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使用Rust编写操作系统（二）：最小化内核

 滴水穿石  9751  20 分钟  

使用Rust编写操作系统（二）：最小化内核

这篇文章将基于x86架构（the x86 architecture）；我们是试着使用Rust语言，编写一个最小化内核。我们将从独立式可执行程序开始，构建自己的内核。我们将向显示器打印字符串，最终打包内核为能引导启动的磁盘映像（disk image）。

引导启动

当我们启动电脑时，主板ROM内存储的固件（firmware）将会运行：它将负责电脑的上电自检（power-on self test），可用内存（available RAM）的检测，以及CPU和其它硬件的预加载。这之后，它将寻找一个可引导的存储介质（bootable disk），并开始引导启动其中的内核（kernel）。

x86架构支持两种固件标准：BIOS（Basic Input/Output System）和UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）。其中，BIOS标准显得陈旧而过时，但实现简单，并为1980年代后的所有x86设备所支持；相反地，UEFI更现代化，功能也更全面，但开发和构建更复杂（至少从我的角度看是如此）。

在这篇文章中，我们暂时只提供BIOS固件的引导启动方式。

BIOS启动

几乎所有的x86硬件系统都支持BIOS启动，这也包含新式的、基于UEFI、用模拟BIOS（emulated BIOS）的方式向后兼容的硬件系统。这可以说是一件好事情，因为无论是上世纪还是现在的硬件系统，你都只需编写同样的引导启动逻辑；但这种兼容性有时也是BIOS引导启动最大的缺点，因为这意味着在系统启动前，你的CPU必须先进入一个16位系统兼容的实模式（real mode），这样1980年代古老的引导固件才能够继续使用。

让我们从头开始，理解一遍BIOS启动的过程。

当电脑启动时，主板上特殊的闪存中存储的BIOS固件将被加载。BIOS固件将会上电自检、初始化硬件，然后它将寻找一个可引导的存储介质。如果找到了，那电脑的控制权将被转交给引导程序（bootloader）：一段存储在存储介质的开头的、512字节长度的程序片段。大多数的引导程序长度都大于512字节——所以通常情况下，引导程序都被切分为一段优先启动、长度不超过512字节、存储在介质开头的第一阶段引导程序（first stage bootloader），和一段随后由其加载的、长度可能较长、存储在其它位置的第二阶段引导程序（second stage bootloader）。

引导程序必须决定内核的位置，并将内核加载到内存。引导程序还需要将CPU从16位的实模式，先切换到32位的保护模式（protected mode），最终切换到64位的长模式（long mode）：此时，所有的64位寄存器和整个主内存（main memory）才能被访问。引导程序的第三个作用，是从BIOS查询特定的信息，并将其传递到内核；如查询和传递内存映射表（memory map）。

编写一个引导程序并不是一个简单的任务，因为这需要使用汇编语言，而且必须经过许多意图并不明显的步骤——比如，把一些魔术数字（magic number）写入某个寄存器。因此，我们不会讲解如何编写自己的引导程序，而是推荐bootimage工具——它能够自动而方便地为你的内核准备一个引导程序。

Multiboot标准

每个操作系统都实现自己的引导程序，而这只对单个操作系统有效。为了避免这样的僵局，1995年，自由软件基金会（Free Software Foundation）颁布了一个开源的引导程序标准——Multiboot。这个标准定义了引导程序和操作系统间的统一接口，所以任何适配Multiboot的引导程序，都能用来加载任何同样适配了Multiboot的操作系统。GNU GRUB是一个可供参考的Multiboot实现，它也是最热门的Linux系统引导程序之一。

要编写一款适配Multiboot的内核，我们只需要在内核文件开头，插入被称作Multiboot头（Multiboot header）的数据片段。这让GRUB很容易引导任何操作系统，但是，GRUB和Multiboot标准也有一些可预知的问题：

