os/bootloader/docs/USER_GUIDE.md

902 lines
23 KiB
Markdown
Raw Permalink Normal View History

# NOS Bootloader 使用指南
本指南提供NOS引导加载程序主要功能的完整使用示例和最佳实践帮助开发者快速上手并避免常见陷阱。
## 目录
- [快速开始](#快速开始)
- [基本使用](#基本使用)
- [高级功能](#高级功能)
- [最佳实践](#最佳实践)
- [常见陷阱](#常见陷阱)
- [故障排除](#故障排除)
- [性能优化](#性能优化)
## 快速开始
### 环境准备
确保您的开发环境已安装以下工具:
```bash
# 安装Rust工具链
rustup update stable
rustup component add rust-src
# 安装目标平台
rustup target add x86_64-unknown-uefi
rustup target add aarch64-unknown-uefi
rustup target add riscv64-unknown-uefi
# 安装构建工具
cargo install cargo-binutils
rustup component add llvm-tools-preview
```
### 构建引导加载程序
```bash
# 构建x86_64 UEFI版本
cargo build --release --target x86_64-unknown-uefi
# 构建AArch64 UEFI版本
cargo build --release --target aarch64-unknown-uefi
# 构建RISC-V UEFI版本
cargo build --release --target riscv64-unknown-uefi
```
### 基本引导流程
```rust
use nos_bootloader::application::BootApplicationService;
use nos_bootloader::protocol::BootProtocolType;
use nos_bootloader::utils::error::Result;
fn main() -> Result<()> {
// 创建引导应用服务
let mut service = BootApplicationService::new(BootProtocolType::Uefi)?;
// 执行完整引导序列
let boot_info = service.boot_system(Some("quiet splash"))?;
println!("引导完成,内核地址: {:#x}", boot_info.kernel_address);
Ok(())
}
```
## 基本使用
### 内存管理
#### 使用双级分配器
```rust
use nos_bootloader::core::allocator::DualLevelAllocator;
use nos_bootloader::domain::boot_config::MemoryRegion;
fn example_memory_allocation() -> Result<()> {
// 创建分配器
let allocator = DualLevelAllocator::new();
// 检查内存状态
println!("已分配: {} 字节", allocator.allocated());
println!("剩余: {} 字节", allocator.free());
println!("利用率: {:.1}%", allocator.utilization());
// 分配小内存块(使用空闲列表)
let layout = core::alloc::Layout::new::<u32>();
let small_ptr = unsafe { allocator.alloc(layout) };
// 分配大内存块使用bump分配器
let large_layout = core::alloc::Layout::from_size_align(1024, 64)?;
let large_ptr = unsafe { allocator.alloc(large_layout) };
// 使用内存...
// 释放小内存块(重用)
unsafe {
allocator.dealloc(small_ptr, layout);
}
// 大内存块不释放bump分配器特性
Ok(())
}
```
#### 内存区域管理
```rust
use nos_bootloader::domain::boot_config::{MemoryRegion, MemoryRegionType};
fn example_memory_regions() -> Result<()> {
// 创建可用内存区域
let available = MemoryRegion::new(0x100000, 0x1000000, MemoryRegionType::Available)?;
// 创建保留内存区域
let reserved = MemoryRegion::new(0xA0000, 0xC0000, MemoryRegionType::Reserved)?;
// 检查区域属性
println!("可用区域大小: {} 字节", available.size());
println!("是否可用: {}", available.is_available());
// 检查重叠
if available.overlaps(&reserved) {
println!("警告:内存区域重叠!");
}
// 检查地址包含
let test_addr = 0x200000;
if available.contains(test_addr) {
println!("地址 {:#x} 在可用区域内", test_addr);
}
Ok(())
}
```
### 图形渲染
#### 基本图形操作
```rust
use nos_bootloader::graphics::{GraphicsRenderer, FramebufferInfo, Color};
fn example_basic_graphics() -> Result<()> {
// 创建帧缓冲区信息
let fb_info = FramebufferInfo::new(
0xE0000000, // 帧缓冲区地址
