Lab 012 · 用户态拿到事件、画到屏幕

对应 document/book/08-filesystem/012-userspace-device-interfaces.md。验证档 A 档:这一章交付的是「用户态能 read /dev/event0 拿事件、能 mmap /dev/fb0 画像素」。核心机制靠源码阅读 + host 纯逻辑测罩(队列算术、字段填充、边界检查),端到端链路靠 kernel 内测 smoke(/fb_mmap_test + /input_event_test,test kernel 重挂了 /dev 并初始化了测试 framebuffer)+ make run 起真内核冒烟(真 VBE + 真鼠标键盘)。

目标

确认六件事:

/dev/event0 是 InodeOps 子类:InputEventDeviceOps 只 override read/poll_events/poll_detach_waiter,基类接口一行不动;
双生产者逼出 Spinlock:InputEventDevice 自带 RingBuffer<Event,128> + Spinlock(不复用 GUI 的 SPSC EventQueue);同一把锁兼任 prepare_to_wait 的 waiter-lock;
/dev/fb0 的 mmap 只回物理地址:FramebufferDevOps::mmap 校验越界后 return fb->phys_base() + offset,不建 PTE;
IoPhys VMA + page-fault 落 uncached PTE:device mmap 给 VMA 打 IoPhys + 存 phys_base,用户态首次写触发 #PF,page_fault.cpp 的 IoPhys 分支 map_nolock + FLAG_PCD(不调 PMM);fork/execve 对 FLAG_PCD 跳 CoW;
ioctl(FBIOGET_SCREENINFO) 回 4 字段:width/height/pitch/bpp=32,copy_to_user 直写 user arg(不是 staging);
boot 真挂两个节点 + test kernel 也挂:make run 见 [DEVFS] mounted,ls /dev 见 event0/fb0;test kernel 在 main_test.cpp:237 也调了 devfs::init()(专为让 /dev/fb0 解析),所以 smoke 能跑。

步骤

1. 源码确认:InodeOps 子类的 override 子集

bash

sed -n '81,88p' kernel/drivers/input/input_event_device.hpp
sed -n '23,29p' kernel/drivers/video/fb_dev.hpp

应看到 InputEventDeviceOps : public InodeOps 只 override read + poll_events + poll_detach_waiter;FramebufferDevOps : public InodeOps 只 override mmap + ioctl。两个子类都没 override write/create/mkdir——那些走基类默认。

确认基类默认:

bash

sed -n '46,59p' kernel/fs/inode.cpp

应看到 InodeOps::ioctl 和 InodeOps::mmap 默认都返 NotImplemented,注释明说 sys_* 会翻成 -ENOTTY/走 file-backed 路径。「/dev/fb0 没有 read 语义」就是基类替你拒掉,不是写了个空 read。

2. 双生产者逼出 Spinlock

bash

sed -n '1,20p' kernel/drivers/input/input_event_device.hpp
sed -n '44,72p' kernel/drivers/input/input_event_device.hpp

头注释应自陈 MPSC 设计决策:「two producers (mouse IRQ12 + keyboard via the GUI listener), so the lock-free SPSC EventQueue used by the GUI cannot be shared here」。class 体里应看到 RingBuffer<Event, kInputEventQueueSize> events_ + Spinlock lock_ + Task* read_waiters_。

确认 mouse.cpp 的 7 处 dual-write:

bash

grep -n "push_event" kernel/drivers/mouse/mouse.cpp

应看到 7 个命中(update_absolute 内 move + 3 down + 3 up),分布在 281/292/301/310/321/330/339,每处都是 g_event_queue_.enqueue(ev) 紧跟 InputEventDevice::instance().push_event(ev)。

确认 keyboard 走 listener(零侵入 keyboard.cpp):

bash

grep -n "push_event\|on_key_event\|register_key_listener" kernel/gui/gui_init.cpp