  1. 它们只支持32位的保护模式。这意味着，在引导之后，你依然需要配置你的CPU，让它切换到64位的长模式；
  2. 它们被设计为精简引导程序，而不是精简内核。举个栗子，内核需要以调整过的默认页长度（default page size）被链接，否则GRUB将无法找到内核的Multiboot头。另一个例子是引导信息（boot information），这个包含着大量与架构有关的数据，会在引导启动时，被直接传到操作系统，而不会经过一层清晰的抽象；
  3. GRUB和Multiboot标准并没有被详细地注释，阅读相关文档需要一定经验；
  4. 为了创建一个能够被引导的磁盘映像，我们在开发时必须安装GRUB：这加大了基于Windows或macOS开发内核的难度。

出于这些考虑，我们决定不使用GRUB或者Multiboot标准。然而，Multiboot支持功能也在bootimage工具的开发计划之中，所以从原理上讲，如果选用bootimage工具，在未来使用GRUB引导你的系统内核是可能的。

最小化内核

现在我们已经明白电脑是如何启动的，那也是时候编写我们自己的内核了。我们的小目标是，创建一个内核的磁盘映像，它能够在启动时，向屏幕输出一行“Hello World!”；我们的工作将基于上一章构建的独立式可执行程序。

如果读者还有印象的话，在上一章，我们使用cargo构建了一个独立的二进制程序；但这个程序依然基于特定的操作系统平台：因平台而异，我们需要定义不同名称的函数，且使用不同的编译指令。这是因为在默认情况下，cargo会为特定的宿主系统（host system）构建源码，比如为你正在运行的系统构建源码。这并不是我们想要的，因为我们的内核不应该基于另一个操作系统——我们想要编写的，就是这个操作系统。确切地说，我们想要的是，编译为一个特定的目标系统（target system）。

安装 Nightly Rust

Rust语言有三个发行频道（release channel），分别是stable、beta和nightly。《Rust程序设计语言》中对这三个频道的区别解释得很详细，可以前往这里看一看。为了搭建一个操作系统，我们需要一些只有nightly会提供的实验性功能，所以我们需要安装一个nightly版本的Rust。

要管理安装好的Rust，我强烈建议使用rustup：它允许你同时安装nightly、beta和stable版本的编译器，而且让更新Rust变得容易。你可以输入rustup override add nightly来选择在当前目录使用nightly版本的Rust。或者，你也可以在项目根目录添加一个名称为rust-toolchain、内容为nightly的文件。要检查你是否已经安装了一个nightly，你可以运行rustc --version：返回的版本号末尾应该包含-nightly。

Nightly版本的编译器允许我们在源码的开头插入特性标签（feature flag），来自由选择并使用大量实验性的功能。举个栗子，要使用实验性的内联汇编（asm!宏），我们可以在main.rs的顶部添加#![feature(asm)]。要注意的是，这样的实验性功能不稳定（unstable），意味着未来的Rust版本可能会修改或移除这些功能，而不会有预先的警告过渡。因此我们只有在绝对必要的时候，才应该使用这些特性。

目标配置清单

通过--target参数，cargo支持不同的目标系统。这个目标系统可以使用一个目标三元组（target triple）来描述，它描述了CPU架构、平台供应者、操作系统和应用程序二进制接口（Application Binary Interface, ABI）。比方说，目标三元组x86_64-unknown-linux-gnu描述一个基于x86_64架构CPU的、没有明确的平台供应者的linux系统，它遵循GNU风格的ABI。Rust支持许多不同的目标三元组，包括安卓系统对应的arm-linux-androideabi和WebAssembly使用的wasm32-unknown-unknown。

为了编写我们的目标系统，鉴于我们需要做一些特殊的配置（比如没有依赖的底层操作系统），已经支持的目标三元组都不能满足我们的要求。幸运的是，只需使用一个JSON文件，Rust便允许我们定义自己的目标系统；这个文件常被称作目标配置清单（target specification）。比如，一个描述x86_64-unknown-linux-gnu目标系统的配置清单大概长这样：

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{
    "llvm-target": "x86_64-unknown-linux-gnu",
    "data-layout": "e-m:e-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128",
    "arch": "x86_64",
    "target-endian": "little",
    "target-pointer-width": "64",
    "target-c-int-width": "32",
    "os": "linux",
    "executables": true,
    "linker-flavor": "gcc",
    "pre-link-args": ["-m64"],
    "morestack": false
}