1024, // 宽度
768, // 高度
4096, // 扫描线字节
32 // 色深
);
// 创建图形渲染器
let mut renderer = GraphicsRenderer::new_with_double_buffer(fb_info)?;
// 初始化帧缓冲区
renderer.initialize_framebuffer()?;
// 清屏为深蓝色
renderer.clear_screen(Color::rgb(0, 51, 102))?;
// 绘制白色矩形
renderer.draw_filled_rect(100, 100, 200, 150, Color::white())?;
// 绘制红色边框
renderer.draw_h_line(100, 100, 200, Color::red())?;
renderer.draw_h_line(100, 250, 200, Color::red())?;
renderer.draw_v_line(100, 100, 150, Color::red())?;
renderer.draw_v_line(300, 100, 150, Color::red())?;
// 绘制像素点
for i in 0..100 {
let x = 150 + (i as i32 * 2).cos() as u32 * 50;
let y = 175 + (i as i32 * 2).sin() as u32 * 50;
renderer.draw_pixel(x, y, Color::yellow())?;
}
Ok(())
}
```
#### 双缓冲渲染
```rust
use nos_bootloader::graphics::{GraphicsRenderer, FramebufferInfo, Color};
fn example_double_buffering() -> Result<()> {
let fb_info = FramebufferInfo::new(0xE0000000, 1024, 768, 4096, 32);
let mut renderer = GraphicsRenderer::new_with_double_buffer(fb_info)?;
// 初始化
renderer.initialize_framebuffer()?;
// 启用脏区域跟踪
renderer.set_dirty_tracking(true);
// 动画循环示例
for frame in 0..100 {
// 开始渲染会话
renderer.begin_render()?;
// 清屏
renderer.clear_screen(Color::rgb(0, 51, 102))?;
// 绘制移动的矩形
let x = (frame * 5) % 800;
let y = 200;
renderer.draw_filled_rect(x, y, 100, 50, Color::green())?;
// 结束渲染会话
renderer.end_render()?;
// 交换缓冲区(只更新脏区域)
renderer.swap_buffers()?;
// 短暂延迟(实际引导加载程序中可能不需要)
// delay_ms(16);
}
Ok(())
}
```
#### 批量像素绘制
```rust
use nos_bootloader::graphics::{GraphicsRenderer, FramebufferInfo, Color};
fn example_batch_drawing() -> Result<()> {
let fb_info = FramebufferInfo::new(0xE0000000, 1024, 768, 4096, 32);
let mut renderer = GraphicsRenderer::new_with_double_buffer(fb_info)?;
renderer.initialize_framebuffer()?;
renderer.begin_render()?;
// 创建像素数组
let mut pixels = Vec::new();
// 生成随机点
for i in 0..1000 {
let x = (i * 137) % 1024; // 伪随机分布
let y = (i * 89) % 768;
let color = Color::rgb(
((i * 13) % 256) as u8,
((i * 17) % 256) as u8,
((i * 23) % 256) as u8,
);
pixels.push((x, y, color));
}
// 批量绘制像素
renderer.draw_pixels_batch(&pixels)?;
renderer.end_render()?;
renderer.swap_buffers()?;
Ok(())
}
```
### VBE图形模式
#### VBE模式设置
```rust
use nos_bootloader::graphics::vbe::{VbeController, VbeGraphicsManager};
fn example_vbe_modes() -> Result<()> {
// 创建VBE控制器
let mut controller = VbeController::new();
// 初始化控制器
controller.initialize()?;
// 列出所有支持的模式
let modes = controller.get_supported_modes();
println!("支持的VBE模式数量: {}", modes.len());
// 查找最佳模式
if let Some(mode) = controller.find_best_mode(1920, 1080, 32) {
println!("找到最佳模式: 0x{:04X}", mode);
} else {
println!("未找到1920x1080x32模式");
}
// 设置图形模式
let mut graphics_manager = VbeGraphicsManager::new();
graphics_manager.initialize()?;
let fb_info = graphics_manager.set_mode(1024, 768, 32)?;
println!("帧缓冲区地址: {:#X}", fb_info.address);
