Lab 005 · 内核会说话了

这个 lab 配套 005 · 内核会说话了。目标:给 mini kernel 写串口驱动 + kprintf,并给格式化算法配一套 host 单测,再在 QEMU 里跑内核测试。UART 寄存器自己配、格式化算法自己写、测试断言自己定,不给现成答案。

实验目标

• 写 inb/outb 原语和 Serial 类(COM1、轮询、8N1),putc/puts 能在 QEMU 串口打出文本。
• 写 kprintf,用模板把"格式化"和"输出后端"解耦,串口和 debugcon 各一个后端;支持 %d/%x/%p/%s/%b 等。
• 把数字→字符串的纯算法抽进 format.cpp,并给它配 host 单测(CTest),覆盖 INT64_MIN 等边界。
• 搭 QEMU 内核测试目标,用 isa-debug-exit(0xf4)退出,测 C++ 运行时。

前置条件

• 完成 Lab 004:内核能在长模式跑 C++、有 BootInfo。
• 会写 freestanding C++、看得懂 va_list/va_arg、会用 inline 汇编包 in/out。

任务分解

分五块走。

第一块,I/O 原语和串口。先写 io.h 的 inb/outb(inline 汇编,"=a"/"Nd" 约束)。再写 Serial:构造时 init(IER=0 关中断、LCR=0x03 八位无校验一停止、FCR=0xC7 开 FIFO、MCR=0x03);putc 自旋等 LSR bit5 再写 THR;puts 在 \n 前补 \r。提供一个全局单例。

第二块,kprintf。写模板 vkprintf_impl<OutputFn>(putc, fmt, args):遍历格式串,遇 % 解析可选 0 和宽度数字、再读类型字母,调 format_* 算字符串后逐字 putc。再封两个接口:kprintf 传串口的 putc、kdebugf 传 debugcon 的 putc。

第三块,format.cpp。写 format_decimal(注意 INT64_MIN 特判,否则 -value 溢出)、format_hex(大小写、去前导零)、format_binary(跳过高位的 0)。单独编一个静态库。

第四块,host 单测。写 test/unit/test_kprintf_format.cpp,直接 include format.h、把 format.cpp 跟测试一起用 host g++ + -DCINUX_HOST_TEST 编,用自研 TEST/ASSERT_EQ 断言各种边界(0、正负、INT64_MIN/MAX、hex 全数字、binary 去前导零)。注册到 CTest。

第五块,QEMU 内核测试。构造一个和量产内核同编译选项的 mini_kernel_test 目标(换测试用 main、加 C++ 运行时测试),测完往端口 0xf4 写双字退出。

接口约束

这些得自己保证对、lab 不给现成代码:

• 串口:COM1 基址 0x3F8;寄存器偏移 RBR/THR=0、IER=1、FCR=2、LCR=3、MCR=4、LSR=5;LSR 位 TX_READY=0x20(bit5)、RX_READY=0x01(bit0);init 用 LCR=0x03/FCR=0xC7/MCR=0x03。
• kprintf:第一参数走 va_list;格式串里 % 后可选 0 和十进制宽度;%p 要带 0x 前缀;未知 %X 原样吐出 % 加该字符。
• format 签名:int format_decimal(int64_t, char*, int)、int format_hex(uint64_t, char*, int, bool lowercase)、int format_binary(uint64_t, char*, int),返回写入字符数(不含 \0)。
• 内核测试退出:往端口 0xf4 outl 一个双字,QEMU 用其值退出;退出码 0 = 全过。
• 风格:轮询、无中断(IER=0);这是输出通道,收/中断是后面的事。

验证步骤

host 单测(第一道,快):

cmake --build build --target test_host

QEMU 内核测试(第二道):

cmake --build build --target run-kernel-test

串口应依次出现 === kprintf Test ===、=== C++ Runtime Tests === 的 [RUN]/[PASS]、最后 === All tests completed ===,QEMU 以退出码 0 退出。

一次跑全套:

cmake --build build --target test   # 先 host,后 kernel

量产内核看效果:make run,串口打印 Cinux Mini Kernel v0.1.0 + BootInfo + E820 内存图逐条 dump。

常见故障

串口满屏乱码、能看出有字符在发但全是垃圾。多半是 LCR/Baud 配置和 QEMU 默认(115200 8N1)对不上。先发个固定 A 看终端收不收得到对的。

每换行就往右错位、呈阶梯状。puts 漏了 \n 前补 \r。

打印大负数(比如 INT64_MIN)得到错值。format_decimal 没特判 INT64_MIN,-value 溢出。host 单测一条就能抓出来——这正是单测存在的意义。

改了格式化代码、host 测试却没覆盖到新行为。给 format.cpp 的每条新逻辑都补一条 host 断言;别只靠 QEMU 跑(慢、覆盖不到边界)。

内核测试里全局对象的构造没跑(全局构造测试挂)。linker.ld 没用 KEEP(*(.init_array)),.init_array 被链接器裁了。补上 KEEP。

QEMU 内核测试跑完不退出、卡在 hlt。没接 isa-debug-exit,或没往 0xf4 写。确认 qemu 启动参数带 isa-debug-exit 设备、测试末尾 outl $0xf4。

通过标准

• test_host 全过(format_* 边界覆盖)。
• run-kernel-test 串口出现完整测试序列,退出码 0。
• 量产内核 make run 能在串口看到 Cinux Mini Kernel 和 E820 dump。
• 全程轮询、无中断;没碰 PMM/堆——那是 Lab 006 的事。