一个配置清单中包含多个配置项（field）。大多数的配置项都是LLVM需求的，它们将配置为特定平台生成的代码。打个比方，data-layout配置项定义了不同的整数、浮点数、指针类型的长度；另外，还有一些Rust是用作条件变编译的配置项，如target-pointer-width。还有一些类型的配置项，定义了这个包该如何被编译，例如，pre-link-args配置项指定了该向链接器（linker）传入的参数。

我们将把我们的内核编译到x86_64架构，所以我们的配置清单将和上面的例子相似。现在，我们来创建一个名为x86_64-blog_os.json的文件——当然也可以选用自己喜欢的文件名——里面包含这样的内容：

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{
    "llvm-target": "x86_64-unknown-none",
    "data-layout": "e-m:e-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128",
    "arch": "x86_64",
    "target-endian": "little",
    "target-pointer-width": "64",
    "target-c-int-width": "32",
    "os": "none",
    "executables": true,
}

需要注意的是，因为我们要在裸机（bare metal）上运行内核，我们已经修改了llvm-target的内容，并将os配置项的值改为none。

我们还需要添加下面与编译相关的配置项：

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"linker-flavor": "ld.lld",
"linker": "rust-lld",

在这里，我们不使用平台默认提供的链接器，因为它可能不支持Linux目标系统。为了链接我们的内核，我们使用跨平台的LLD链接器（LLD linker），它是和Rust打包发布的。

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"panic-strategy": "abort",

这个配置项的意思是，我们的编译目标不支持panic时的栈展开（stack unwinding），所以我们选择直接在panic时中止（abort on panic）。这和在Cargo.toml文件中添加panic = "abort"选项的作用是相同的，所以我们可以不在这里的配置清单中填写这一项。

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"disable-redzone": true,

我们正在编写一个内核，所以我们应该同时处理中断。要安全地实现这一点，我们必须禁用一个与红区（redzone）有关的栈指针优化：因为此时，这个优化可能会导致栈被破坏。我们撰写了一篇专门的短文，来更详细地解释红区及与其相关的优化。

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"features": "-mmx,-sse,+soft-float",

features配置项被用来启用或禁用某个目标CPU特征（CPU feature）。通过在它们前面添加-号，我们将mmx和sse特征禁用；添加前缀+号，我们启用了soft-float特征。

mmx和sse特征决定了是否支持单指令多数据流（Single Instruction Multiple Data，SIMD）相关指令，这些指令常常能显著地提高程序层面的性能。然而，在内核中使用庞大的SIMD寄存器，可能会造成较大的性能影响：因为每次程序中断时，内核不得不储存整个庞大的SIMD寄存器以备恢复——这意味着，对每个硬件中断或系统调用，完整的SIMD状态必须存到主存中。由于SIMD状态可能相当大（512~1600个字节），而中断可能时常发生，这些额外的存储与恢复操作可能显著地影响效率。为解决这个问题，我们对内核禁用SIMD（但这不意味着禁用内核之上的应用程序的SIMD支持）。

禁用SIMD产生的一个问题是，x86_64架构的浮点数指针运算默认依赖于SIMD寄存器。我们的解决方法是，启用soft-float特征，它将使用基于整数的软件功能，模拟浮点数指针运算。

为了让读者的印象更清晰，我们撰写了一篇关于禁用SIMD的短文。

现在，我们将各个配置项整合在一起。我们的目标配置清单应该长这样：

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{
  "llvm-target": "x86_64-unknown-none",
  "data-layout": "e-m:e-i64:64-f80:128-n8:16:32:64-S128",
  "arch": "x86_64",
  "target-endian": "little",
  "target-pointer-width": "64",
  "target-c-int-width": "32",
  "os": "none",
  "executables": true,
  "linker-flavor": "ld.lld",
  "linker": "rust-lld",
  "panic-strategy": "abort",
  "disable-redzone": true,
  "features": "-mmx,-sse,+soft-float"
}