println!("分辨率: {}x{}", fb_info.width, fb_info.height);
Ok(())
}
```
### 引导菜单
#### 创建自定义菜单
```rust
use nos_bootloader::boot_menu::{BootMenu, UIMode, MenuOption};
fn example_custom_menu() -> Result<()> {
// 创建图形模式菜单
let mut menu = BootMenu::new(UIMode::Graphical);
// 初始化菜单
menu.initialize()?;
// 添加自定义选项
menu.add_option(MenuOption::new(1, "正常启动", "启动NOS操作系统"))?;
menu.add_option(MenuOption::new(2, "安全模式", "以最小驱动启动"))?;
menu.add_option(MenuOption::new(3, "恢复模式", "进入系统恢复"))?;
// 添加带回调的选项
let debug_option = MenuOption::with_callback(
4,
"调试模式",
"启用详细调试信息",
|| {
println!("进入调试模式");
// 设置调试标志
// enable_debug_mode();
Ok(())
}
);
menu.add_option(debug_option)?;
// 处理用户输入
loop {
// 渲染菜单(需要图形渲染器)
// menu.render_graphical(&mut renderer)?;
// 等待输入
// let key = wait_for_input();
// 处理输入
// if let Some(selected_id) = menu.process_input(key) {
// match selected_id {
// 1 => { /* 正常启动 */ }
// 2 => { /* 安全模式 */ }
// 3 => { /* 恢复模式 */ }
// 4 => { /* 调试模式 */ }
// _ => {}
// }
// break;
// }
break; // 示例中直接退出
}
Ok(())
}
```
#### 文本模式菜单
```rust
use nos_bootloader::boot_menu::{BootMenu, UIMode};
fn example_text_menu() -> Result<()> {
let mut menu = BootMenu::new(UIMode::Text);
menu.initialize()?;
// 渲染文本菜单
menu.render_text()?;
// 模拟用户选择
let selected_id = menu.process_input(b'\n'); // 模拟回车键
if let Some(id) = selected_id {
println!("用户选择了选项: {}", id);
// 执行相应操作
match id {
1 => println!("启动内核..."),
2 => println!("运行诊断..."),
3 => println!("进入恢复模式..."),
_ => println!("未知选项"),
}
}
Ok(())
}
```
## 高级功能
### 硬件检测
#### CPU特性检测
```rust
use nos_bootloader::infrastructure::HardwareDetectionService;
fn example_cpu_detection() -> Result<()> {
// 获取硬件检测服务
let hw_service = create_hardware_detection_service(BootProtocolType::Uefi)?;
// 检测硬件
let hw_info = hw_service.detect_hardware()?;
// 显示CPU信息
println!("CPU型号: {}", hw_info.cpu.model);
println!("CPU频率: {} MHz", hw_info.cpu.frequency_mhz);
println!("核心数: {}", hw_info.cpu.cores);
println!("线程数: {}", hw_info.cpu.threads);
// 检查CPU特性
if hw_info.cpu.features.has_sse2() {
println!("支持SSE2");
}
if hw_info.cpu.features.has_avx2() {
println!("支持AVX2");
}
if hw_info.cpu.features.has_long_mode() {
println!("支持64位长模式");
}
Ok(())
}
```
#### 内存检测
```rust
use nos_bootloader::infrastructure::HardwareDetectionService;
fn example_memory_detection() -> Result<()> {
let hw_service = create_hardware_detection_service(BootProtocolType::Uefi)?;
let hw_info = hw_service.detect_hardware()?;
// 显示内存信息
println!("总内存: {} MB", hw_info.total_memory / (1024 * 1024));
println!("可用内存: {} MB", hw_info.available_memory / (1024 * 1024));
// 遍历内存区域
for region in &hw_info.memory_regions {
println!("区域: {:#X}-{:#X} ({:?})",
region.start,
region.end,
region.region_type);
if region.is_available() {
println!(" 大小: {} MB", region.size() / (1024 * 1024));
}
}
Ok(())
}
```
### 引导配置
#### 自定义配置
```rust
use nos_bootloader::domain::boot_config::{BootConfig, GraphicsMode, LogLevel};
