x02FFFFFF Linux内核镜像(2MB对齐)
0x03000000–0x03FFFFFF initrd
0x04000000–0x040FFFFF IPC共享内存(1MB)
0x05000000+ Linux通用RAM
0xF4000000/0xF4001000/0xF4002000 virtio-mmio blk(IRQ5)/net(IRQ6)/rootfs(IRQ7)

virtio-mmio设备区EPT故意不映射→EPT violation→vmexit路由到后端模拟。guest经cmdline virtio_mmio.device=4K@<gpa>:<irq>发现设备。

guest cmdline：console=ttyS0,115200 earlyprintk=serial nokaslr no_timer_check loglevel=7 nohlt idle=poll noapic nolapic nosmp virtio_mmio.device=4K@0xF4000000:5 virtio_mmio.device=4K@0xF4001000:6 virtio_mmio.device=4K@0xF4002000:7

4. VMCS与VM-Exit处理

  • VMCS不保存guest GPR，vmexit_asm.S保存16个GPR到g_guest_regs，vmresume前恢复
  • VMCALL约定：a0=rdi, a1=rsi, a2=rdx，返回值写g_guest_regs.rax
  • host恢复点：g_saved_host_rsp/g_saved_return_rip/g_guest_terminated/g_last_exit_reason（须非static全局变量）

已处理退出原因：

Exit reason 处理
HLT Linux→park(推进RIP)；自检→terminate
EPT_VIOLATION GPA在virtio-mmio区→模拟；否则EPT动态映射
CPUID 直通+屏蔽VMX/hypervisor位
IO_INSTRUCTION 端口I/O模拟
INTERRUPT_WINDOW 注入待决虚拟IRQ
VMX_PREEMPTION_TIMER 周期调virtio_net_poll()填充RX buffer
VMCALL hypercall分发

5. IPC协议

唯一定义在CODE/utsm-ipc/ipc_proto.h（__UTSM_KERNEL__/__KERNEL__条件包含）。

5.1 共享内存布局(GPA 0x04000000, 1MB, packed)

0x04000000  utsm_ipc_shm_header   64B(magic "UTSMHC\0\0"+version+握手位)
0x04000040  utsm_to_linux ring    16400B(UTSM写，Linux读)
0x04004050  linux_to_utsm ring    16400B(Linux写，UTSM读)
0x04008060  payload_pool           1015712B(批量数据缓冲)

每ring：64槽×256B消息(16B头+240B inline data)。单生产者单消费者，head/tail volatile+内存屏障。

5.2 三条通信通道

  1. 共享内存ring（异步双向）
  2. VMCALL hypercall（同步请求/响应）
  3. IPI通知（UTSM→Linux经guest IRQ注入）

5.3 消息类型

类型 值 方向/说明
HELLO/HELLO_ACK 1/2 握手
PING/PONG 3/4 连通性
EXEC_REQUEST 16 UTSM→Linux: ipc_exec_request{argc,flags,path[128],argv_blob[96]}
EXEC_STDOUT/STDERR 17/18 Linux→UTSM: 裸字节流分块
EXEC_EXIT 19 Linux→UTSM: exit_code
EXEC_READY 20 Linux→UTSM: daemon就绪
FILE_LIST/READ/WRITE_REQUEST 24/25/27 UTSM→Linux: 文件操作
FILE_RESPONSE 26 Linux→UTSM: status+data_len+total_size

5.4 hypercall操作

op 值 说明
PING/HELLO 0x0001/0x0002 连通性
SHM_INFO 0x0010 查询共享内存GPA+size
CAP_VALIDATE 0x0020 capability校验
UTRW_READ/WRITE 0x0030/0x0031 封缄内存读写
DRR_CHECKPOINT 0x0040 触发checkpoint
CONSOLE_WRITE/READ 0x0050/0x0051 串口控制台
FILE_READ 0x0060 读UTSM FAT32文件到payload_pool(a0=文件名GPA,a1=偏移,a2=最大字节;RAX低20位=暂存字节,高位=总大小)
FILE_WRITE 0x0061 payload_pool写为FAT32文件(整文件替换)

单文件≤256KB；payload_pool为单写者通道，禁止并发。

5.5 文件传输协议

  • 读/列目录：UTSM写请求→linux_resume→daemon opendir/readdir或open/pread→数据写进payload_pool→FILE_RESPONSE→HLT park
  • 写：UTSM预摆数据进payload_pool→daemon读出pwrite（offset 0以O_TRUNC打开）
  • payload_pool≈1MB，单次往返最多~1MB，更大文件按递增file_offset循环
  • 状态码：OK=0, NOENT, IO, NOTDIR, ISDIR, PERM, INVAL, NOSPC