编译内核

要编译我们的内核，我们将使用Linux系统的编写风格（这可能是LLVM的默认风格）。这意味着，我们需要把前一篇文章中编写的入口点重命名为_start：

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// src/main.rs

#![no_std] // 不链接Rust标准库
#![no_main] // 禁用所有Rust层级的入口点

use core::panic::PanicInfo;

/// 这个函数将在panic时被调用
#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

#[no_mangle] // 不重整函数名
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    // 因为编译器会寻找一个名为`_start`的函数，所以这个函数就是入口点
    // 默认命名为`_start`
    loop {}
}

注意的是，无论你开发使用的是哪类操作系统，你都需要将入口点命名为_start。前一篇文章中编写的Windows系统和macOS对应的入口点不应该被保留。

通过把JSON文件名传入--target选项，我们现在可以开始编译我们的内核。让我们试试看：

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> cargo build --target x86_64-blog_os.json

error[E0463]: can't find crate for `core`
（或者是下面的错误）
error[E0463]: can't find crate for `compiler_builtins`

哇哦，编译失败了！输出的错误告诉我们，Rust编译器找不到core或者compiler_builtins包；而所有no_std上下文都隐式地链接到这两个包。core包包含基础的Rust类型，如Result、Option和迭代器等；compiler_builtins包提供LLVM需要的许多底层操作，比如memcpy。

通常状况下，core库以预编译库（precompiled library）的形式与Rust编译器一同发布——这时，core库只对支持的宿主系统有效，而我们自定义的目标系统无效。如果我们想为其它系统编译代码，我们需要为这些系统重新编译整个core库。

Cargo xbuild

这就是为什么我们需要cargo xbuild工具。这个工具封装了cargo build；但不同的是，它将自动交叉编译core库和一些编译器内建库（compiler built-in libraries）。我们可以用下面的命令安装它：

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cargo install cargo-xbuild

这个工具依赖于Rust的源代码；我们可以使用rustup component add rust-src来安装源代码。

现在我们可以使用xbuild代替build重新编译：

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> cargo xbuild --target x86_64-blog_os.json
   Compiling core v0.0.0 (/…/rust/src/libcore)
   Compiling compiler_builtins v0.1.5
   Compiling rustc-std-workspace-core v1.0.0 (/…/rust/src/tools/rustc-std-workspace-core)
   Compiling alloc v0.0.0 (/tmp/xargo.PB7fj9KZJhAI)
    Finished release [optimized + debuginfo] target(s) in 45.18s
   Compiling blog_os v0.1.0 (file:///…/blog_os)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.29 secs

我们能看到，cargo xbuild为我们自定义的目标交叉编译了core、compiler_builtin和alloc三个部件。这些部件使用了大量的不稳定特性（unstable features），所以只能在nightly版本的Rust编译器中工作。这之后，cargo xbuild成功地编译了我们的blog_os包。

现在我们可以为裸机编译内核了；但是，我们提供给引导程序的入口点_start函数还是空的。我们可以添加一些东西进去，不过我们可以先做一些优化工作。

设置默认目标

为了避免每次使用cargo xbuild时传递--target参数，我们可以覆写默认的编译目标。我们创建一个名为.cargo/config的cargo配置文件，添加下面的内容：

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# in .cargo/config

[build]
target = "x86_64-blog_os.json"

这里的配置告诉cargo在没有显式声明目标的情况下，使用我们提供的x86_64-blog_os.json作为目标配置。这意味着保存后，我们可以直接使用：

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cargo xbuild

来编译我们的内核。官方提供的一份文档中有对cargo配置文件更详细的说明。

向屏幕打印字符

要做到这一步，最简单的方式是写入VGA字符缓冲区（VGA text buffer）：这是一段映射到VGA硬件的特殊内存片段，包含着显示在屏幕上的内容。通常情况下，它能够存储25行、80列共2000个字符单元（character cell）；每个字符单元能够显示一个ASCII字符，也能设置这个字符的前景色（foreground color）和背景色（background color）。输出到屏幕的字符大概长这样：

字符

我们将在下篇文章中详细讨论VGA字符缓冲区的内存布局；目前我们只需要知道，这段缓冲区的地址是0xb8000，且每个字符单元包含一个ASCII码字节和一个颜色字节。