fn example_custom_config() -> Result<()> {
// 创建自定义配置
let mut config = BootConfig::new();
// 设置日志级别
config.verbosity = LogLevel::Verbose;
// 启用功能
config.enable_post = true;
config.enable_paging = true;
config.enable_memory_check = true;
config.enable_device_detect = true;
// 设置图形模式
config.graphics_mode = Some(GraphicsMode::new(1920, 1080, 32)?);
// 设置内核路径
let kernel_path = b"/EFI/NOS/kernel.efi";
config.kernel_path = Some([0u8; 256]);
if let Some(ref mut path) = config.kernel_path {
path[..kernel_path.len()].copy_from_slice(kernel_path);
config.kernel_path_len = kernel_path.len();
}
// 设置命令行
let cmdline = b"quiet splash root=/dev/sda2";
config.cmdline = Some([0u8; 512]);
if let Some(ref mut cmd) = config.cmdline {
cmd[..cmdline.len()].copy_from_slice(cmdline);
config.cmdline_len = cmdline.len();
}
// 验证配置
config.validate()?;
println!("配置验证通过");
println!("图形模式: {:?}", config.graphics_mode);
println!("日志级别: {:?}", config.verbosity);
Ok(())
}
```
### 事件系统
#### 事件订阅
```rust
use nos_bootloader::domain::events::{DomainEventPublisher, SimpleEventPublisher, LoggingSubscriber};
fn example_event_system() -> Result<()> {
// 创建事件发布器
let mut publisher = SimpleEventPublisher::new();
// 创建日志订阅者
let logging_subscriber = LoggingSubscriber::new();
// 订阅事件
publisher.subscribe(Box::new(logging_subscriber))?;
// 发布事件
let boot_event = Box::new(BootPhaseStartedEvent::new("initialization"));
publisher.publish(boot_event)?;
let graphics_event = Box::new(GraphicsInitializedEvent::new(1024, 768, 0xE0000000, 4096));
publisher.publish(graphics_event)?;
Ok(())
}
```
#### 自定义事件订阅者
```rust
use nos_bootloader::domain::events::{DomainEvent, DomainEventSubscriber, BootPhaseCompletedEvent};
struct CustomSubscriber;
impl DomainEventSubscriber for CustomSubscriber {
fn handle_event(&self, event: &dyn DomainEvent) -> Result<()> {
match event.event_type() {
"BootPhaseCompleted" => {
if let Some(phase_event) = event.as_any().downcast_ref::<BootPhaseCompletedEvent>() {
println!("引导阶段完成: {}", phase_event.phase());
}
}
"GraphicsInitialized" => {
println!("图形系统初始化完成");
}
_ => {
println!("未知事件类型: {}", event.event_type());
}
}
Ok(())
}
}
```
## 最佳实践
### 内存管理
1. **使用双级分配器**:
```rust
// 好的做法:使用分配器统计信息
let allocator = DualLevelAllocator::new();
if allocator.utilization() > 80.0 {
println!("警告:内存使用率过高");
}
```
2. **小块重用**:
```rust
// 好的做法:小块会自动重用
let layout = Layout::new::<u32>();
let ptr1 = unsafe { allocator.alloc(layout) };
unsafe { allocator.dealloc(ptr1, layout) };
let ptr2 = unsafe { allocator.alloc(layout) }; // 可能重用ptr1的内存
```
3. **避免内存泄漏**:
```rust
// 好的做法:及时释放不需要的内存
let ptr = unsafe { allocator.alloc(layout) };
// 使用ptr...
unsafe { allocator.dealloc(ptr, layout) }; // 及时释放
```
### 图形渲染
1. **使用双缓冲**:
```rust
// 好的做法:始终使用双缓冲避免闪烁
let mut renderer = GraphicsRenderer::new_with_double_buffer(fb_info)?;
renderer.begin_render()?;
// 绘制操作...
