diag(renaser): trazado por serie del arranque + DMA salta la página 0
1// =============================================================================
2// renaser :: kernel/src/main.rs — el punto de entrada y la orquestacion
3// -----------------------------------------------------------------------------
4// Aqui no nace una terminal: nace una superficie. renaser es un kernel
5// asincrono de Espacio de Direccionamiento Unico (SASOS) que rompe con el
6// paradigma POSIX — sin TTYs, sin archivos planos, sin capas GNU.
7//
8// Este archivo es deliberadamente delgado: solo el arranque y el cableado.
9// Cada subsistema vive en su propio modulo (ver `ARCHITECTURE.md`):
10//
11// grafico — color, framebuffer fisico y lienzo de doble bufer.
12// consola — superficie de texto/imagen; rasteriza glifos con fontdue.
13// baliza — red de seguridad visual; manejadores de panico y de OOM.
14// sync — `CeldaSync`, la celda de inicializacion unica.
15// gdt — GDT + TSS + stack de emergencia del doble fallo.
16// interrupts — IDT, excepciones de CPU e interrupciones de hardware.
17// pic — el par 8259 remapeado y el temporizador (PIT).
18// drivers — descubrimiento de hardware y E/S de disco asincrona por
19// interrupcion: el bus PCI y el virtio-blk (Fases 6.1, 6.2).
20// almacen — el grafo de objetos direccionado por contenido (Fase 6.1c).
21// manifiesto — el Manifiesto de Genesis: que apps nacen del grafo (Fase 7).
22// compositor — el teselado de las ventanas con `mirada-layout` (Fase 8).
23// memory — el heap dinamico del kernel (`#[global_allocator]`).
24// async_system — el reactor cooperativo: ejecutor, tareas, wakers, teclado
25// y el reloj que marca el compas de los fotogramas (Fase 5).
26// texto — rasterizacion de tipografia vectorial (fontdue).
27// wasm — el runtime WebAssembly, la matriz de capacidades y el
28// escudo de combustible que acota el tiempo de cada app.
29// =============================================================================
30
31#![no_std] // Prohibido `std`: bajo nosotros no hay sistema operativo alguno.
32#![no_main] // El punto de entrada lo define el cargador, no la convencion C.
33#![feature(abi_x86_interrupt)] // ABI de las rutinas de excepcion (Fase 2).
34#![feature(alloc_error_handler)] // Manejador propio de agotamiento de heap (Fase 3).
35#![deny(unsafe_op_in_unsafe_fn)] // Cada operacion `unsafe` se justifica explicitamente.
36
37extern crate alloc; // El heap esta vivo: `alloc::*` queda disponible (Fase 3).
38
39use alloc::boxed::Box;
40use alloc::format;
41
42use bootloader_api::config::{BootloaderConfig, Mapping};
43use bootloader_api::info::{FrameBufferInfo, MemoryRegionKind, MemoryRegions, PixelFormat};
44use bootloader_api::{entry_point, BootInfo};
45use spin::{Mutex, Once};
46
47// --- Subsistemas del kernel ---
48mod almacen;
49mod async_system;
50mod baliza;
51mod compositor;
52mod consola;
53mod drivers;
54mod gdt;
55mod grafico;
56mod interrupts;
57mod manifiesto;
58mod memory;
59mod pic;
60mod sync;
61mod texto;
62mod wasm;
63
64// Reexportacion para que los submodulos conserven rutas `crate::` estables.
65pub(crate) use sync::CeldaSync;
66
67use alloc::vec::Vec;
68use core::fmt::Write;
69use core::sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering};
70
71use async_system::executor::Executor;
72use baliza::BALIZA_PANICO;
73use consola::{Consola, CONSOLA};
74use grafico::{
75 codificar, reclamar_memoria_lienzo, Color, Lienzo, Pantalla, ALTO_MAX, ANCHO_MAX,
76};
77
78/// Configuracion que el cargador `bootloader` aplicara antes de cedernos la CPU.
79static CONFIG_ARRANQUE: BootloaderConfig = {
80 let mut config = BootloaderConfig::new_default();
81 // Pedimos la memoria fisica mapeada: cimiento para futuras fases.
82 config.mappings.physical_memory = Some(Mapping::Dynamic);
83 config
84};
85
86// `entry_point!` genera el simbolo `_start`, valida la firma de `kernel_main`
87// y nos transfiere el control con seguridad de tipos.
88entry_point!(kernel_main, config = &CONFIG_ARRANQUE);
89
90/// Detiene la CPU de forma definitiva: `hlt` la duerme hasta una interrupcion.
91pub(crate) fn detener() -> ! {
92 loop {
93 x86_64::instructions::hlt();
94 }
95}
96
97/// Deja una traza por el puerto serie (COM1) — la enruta QEMU a la terminal
98/// donde se ejecuto `cargo run`. Diagnostico barato del arranque: cada hito del
99/// `kernel_main` deja una linea, asi una caida muestra HASTA DONDE llego.