我们的实现就像这样：

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static HELLO: &[u8] = b"Hello World!";

#[no_mangle]
pub extern "C" fn _start() -> ! {
    let vga_buffer = 0xb8000 as *mut u8;

    for (i, &byte) in HELLO.iter().enumerate() {
        unsafe {
            *vga_buffer.offset(i as isize * 2) = byte;
            *vga_buffer.offset(i as isize * 2 + 1) = 0xb;
        }
    }

    loop {}
}

在这段代码中，我们预先定义了一个字节串（byte string）类型的静态变量（static variable），名为HELLO。我们首先将整数0xb8000转换（cast）为一个裸指针（raw pointer）。这之后，我们迭代HELLO的每个字节，使用enumerate获得一个额外的序号变量i。在for语句的循环体中，我们使用offset偏移裸指针，解引用它，来将字符串的每个字节和对应的颜色字节——0xb代表淡青色——写入内存位置。

要注意的是，所有的裸指针内存操作都被一个unsafe语句块（unsafe block）包围。这是因为，此时编译器不能确保我们创建的裸指针是有效的；一个裸指针可能指向任何一个你内存位置；直接解引用并写入它，也许会损坏正常的数据。使用unsafe语句块时，程序员其实在告诉编译器，自己保证语句块内的操作是有效的。事实上，unsafe语句块并不会关闭Rust的安全检查机制；它允许你多做的事情只有四件。

使用unsafe语句块要求程序员有足够的自信，所以必须强调的一点是，肆意使用unsafe语句块并不是Rust编程的一贯方式。在缺乏足够经验的前提下，直接在unsafe语句块内操作裸指针，非常容易把事情弄得很糟糕；比如，在不注意的情况下，我们很可能会意外地操作缓冲区以外的内存。

在这样的前提下，我们希望最小化unsafe语句块的使用。使用Rust语言，我们能够将不安全操作将包装为一个安全的抽象模块。举个栗子，我们可以创建一个VGA缓冲区类型，把所有的不安全语句封装起来，来确保从类型外部操作时，无法写出不安全的代码：通过这种方式，我们只需要最少的unsafe语句块来确保我们不破坏内存安全（memory safety）。在下一篇文章中，我们将会创建这样的VGA缓冲区封装。

启动内核

既然我们已经有了一个能够打印字符的可执行程序，是时候把它运行起来试试看了。首先，我们将编译完毕的内核与引导程序链接，来创建一个引导映像；这之后，我们可以在QEMU虚拟机中运行它，或者通过U盘在真机上运行。

创建引导映像

要将可执行程序转换为可引导的映像（bootable disk image），我们需要把它和引导程序链接。这里，引导程序将负责初始化CPU并加载我们的内核。

编写引导程序并不容易，所以我们不编写自己的引导程序，而是使用已有的bootloader包；无需依赖于C语言，这个包基于Rust代码和内联汇编，实现了一个五脏俱全的BIOS引导程序。为了用它启动我们的内核，我们需要将它添加为一个依赖项，在Cargo.toml中添加下面的代码：

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# in Cargo.toml

[dependencies]
bootloader = "0.6.0"

只添加引导程序为依赖项，并不足以创建一个可引导的磁盘映像；我们还需要内核编译完成之后，将内核和引导程序组合在一起。然而，截至目前，原生的cargo并不支持在编译完成后添加其它步骤（详见这个issue）。

为了解决这个问题，我们建议使用bootimage工具——它将会在内核编译完毕后，将它和引导程序组合在一起，最终创建一个能够引导的磁盘映像。我们可以使用下面的命令来安装这款工具：

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cargo install bootimage --version "^0.7.3"

参数^0.7.3是一个脱字号条件（caret requirement），它的意义是“0.7.3版本或一个兼容0.7.3的新版本”。这意味着，如果这款工具发布了修复bug的版本0.7.4或0.7.5，cargo将会自动选择最新的版本，因为它依然兼容0.7.x；但cargo不会选择0.8.0，因为这个版本被认为并不和0.7.x系列版本兼容。需要注意的是，Cargo.toml中定义的依赖包版本都默认是脱字号条件：刚才我们指定bootloader包的版本时，遵循的就是这个原则。