renderer.end_render()?;
renderer.swap_buffers()?;
```
2. **启用脏区域跟踪**:
```rust
// 好的做法:启用脏区域跟踪提高性能
renderer.set_dirty_tracking(true);
renderer.begin_render()?;
// 只更新变化区域
renderer.draw_filled_rect(100, 100, 50, 50, Color::red())?;
renderer.end_render()?;
renderer.swap_buffers()?; // 只更新脏区域
```
3. **批量操作**:
```rust
// 好的做法:使用批量操作减少函数调用
let mut pixels = Vec::new();
for i in 0..1000 {
pixels.push((x, y, color));
}
renderer.draw_pixels_batch(&pixels)?;
```
### 错误处理
1. **统一错误处理**:
```rust
// 好的做法使用Result和?操作符
fn boot_system() -> Result<()> {
let config = load_config()?;
let hw_info = detect_hardware()?;
validate_prerequisites(&config, &hw_info)?;
initialize_graphics(&config)?;
Ok(())
}
```
2. **提供有意义的错误信息**:
```rust
// 好的做法:提供详细的错误信息
Err(BootError::HardwareError("VBE控制器初始化失败无法获取控制器信息"))
```
3. **错误恢复**:
```rust
// 好的做法:提供错误恢复机制
match initialize_graphics(&config) {
Ok(_) => Ok(()),
Err(e) => {
println!("图形初始化失败,回退到文本模式: {}", e);
fallback_to_text_mode();
Ok(())
}
}
```
## 常见陷阱
### 内存相关陷阱
1. **忘记对齐**:
```rust
// 错误:未考虑内存对齐
let layout = Layout::from_size_align(15, 1)?; // 15字节1字节对齐
// 正确:使用适当对齐
let layout = Layout::from_size_align(15, 8)?; // 15字节8字节对齐
```
2. **忽略分配失败**:
```rust
// 错误:未检查分配结果
let ptr = unsafe { allocator.alloc(layout) };
*ptr = 42; // 可能空指针解引用
// 正确:检查分配结果
let ptr = unsafe { allocator.alloc(layout) };
if ptr.is_null() {
return Err(BootError::OutOfMemory);
}
```
3. **内存泄漏**:
```rust
// 错误:忘记释放内存
fn process_data() {
let ptr = unsafe { allocator.alloc(layout) };
// 使用ptr但忘记释放
}
// 正确:确保释放内存
fn process_data() {
let ptr = unsafe { allocator.alloc(layout) };
// 使用ptr
unsafe { allocator.dealloc(ptr, layout) };
}
```
### 图形相关陷阱
1. **坐标越界**:
```rust
// 错误:未检查坐标边界
renderer.draw_pixel(2000, 2000, Color::red())?; // 可能越界
// 正确检查坐标或使用安全API
if renderer.point_in_bounds(100, 100) {
renderer.draw_pixel(100, 100, Color::red())?;
}
```
2. **忘记交换缓冲区**:
```rust
// 错误:忘记交换缓冲区
renderer.begin_render()?;
renderer.draw_filled_rect(100, 100, 50, 50, Color::red())?;
renderer.end_render()?;
// 忘记调用swap_buffers(),绘制内容不会显示
// 正确:记得交换缓冲区
renderer.begin_render()?;
renderer.draw_filled_rect(100, 100, 50, 50, Color::red())?;
renderer.end_render()?;
renderer.swap_buffers()?; // 显示绘制内容
```
3. **渲染会话嵌套**:
```rust
// 错误:嵌套渲染会话
renderer.begin_render()?;
draw_complex_shape(&mut renderer)?; // 内部也调用了begin_render()
renderer.end_render()?;
// 正确:避免嵌套或检查状态
fn draw_complex_shape(renderer: &mut GraphicsRenderer) -> Result<()> {
if !renderer.is_rendering() {
renderer.begin_render()?;
// 绘制操作...