应看到 on_key_event 里 push + Keyboard::register_key_listener(on_key_event)。keyboard.cpp 本身应零 push_event 命中——driver 不沾 GUI 依赖(§14)。

3. read 路径:memcpy staging + prepare_to_wait

bash

sed -n '52,90p' kernel/drivers/input/input_event_device.cpp

三个要点逐个核:

count < sizeof(Event) 返 InvalidArgument(evdev 语义);
prepare_to_wait(self) 在 irq_guard 内(自标 Blocked 原子,lost-wakeup 闭合),schedule_blocked() 在锁外(真正切走);
std::memcpy(buf, &ev, sizeof(ev)) 写 staging——不是 copy_to_user(那是坑 1 的现场)。

对照 ioctl 的 arg 是 user pointer:

bash

sed -n '49,67p' kernel/drivers/video/fb_dev.cpp

应看到 copy_to_user(reinterpret_cast<void*>(arg), &info, sizeof(info))——arg 是 syscall 透传的 user pointer,直接 copy_to_user 是对的。read 的 buf 是 kernel staging,ioctl 的 arg 是 user pointer——性质两样。

4. mmap 钩子:只回物理地址

bash

sed -n '35,47p' kernel/drivers/video/fb_dev.cpp
sed -n '17,23p' kernel/drivers/video/framebuffer.cpp
sed -n '95,101p' kernel/drivers/video/framebuffer.hpp

fb_dev.cpp 的 mmap 应只做三件事:拿 system_framebuffer()、越界检查(先 offset > size 再 size - offset,顺序防溢出)、return fb->phys_base() + offset。全函数找不到建 PTE 的代码——这是 demand paging,mmap 是登记意图。

phys_base_ 是 Framebuffer::init 时存的 VBE PhysBasePtr(013 讲过大页映射,本章只消费这个字段)。

5. sys_mmap + page-fault:IoPhys 分支

bash

sed -n '131,143p' kernel/syscall/sys_mmap.cpp
sed -n '181,183p' kernel/syscall/sys_mmap.cpp
sed -n '191,196p' kernel/syscall/sys_mmap.cpp
sed -n '63,68p' kernel/mm/vma.hpp
sed -n '256,283p' kernel/arch/x86_64/page_fault.cpp

sys_mmap 应看到 device probe(inode->ops->mmap 调钩子,NotImplemented 落 file-backed 路径,在 131-143)+ VMA 打 IoPhys 标志(181-183)+ 存 vma->phys_base(191-196,不持 inode ref)。IoPhys = 1 << 7 定义在 vma.hpp。

page_fault.cpp 的 IoPhys 分支应:io_phys = phys_base + (virt_page - vma->start) 算物理地址,flags 带 FLAG_PCD(uncached)+ FLAG_USER + FLAG_WRITABLE + FLAG_NX,map_nolock 落 PTE。不调 PMM、不进 page cache、不 pte_count_inc——设备内存不归 PMM 管。

6. fork/execve 跳 CoW(v1.0.0 已落地)

bash

sed -n '89,94p' kernel/proc/fork.cpp
sed -n '122,123p' kernel/proc/execve.cpp

fork 应看到 if (entry_flags & FLAG_PCD) { dst_table[i].raw = src_table[i].raw; continue; }——IoPhys 页直接共享原物理映射,跳 CoW、跳 pte_count。execve 同款跳过。注释明说「writing the framebuffer must hit the real fb, not a private RAM copy」。

7. ioctl FBIOGET_SCREENINFO

bash

sed -n '23,37p' kernel/drivers/video/fb_dev.hpp
sed -n '27,32p' kernel/drivers/video/fb_dev.cpp
sed -n '49,67p' kernel/drivers/video/fb_dev.cpp

kFbioGetScreenInfo = 0x4600 是 Cinux 自定义常量(数值碰巧和 Linux FBIOGET_VSCREENINFO 一致,struct 布局不同)。FbScreenInfo 只有 4 字段(width/height/pitch/bpp),bpp 写死 32(VBE mode 0x144)。非该 request 返 NotImplemented → -ENOTTY。