100fn traza(rotulo: &str) {
101 let _ = writeln!(baliza::Serie, "boot :: {rotulo}");
102}
103
104/// FASE 10 :: el molde de una aplicacion para los lanzamientos EN VIVO. Guarda
105/// su bytecode —cacheado en RAM al arrancar, para no volver al disco despues—
106/// y la geometria y la cuota de memoria con que instanciarla.
107struct Plantilla {
108 bytecode: Vec<u8>,
109 nat_ancho: usize,
110 nat_alto: usize,
111 techo: usize,
112}
113
114/// Las plantillas de las apps de genesis. Se fijan una vez, en el arranque;
115/// cada `Alt+N` instancia la siguiente en rotacion.
116static PLANTILLAS: Once<Vec<Plantilla>> = Once::new();
117
118/// El cursor rotatorio sobre `PLANTILLAS`: que app nace en el proximo `Alt+N`.
119static CURSOR_PLANTILLA: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);
120
121/// Tarea cooperativa de una aplicacion WASM. En cada pulso del reloj le concede
122/// un `tick` —un fotograma de trabajo— y cede la CPU hasta el siguiente; entre
123/// medias corren sus vecinas. Si la app falla o agota su combustible, se la
124/// DESALOJA: el compositor tatua su ventana con la baliza y la tarea concluye.
125/// El ejecutor la retira del censo, su memoria se libera, el kernel sigue vivo.
126async fn tarea_aplicacion(mut app: wasm::AplicacionWasm) {
127 loop {
128 async_system::reloj::EsperaFrame::nueva().await;
129 // ¿El compositor pidio cerrar esta ventana (`Alt+Q`)? La tarea concluye
130 // por su propia voluntad: al retornar, `AplicacionWasm` se libera —su
131 // memoria lineal, su combustible, su canal de teclado— y el ejecutor la
132 // retira del censo. Una baja LIMPIA, sin baliza (Fase 10).
133 if compositor::ventana_cerrada(app.indice()) {
134 return;
135 }
136 if let Err(falla) = app.tick() {
137 // El color de la baliza delata la causa: purpura si agoto su tiempo
138 // o aborto, amarillo si reviento su techo de memoria. El compositor
139 // la pinta en el marco actual de la ventana y la marca como muerta.
140 compositor::desalojar(app.indice(), falla.color_baliza());
141 return;
142 }
143 }
144}
145
146/// FASE 8 :: la tarea del compositor. En cada fotograma drena la cola de mandos
147/// que el teclado dejo —ciclar el modo de teselado, mover el foco— y los
148/// aplica. Corre en el reactor cooperativo: el unico contexto donde es seguro
149/// re-teselar el escritorio y recomponer el lienzo desde las caches.
150async fn tarea_compositor() {
151 loop {
152 async_system::reloj::EsperaFrame::nueva().await;
153 compositor::atender_mandos();
154 // FASE 13 :: atender los eventos del raton (clic-para-enfocar y
155 // arrastre de flotantes), y refrescar el puntero si se movio en una
156 // vuelta tranquila en que ninguna app pinto.
157 compositor::atender_raton();
158 compositor::refrescar_puntero();
159 // FASE 10 :: atender las altas en vivo. Por cada `Alt+N` pendiente,
160 // dar a luz una aplicacion nueva — el compositor solo conto la
161 // peticion; instanciar el WASM es trabajo del orquestador.
162 for _ in 0..compositor::partos_pendientes() {
163 lanzar_app();
164 }
165 }
166}
167
168/// FASE 6.2 — la prueba viva de la E/S asincrona. Esta tarea del reactor lee el
169/// sector 0 del disco SIN bloquear: cede la CPU mientras el disco trabaja —las
170/// apps siguen pintando entre tanto— y la IRQ del disco la reanuda cuando el
171/// bloque esta listo. Deja en la consola el resultado y cuantas interrupciones
172/// de disco se atendieron — el testigo de que la E/S por sondeo quedo atras.
173async fn tarea_sonda_disco() {
174 let resultado = drivers::disco::leer_bloques(0, 1).await;
175 let Some(consola) = CONSOLA.get() else {
176 return;
177 };
178 let mut consola = consola.lock();
179 match resultado {
180 Ok(_) => consola.escribir(&format!(
181 "disco :: sonda asincrona OK -- {} IRQ de disco atendidas\n",
182 drivers::disco::pulsos_disco(),
183 )),
184 Err(motivo) => {
185 consola.escribir(&format!("disco :: sonda asincrona fallida -- {motivo}\n"))
186 }
187 }
188 consola.presentar();
189}
190
191/// Da vida a una aplicacion del userspace a partir de su `EntradaApp` del
192/// manifiesto: recupera su bytecode del grafo, lo carga en la ventana `indice`
193/// del escritorio del compositor y despacha la app como tarea cooperativa del
194/// reactor. Si el bytecode falta, esta corrupto, o la carga fracasa, el
195/// compositor desaloja esa ventana — el kernel sigue con las demas.