6. virtio-mmio设备模拟

Virtio Spec 1.1 §4.2，32位寄存器。框架virtio_mmio.c，后端virtio_blk.c/virtio_net.c。

  • guest访问设备GPA→EPT violation→handle_virtio_mmio_access→按GPA定位设备+按偏移模拟寄存器
  • 后端注册表struct virtio_backend{device_id,gpa_base,irq,num_queues,queue_size,device_features,config_len,read_config,queue_notify,reset}
  • virtqueue split ring(desc 16B/avail/used)
  • virtio_gpa_to_host()：EPT翻译GPA→HPA+HHDM offset
  • 中断：置INTERRUPT_STATUS bit0+注入虚拟IRQ(blk→5,net→6,rootfs→7, vector=0x30+irq)
  • net RX异步路径：VMX preemption timer周期调virtio_net_poll()填充guest RX buffer+注入IRQ
  • blk后端已支撑guest挂载Arch rootfs(/dev/vdb)

7. Linux兼容层服务接口

linux_compat_service(magic "LNXCOMP\0")经dsk_boot_context.reserved[5]暴露：

接口 说明
is_available() guest已park+IPC就绪
exec(path,argc,argv,stdout_buf,cap,len,exit_code) 执行Linux程序取回stdout/exit_code
file_list/read/write(path,...) 列目录/分块读/分块写Linux文件
file_pull/push(linux_path,fat32_name,...) Linux文件↔UTSM FAT32根目录(≤256KB)
status(buf,cap) guest状态字符串

shell命令：dsl <prog> [args](Tab可补全Linux程序名)、dsl push/pull、dsl ls [path]、dsl cat <path>

8. Linux guest侧组件

utsm_hcall驱动：VMCALL发起hypercall；/dev/utsm ioctl: RECV_MSG/SEND_MSG/PARK/GET_READY/WRITE_POOL/READ_POOL

exec daemon(PID 2)：启动→发EXEC_READY→ioctl(PARK)→HLT；循环：vmresume唤醒→RECV_MSG→处理(EXEC_REQUEST:fork+exec+pipe; FILE_*:opendir/open/pread/pwrite)→ioctl(PARK)

9. PE/EXE兼容层

四组件经dsk_boot_context.reserved[4]暴露pe_service(magic "PESVC\0\0"，接口load/run/unload)：

组件 职责
pe_loader.c DOS/NT头校验+节区映射+重定位+import表解析
pe_shim.c Windows API shim(ms_abi包装)+IAT填充
x86emu32.c x86-32解释器(PE32执行引擎)
pe_service.c 服务装配+执行策略

执行策略：

  • PE32+：重定位加载→IAT填ms_abi shim→Ring0原生执行；ExitProcess经__builtin_longjmp跳回
  • PE32：preferred_base直接加载(64KB栈+256KB堆)+IAT填合成地址(0x00010000|shim_idx)→x86emu32解释执行。约束：镜像≤64MB, preferred_base≤0x10000000, IAT≤256项

安全方向：PE shim白名单+IAT拦截审计。

10. Pacman五阶段方案

阶段 内容 状态
1. Linux guest跑起来 virtio-blk/net+initramfs/rootfs+EPT动态映射 ✅
2. guest内Arch+pacman Arch bootstrap rootfs+国内mirrorlist ✅(网络下载待联网验证)
3. UTSM↔Linux文件传输IPC FILE_READ/WRITE hypercall+ring分块+shell接入 ✅(代码全链路就绪)
4. shell命令委托执行 IPC exec(16–20)+daemon fork/exec ✅(全链路已验证)
5. desktop集成 app_descriptor.linux_cmd+LINUXAPP.CNF ✅

最大遗留项：VMX实机验证（需嵌套虚拟化环境）。WHPX不支持嵌套VMX，已通过vmx_truly_available()检测+QEMU -cpu qemu64,-vmx规避，无VMX时linux命令优雅降级。

11. 实现状态总览

能力 状态
VMM(VMX/EPT/VMCS/VM-Exit) ✅
Linux guest装载与启动 ✅
park-and-resume ✅
IPC(ring+hypercall+payload_pool) ✅
virtio-mmio blk/rootfs ✅
virtio-mmio net 🔶(后端框架+RX poll)
linux_compat_service ✅
PE32+/PE32执行 ✅
VMX实机验证 ❌
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