8. DevFS 注册(test kernel 也挂)

bash

sed -n '161,172p' kernel/fs/devfs/devfs_init.cpp
sed -n '319,330p' kernel/fs/devfs/devfs.cpp
sed -n '237,238p' kernel/test/main_test.cpp
sed -n '179,186p' kernel/test/main_test.cpp

devfs_init.cpp 应看到 add_node("ptmx") + add_node("fb0")(164)+ add_node("event0")(167)+ block loop,跟 064 的 null/zero/console 同一个 add_node 机制;块设备走 add_block_node(085 讲过);子目录 /dev/pts/<N> 走 set_dynamic_lookup(084 讲过,本章 fb0/event0 是 flat 节点不走那条)。

main_test.cpp 应看到 test kernel 也调 cinux::fs::devfs::init()(注释明说「re-mount /dev (vfs_mount_init cleared it) so /dev/fb0 resolves」),并在 musl_hello_smoke_entry 里 init 了测试 framebuffer——所以 /dev/event0、/dev/fb0 在 test kernel 里都解析得到,smoke 才跑得起来。别照搬 064 那条「test kernel 不挂 /dev」的判据——本章不适用。

9. boot 真挂

bash

sed -n '182,186p' kernel/main.cpp

应看到 Framebuffer fb; fb.init(*boot_info); set_system_framebuffer(&fb);——/dev/fb0 mmap 靠这个 system singleton 解析物理地址。

bash

make run

起 QEMU,boot 序列应打 [BIG] Framebuffer initialised: <W>x<H> <bpp>bpp + [DEVFS] mounted at /dev (<N> nodes)。ls /dev 应见 event0/fb0。

10. kernel 内测 smoke(test kernel 真跑)

bash

sed -n '300,345p' kernel/test/main_test.cpp
sed -n '352,414p' kernel/test/main_test.cpp

应看到两条 smoke:

/fb_mmap_test(300-345):fork+execve 用户态 demo,demo open("/dev/fb0") + ioctl(FBIOGET_SCREENINFO) + mmap + 写读一个像素,验 ioctl + mmap + page-fault IoPhys 全链路。
/input_event_test(352-414):每轮 mock push MouseMove(123,45) + KeyDown('A'),fork+execve demo,demo open("/dev/event0") + read 2 事件,验 type + payload。

dev note 记录两条 smoke 在两腿(单核 + -smp 2)各 5/5 iters PASS。

11. 进阶:写个最小用户态 GUI demo(A 档动手)

骨架,不给答案:

展开代码 (共 36 行)收起代码

// 用户态镜像 Event 布局(字段顺序+类型严格 mirror,padding 自动一致别上 packed)
typedef struct {
    int32_t x, y, dx, dy;
    uint8_t buttons;
    bool left, right, middle;
} MouseEvent;
typedef struct {
    char ascii; uint8_t scancode;
    bool pressed, shift, ctrl, alt;
} KeyEvent;
typedef struct {
    uint8_t type_;   // EventType
    union { MouseEvent mouse; KeyEvent key; };
} Event;   // static_assert(sizeof(Event) == 24)

typedef struct { uint32_t width, height, pitch, bpp; } FbScreenInfo;
#define FBIOGET_SCREENINFO 0x4600   // 必须用 Cinux 这个值,struct 跟 Linux vscreeninfo 不同

int main() {
    // 1. ioctl 拿屏几何
    int ffd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
    FbScreenInfo info;
    ioctl(ffd, FBIOGET_SCREENINFO, &info);
    // 2. mmap 拿到帧缓冲虚拟地址
    uint8_t* fb = mmap(NULL, info.pitch * info.height, PROT_READ|PROT_WRITE,
                       MAP_SHARED, ffd, 0);
    // 3. 画一个红矩形到 fb(0xFFFF0000 = XRGB 红)
    // 4. open /dev/event0 + read 拿鼠标 move 事件
    int efd = open("/dev/event0", O_RDONLY);
    Event ev;
    while (read(efd, &ev, sizeof(ev)) == sizeof(ev)) {
        if (ev.type_ == /* MouseMove */) {
            // 擦旧矩形、按 ev.mouse.x/y 画新矩形
        }
    }
}

