正常
代码路线:串口、kprintf、format、双轨测试
1. 串口驱动:轮询式 UART
最底层的 I/O 原语是两条内联汇编——读/写一个字节到指定端口(io.h):
cpp
inline uint8_t inb(uint16_t port) {
uint8_t value;
__asm__ volatile("inb %1, %0" : "=a"(value) : "Nd"(port));
return value;
}
inline void outb(uint16_t port, uint8_t value) {
__asm__ volatile("outb %0, %1" : : "a"(value), "Nd"(port));
}x86 用 in/out 指令访问 I/O 端口空间(这和内存是两套地址空间,不能拿指针解引用去碰)。"=a" 把结果放进 al,"Nd" 让端口用立即数或 dx 传。
serial.cpp 的 Serial 类把 UART 包起来。构造时先 init 配成 8N1:
cpp
void Serial::init() {
io::outb(base_port + IER, 0x00); // 关中断:我们轮询,不要 UART 中断
io::outb(base_port + LCR, 0x03); // 8 数据位、无校验、1 停止位
io::outb(base_port + FCR, 0xC7); // 开 FIFO、清缓冲、14 字节阈值
io::outb(base_port + MCR, 0x03); // RTS + DTR
}发字符是轮询的精髓——putc 先死等 LSR 的 bit5(TX_READY)置位,表示发送保持寄存器空了,再把字节塞进 THR:
cpp
void Serial::putc(char c) {
while (!is_tx_ready()) __asm__ volatile("pause"); // 自旋等
io::outb(base_port + THR, static_cast<uint8_t>(c));
}pause 是给 CPU 的提示:"我在自旋等,你稍微省点电、也别让乱序拖累"。这里故意不开中断(IER=0):这一章的串口是"我说你听"的单向输出通道,中断驱动的收发是后面 003 的事。puts 还做一件小事:遇到 \n 先补一个 \r——串口终端把 \n 当"换行"不回车,不补 \r 的话每行会逐行往右错位(经典"阶梯状"输出)。
构造函数里还埋了一串 debugcon 面包屑:init 前打 \、init 各步打 [1 2 3 4、init 后打 '。这些是给串口本身还没通时的"调试串口的调试"——万一串口初始化卡在某一步,debugcon 上能看到卡在哪个数字,比黑屏强。
2. kprintf:把"格式化"和"输出目的地"解耦
kprintf.cpp 的核心是一个模板函数,接受一个"吐一个字符"的函数对象:
cpp
template <typename OutputFn>
void vkprintf_impl(OutputFn&& putc, const char* format, va_list args) {
char buffer[64];
while (*format) {
if (*format == '%') {
// 解析 % [0] [width] type,调 format_* 算出字符串,putc 逐字输出
} else {
putc(*format++);
}
}
}然后两个对外接口,区别只在"吐到哪":
cpp
void kprintf(const char* fmt, ...) { // → 串口
va_list args; va_start(args, fmt);
auto& serial = serial::get_initial_serial();
vkprintf_impl([&](char c){ serial.putc(c); }, fmt, args);
va_end(args);
}
void kdebugf(const char* fmt, ...) { // → debugcon 0xE9
va_list args; va_start(args, fmt);
vkprintf_impl([](char c){ debugcon_putc(c); }, fmt, args);
va_end(args);
}为什么费这个劲搞模板,而不是直接写两个几乎一样的函数?因为格式化的逻辑(%d 怎么转、宽度怎么补)很复杂且容易出错,我们绝对不想写两份。模板让"格式化"只存在一份,"输出到哪"作为一个参数注入。以后想加帧缓冲输出,也是再加一个 kprintf 变体、传个写像素的 putc 进去,格式化那几十行一个字不用动。
支持的格式是 Cinux 自己挑的一套精简版:%%、%c、%s、%d、%u、%x/%X、%p(带 0x 前缀)、还有个 %b(二进制,调试位掩码时很顺手),外加 %N/%0N 的宽度填充。它不是完整 printf——没有浮点、没有精度、没有 %l 长度修饰。够用就好,内核不需要 printf("%f", 3.14)。
3. format.cpp 为什么单独抽出来
vkprintf_impl 里真正把数字变成字符串的那几个函数——format_decimal、format_hex、format_binary——被放在单独的 format.cpp,还单独编成一个静态库(kprintf_private)。这看似多余,实则是整个可测性设计的命门。
看看 format_decimal 里一个真实的坑就懂了:
cpp
int format_decimal(int64_t value, char* buffer, int buffer_size) {
bool is_neg = value < 0;
if (is_neg) {
if (value == INT64_MIN) { // ★ 特判
// 直接拷 "-9223372036854775808"
...
}
value = -value; // 否则这里溢出!
}
...
}INT64_MIN 是 -9223372036854775808,它的绝对值比 INT64_MAX 大 1,-value 会溢出成它自己(还是负数),后面整个转换就乱了。这种边界,你要是只在 QEMU 里跑、只在恰好打印 INT64_MIN 时才触发,可能永远发现不了。但因为 format.cpp 是纯函数(输入一个数、输出一串字符,不碰任何硬件、不调任何 I/O),我们完全可以把它编进 host 测试,直接 ASSERT_EQ(format_decimal(INT64_MIN, ...), "-9223372036854775808")——一条测试就把这个坑钉死。
这就是"纯逻辑单独抽库"的全部回报:凡是和硬件无关的算法,都值得让它能脱离内核、在 host 上被磨。format_hex 去前导零、format_binary 跳过高位 0,这些也都是同类的纯逻辑,一并放进 host 测试覆盖。
4. 双轨测试:host CTest + QEMU 内核测试
两条测试轨道,各管一摊。
host 轨道(test_kprintf_format.cpp)测的是上一节那些纯函数。它直接 #include "mini/lib/private/format.h",把 format.cpp 跟测试一起用宿主机 g++ 编(加 -DCINUX_HOST_TEST 告诉代码"现在跑在 host 上"),用一套自研的轻量宏(TEST(...)、ASSERT_EQ、RUN_ALL_TESTS)断言。测试覆盖正负零、INT64_MIN/INT64_MAX、hex 全数字、binary 去前导零这些边界。跑法是 CTest:cmake --build build --target test_host。这条轨道快、能在 CI 里跑、不依赖 QEMU,是日常改格式化代码的第一道闸。
QEMU 轨道(test)测的是"真内核里能不能跑"。它构造一个 mini_kernel_test 目标,和量产内核用完全一样的编译/链接选项,只是把 main.cpp 换成测试专用的 main_test.cpp,再加上 test_cpp_basic.cpp。后者用另一套自研宏(TEST_ASSERT、RUN_TEST)测 C++ 运行时本身:类的构造/析构计数对不对、虚函数派发对不对、全局对象构造函数跑没跑、多重继承的 this 调整对不对。这些必须在真内核里跑(它们依赖 vtable、.init_array、链接脚本),host 测不了。
内核测试怎么"知道跑完了并报告结果"?靠 QEMU 的 isa-debug-exit 设备:测完往端口 0xf4 写一个双字,QEMU 就用那个值当退出码直接退出。于是 CI 能拿到退出码判断过没过,不用人去盯串口。两条轨道最后被 make test 串起来:先 host 后 kernel。
这套双轨,本质上是按"能不能脱离硬件"把测试劈成两半——能脱离的(host)、必须真硬件的(kernel),各走最快的路。