为了运行bootimage以及编译引导程序，我们需要安装rustup模块llvm-tools-preview——我们可以使用rustup component add llvm-tools-preview来安装这个工具。

成功安装bootimage后，创建一个可引导的磁盘映像就变得相当容易。我们来输入下面的命令：

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> cargo bootimage

可以看到的是，bootimage工具开始使用cargo xbuild编译你的内核，所以它将增量编译我们修改后的源码。在这之后，它会编译内核的引导程序，这可能将花费一定的时间；但和所有其它依赖包相似的是，在首次编译后，产生的二进制文件将被缓存下来——这将显著地加速后续的编译过程。最终，bootimage将把内核和引导程序组合为一个可引导的磁盘映像。

运行这行命令之后，我们应该能在target/x86_64-blog_os/debug目录内找到我们的映像文件bootimage-blog_os.bin。我们可以在虚拟机内启动它，也可以刻录到U盘上以便在真机上启动。（需要注意的是，因为文件格式不同，这里的bin文件并不是一个光驱映像，所以将它刻录到光盘不会起作用。）

事实上，在这行命令背后，bootimage工具执行了三个步骤：

  1. 编译我们的内核为一个ELF（Executable and Linkable Format）文件；
  2. 编译引导程序为独立的可执行文件；
  3. 将内核ELF文件按字节拼接（append by bytes）到引导程序的末端。

当机器启动时，引导程序将会读取并解析拼接在其后的ELF文件。这之后，它将把程序片段映射到分页表（page table）中的虚拟地址（virtual address），清零BSS段（BSS segment），还将创建一个栈。最终它将读取入口点地址（entry point address）——我们程序中_start函数的位置——并跳转到这个位置。

在QEMU中启动内核

现在我们可以在虚拟机中启动内核了。为了在QEMU中启动内核，我们使用下面的命令：

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> qemu-system-x86_64 -drive format=raw,file=bootimage-blog_os.bin

qemu的显示内容

我们可以看到，屏幕窗口已经显示出“Hello World!”字符串。祝贺你！

在真机上运行内核

我们也可以使用dd工具把内核写入U盘，以便在真机上启动。可以输入下面的命令：

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> dd if=target/x86_64-blog_os/debug/bootimage-blog_os.bin of=/dev/sdX && sync

在这里，sdX是U盘的设备名（device name）。请注意，在选择设备名的时候一定要极其小心，因为目标设备上已有的数据将全部被擦除。

写入到U盘之后，你可以在真机上通过引导启动你的系统。视情况而定，你可能需要在BIOS中打开特殊的启动菜单，或者调整启动顺序。需要注意的是，bootloader包暂时不支持UEFI，所以我们并不能在UEFI机器上启动。

使用cargo run

要让在QEMU中运行内核更轻松，我们可以设置在cargo配置文件中设置runner配置项：

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# in .cargo/config

[target.'cfg(target_os = "none")']
runner = "bootimage runner"

在这里，target.'cfg(target_os = "none")'筛选了三元组中宿主系统设置为"none"的所有编译目标——这将包含我们的x86_64-blog_os.json目标。另外，runner的值规定了运行cargo run使用的命令；这个命令将在成功编译后执行，而且会传递可执行文件的路径为第一个参数。官方提供的cargo文档讲述了更多的细节。

命令bootimage runner由bootimage包提供，参数格式经过特殊设计，可以用于runner命令。它将给定的可执行文件与项目的引导程序依赖项链接，然后在QEMU中启动它。bootimage包的README文档提供了更多细节和可以传入的配置参数。

现在我们可以使用cargo xrun来编译内核并在QEMU中启动了。和xbuild类似，xrun子命令将在调用cargo命令前编译内核所需的包。这个子命令也由cargo-xbuild工具提供，所以你不需要安装额外的工具。

下篇预告

在下篇文章中，我们将细致地探索VGA字符缓冲区，并包装它为一个安全的接口。我们还将基于它实现println!宏。

updatedupdated2024-08-252024-08-25

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