验证判据:屏幕真出红矩形 + 矩形跟着鼠标动 = mmap 绑 VMA + read 事件链路全通。

踩坑方向(不给答案,给方向):

Event 字段顺序/类型:用户态 struct 必须 mirror cinux::gui::Event 的字段顺序和类型(MouseEvent: x/y/dx/dy/buttons/left/right/middle;KeyEvent: ascii/scancode/pressed/shift/ctrl/alt)。用 static_assert(sizeof(Event) == 24) + static_assert(offsetof(Event, mouse) == 4) 比对。别上 __attribute__((packed))——会取消 padding 让用户态 sizeof 变 21,跟内核 24 不一致。
mmap 首次写才建 PTE:mmap 返回的虚拟地址,第一次写像素才触发 #PF 落 PTE(demand paging)。别在 mmap 钩子里找建表逻辑。
fork 后子进程写 fb 没反应(进阶):IoPhys VMA 的 PTE 在 fork 时已经跳 CoW(fork.cpp:89-94),所以子进程应该能写屏。如果你跑出子进程写屏没反应,先核 fork 路径的 FLAG_PCD 跳 CoW 是否真生效(本 tag 源码已落地),再核 mmap 的 VMA 是否真打了 IoPhys 标志(sys_mmap.cpp:181-183)。
kFbioGetScreenInfo 必须是 0x4600:用户态 mirror 这个常量,别照搬 Linux FBIOGET_VSCREENINFO 的宏(数值碰巧一致,但 struct 布局不同)。

验收清单

[ ] input_event_device.hpp:81-88 InputEventDevOps 只 override read/poll;fb_dev.hpp:23-29 FramebufferDevOps 只 override mmap/ioctl;inode.cpp:46-59 默认 NotImplemented。
[ ] input_event_device.hpp:44-72 RingBuffer<Event,128> + Spinlock + read_waiters_;头注释自陈 MPSC 决策。
[ ] mouse.cpp 7 处 dual-write(281/292/301/310/321/330/339);gui_init.cpp listener 双写;keyboard.cpp 零 push_event。
[ ] input_event_device.cpp:52-90 read 三要点:count < sizeof EINVAL + prepare_to_wait 锁内 + memcpy staging(非 copy_to_user)。
[ ] fb_dev.cpp:35-47 mmap 只回 phys_base()+offset,不建 PTE;越界检查顺序对(先 offset 后 size-offset)。
[ ] sys_mmap.cpp:181-183 VMA 打 IoPhys;sys_mmap.cpp:191-196 存 vma->phys_base;page_fault.cpp:256-283 IoPhys 分支 map_nolock + FLAG_PCD,不调 PMM。
[ ] fork.cpp:89-94 / execve.cpp:122-123 对 FLAG_PCD 跳 CoW(v1.0.0 已落地)。
[ ] fb_dev.cpp:49-67 ioctl FBIOGET_SCREENINFO 回 4 字段,copy_to_user 直写 arg;kFbioGetScreenInfo=0x4600。
[ ] devfs_init.cpp:164,167 add_node 注册 fb0/event0;main_test.cpp:237 test kernel 也调 devfs::init();make run 见 [DEVFS] mounted,ls /dev 见两节点。
[ ] main_test.cpp:300-345 /fb_mmap_test smoke + main_test.cpp:352-414 /input_event_test smoke。
[ ] A 档 demo:屏幕出红矩形 + 跟着鼠标动。