renderer.end_render()?;
renderer.swap_buffers()?;
}
Ok(())
}
```
### 配置相关陷阱
1. **未验证配置**:
```rust
// 错误:未验证配置
let mut config = BootConfig::new();
config.graphics_mode = Some(GraphicsMode::new(10000, 10000, 32)?); // 可能无效
// 直接使用未验证的配置
// 正确:验证配置
let mut config = BootConfig::new();
config.graphics_mode = Some(GraphicsMode::new(10000, 10000, 32)?);
config.validate()?; // 验证配置
```
2. **忽略配置依赖**:
```rust
// 错误:忽略配置依赖
config.enable_paging = false;
config.graphics_mode = Some(GraphicsMode::new(1920, 1080, 32)?); // 高分辨率需要分页
// 正确:考虑配置依赖
if config.graphics_mode.is_some() && config.graphics_mode.unwrap().is_high_resolution() {
config.enable_paging = true; // 高分辨率需要分页
}
```
## 故障排除
### 常见问题
1. **引导失败**:
- 检查引导协议是否正确配置
- 验证内核镜像是否存在
- 确认内存布局是否正确
2. **图形问题**:
- 检查VBE/GOP初始化
- 验证帧缓冲区地址
- 确认图形模式是否支持
3. **内存问题**:
- 检查内存分配是否成功
- 验证内存对齐
- 确认没有内存泄漏
### 调试技巧
1. **启用详细日志**:
```rust
let mut config = BootConfig::new();
config.verbosity = LogLevel::Debug; // 启用调试日志
```
2. **使用性能分析**:
```rust
use nos_bootloader::diagnostics::BootTimer;
let timer = BootTimer::new();
// 执行操作...
println!("操作耗时: {:.2} ms", timer.elapsed_ms());
```
3. **内存状态检查**:
```rust
let allocator = DualLevelAllocator::new();
println!("内存使用: {} / {} ({:.1}%)",
allocator.allocated(),
BOOTLOADER_HEAP_SIZE,
allocator.utilization());
```
## 性能优化
### 内存优化
1. **使用适当的数据结构**:
```rust
// 好的做法使用Vec预分配容量
let mut pixels = Vec::with_capacity(1000);
// 好的做法:使用小数组避免堆分配
let small_buffer = [0u8; 64]; // 栈分配
```
2. **减少内存分配**:
```rust
// 好的做法:重用缓冲区
static mut DRAW_BUFFER: [u8; 1024 * 768 * 4] = [0; 1024 * 768 * 4];
fn draw_frame() {
// 使用静态缓冲区避免重复分配
let buffer = unsafe { &mut DRAW_BUFFER };
// 绘制操作...
}
```
### 图形优化
1. **使用SIMD指令**:
```rust
// 好的做法使用SIMD优化的批量操作
renderer.draw_pixels_batch(&pixels)?; // 内部使用SIMD优化
// 好的做法:对齐内存访问
let aligned_data = align_to_64_bytes(data);
```
2. **减少绘制调用**:
```rust
// 好的做法:合并相邻绘制操作
renderer.draw_filled_rect(100, 100, 50, 50, Color::red())?;
renderer.draw_filled_rect(150, 100, 50, 50, Color::red())?;
// 更好的做法:合并为一个矩形
renderer.draw_filled_rect(100, 100, 100, 50, Color::red())?;
```
3. **启用脏区域跟踪**:
```rust
// 好的做法:只更新变化区域
renderer.set_dirty_tracking(true);
renderer.begin_render()?;
// 只绘制变化的部分...
renderer.end_render()?;
renderer.swap_buffers()?; // 只更新脏区域
```
### 算法优化
1. **使用高效算法**:
```rust
// 好的做法使用哈希表O(1)查找
use hashbrown::HashMap;
let mut mode_cache = HashMap::new();
mode_cache.insert(mode_id, mode_info);
let info = mode_cache.get(&mode_id); // O(1)查找
// 避免线性搜索O(n)
// let info = modes.iter().find(|m| m.id == mode_id);
```
2. **避免重复计算**:
```rust
// 好的做法:缓存计算结果
let scanline_bytes = mode.scanline_bytes();
for y in 0..height {
let offset = y * scanline_bytes; // 重用计算结果
// ...
}
```
这个使用指南为NOS引导加载程序提供了全面的使用示例和最佳实践帮助开发者快速上手并避免常见问题。