别做这些

别照搬 064 那条「test kernel 不挂 /dev」判据——本章不适用。test kernel 在 main_test.cpp:237 显式调了 devfs::init()(注释明说为让 /dev/fb0 解析),并在 musl_hello_smoke_entry 里 init 了测试 framebuffer。boot 与 test kernel 的真实差异在「真 VBE vs 测试 framebuffer」,不在「挂不挂 /dev」。要验真 VBE + 真鼠标键盘,还是 make run。
别用 copy_to_user 写 read 的 buf——它是 kernel staging(sys_read 提供),is_user_vaddr 会拒 kernel 地址,返 -EFAULT。用 std::memcpy。对比 /dev/fb0 的 ioctl arg 是真 user pointer,直接 copy_to_user 是对的。
别以为 poll 路径在 QEMU 实跑过——dev note 明说「poll path 未跑机制测(smoke 只 read);用户态 host 用 poll 时再验」。设计到位,实跑待 ring3 host 用 poll 时盖。
别照搬 Linux fb_var_screeninfo 的 struct 布局——Cinux 的 FbScreenInfo 只有 4 字段(width/height/pitch/bpp),数值常量 0x4600 碰巧一致但布局完全不同。用户态必须 mirror Cinux 的 4 字段。
别以为 Event 跟 Linux input_event 一样——它是 Cinux 自己的 cinux::gui::Event(EventType 1 字节 + union),用户态要 mirror 字段顺序和类型。别上 __attribute__((packed))——padding 两边 ABI 自动一致,packed 反而会让 sizeof 变 21 跟内核 24 不一致。
别在 mmap 钩子里找建 PTE 逻辑——那在 page_fault.cpp 的 IoPhys 分支。mmap 钩子只回物理地址,真正建表是用户态首次写触发 #PF 时做的。
别给 IoPhys VMA 走 CoW——设备内存不归 PMM 管,fork 时 FLAG_PCD leaf 已跳 CoW(fork.cpp:89-94,v1.0.0 已落地)。否则父进程写屏被截胡到 RAM 副本,屏幕不更新。
别用 64-bit MMIO 写——QEMU 丢 64-bit 写,helper 名字带 32 就是锁死访问宽度。64-bit 计数器拆两次 32-bit 半读 + rollover 保护。
别把 HPET Config 寄存器当 0x008——它在 0x010(通用寄存器间距 0x10)。0x008 是 reserved 区,写全丢。QEMU hw/timer/hpet.c 的 HPET_CFG 宏是权威。诊断时记一条不对称:对 0x000 的读是对的(能拿 100MHz period),只有对 0x008 的写丢——「读对写错」指向偏移错。

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目标 ​

步骤 ​

1. 源码确认:InodeOps 子类的 override 子集 ​

2. 双生产者逼出 Spinlock ​

3. read 路径:memcpy staging + prepare_to_wait ​

4. mmap 钩子:只回物理地址 ​

5. sys_mmap + page-fault:IoPhys 分支 ​

6. fork/execve 跳 CoW(v1.0.0 已落地) ​

7. ioctl FBIOGET_SCREENINFO ​

8. DevFS 注册(test kernel 也挂) ​

9. boot 真挂 ​

10. kernel 内测 smoke(test kernel 真跑) ​

11. 进阶:写个最小用户态 GUI demo(A 档动手) ​

验收清单 ​

别做这些 ​

Lab 012 · 用户态拿到事件、画到屏幕

目标

步骤

1. 源码确认:InodeOps 子类的 override 子集

2. 双生产者逼出 Spinlock

3. read 路径:memcpy staging + prepare_to_wait

4. mmap 钩子:只回物理地址

5. sys_mmap + page-fault:IoPhys 分支

6. fork/execve 跳 CoW(v1.0.0 已落地)

7. ioctl FBIOGET_SCREENINFO

8. DevFS 注册(test kernel 也挂)

9. boot 真挂

10. kernel 内测 smoke(test kernel 真跑)

11. 进阶:写个最小用户态 GUI demo(A 档动手)

验收清单

别做这些