196fn encender_app(
197 ejecutor: &mut Executor,
198 indice: usize,
199 entrada: &manifiesto::EntradaApp,
200) -> Option<Plantilla> {
201 // El tamaño NATURAL del lienzo de la app —lo que sabe pintar, fijo— lo
202 // dicta su `EntradaApp`; el compositor decide en que marco lo coloca.
203 let natural = manifiesto::region(entrada);
204 // Recuperar el bytecode del grafo. `recuperar` recomputa el hash del
205 // objeto y verifica su integridad: un bytecode corrupto se delata aqui
206 // —y la app se niega, no se instancia un modulo en el que no se confia.
207 let bytecode = match almacen::recuperar(&entrada.bytecode) {
208 Ok(Some(objeto)) => objeto.datos,
209 _ => {
210 compositor::desalojar(indice, Color::DESALOJO);
211 return None;
212 }
213 };
214 // `indice` es la identidad de la app: su ventana en el escritorio del
215 // compositor y su ranura de estado persistido (Fase 7c).
216 match wasm::AplicacionWasm::cargar(
217 &bytecode,
218 natural.ancho,
219 natural.alto,
220 entrada.techo_memoria as usize,
221 indice,
222 ) {
223 Ok(app) => ejecutor.spawn(tarea_aplicacion(app)),
224 Err(_) => compositor::desalojar(indice, Color::DESALOJO),
225 }
226 // FASE 10 :: el bytecode, ya recuperado y verificado, queda como PLANTILLA:
227 // un molde en RAM con que `Alt+N` instanciara copias en vivo, sin volver al
228 // disco —que la E/S por sondeo en mitad del reactor seria un mal vecino—.
229 Some(Plantilla {
230 bytecode,
231 nat_ancho: natural.ancho,
232 nat_alto: natural.alto,
233 techo: entrada.techo_memoria as usize,
234 })
235}
236
237/// FASE 10 :: da a luz una aplicacion EN VIVO. Elige la siguiente plantilla en
238/// rotacion, abre su ventana en el compositor —que le asigna su indice—,
239/// instancia su WASM con ese indice y engendra su tarea en el reactor ya en
240/// marcha. Si la carga falla, la ventana recien nacida se desaloja; el kernel
241/// sigue. La invoca la tarea del compositor al atender un `Alt+N`.
242fn lanzar_app() {
243 let Some(plantillas) = PLANTILLAS.get() else {
244 return;
245 };
246 if plantillas.is_empty() {
247 return;
248 }
249 // El cursor rota sobre las plantillas: cada `Alt+N` engendra la siguiente.
250 let cursor = CURSOR_PLANTILLA.fetch_add(1, Ordering::Relaxed);
251 let plantilla = &plantillas[cursor % plantillas.len()];
252
253 // La ventana nace primero: el compositor le entrega su indice —su
254 // identidad—, que el WASM necesita para hallar su ventana y su canal.
255 let indice = compositor::nacer_ventana(plantilla.nat_ancho, plantilla.nat_alto);
256 match wasm::AplicacionWasm::cargar(
257 &plantilla.bytecode,
258 plantilla.nat_ancho,
259 plantilla.nat_alto,
260 plantilla.techo,
261 indice,
262 ) {
263 // La tarea se ENGENDRA, no se hace `spawn`: el reactor ya corre y el
264 // ejecutor la adoptara en su proxima vuelta (Fase 10).
265 Ok(app) => async_system::executor::engendrar(Box::pin(tarea_aplicacion(app))),
266 Err(_) => compositor::desalojar(indice, Color::DESALOJO),
267 }
268}
269
270/// Escribe una linea en la consola global y la presenta. Atajo para los
271/// informes de arranque; no hace nada si la consola aun no existe.
272fn reportar(linea: &str) {
273 if let Some(consola) = CONSOLA.get() {
274 let mut consola = consola.lock();
275 consola.escribir(linea);
276 consola.escribir("\n");
277 consola.presentar();
278 }
279}
280
281/// FASE 7 :: puebla el userspace DESDE EL GRAFO. Carga el Manifiesto de
282/// Genesis que `boot` sembro en la imagen de disco, lo instala como el
283/// manifiesto VIVO del kernel y, por cada `EntradaApp`, enciende su
284/// aplicacion. Toda falla se reporta a la consola y NO detiene el arranque: el
285/// kernel se levanta con las apps que pueda — o con ninguna, si el grafo no
286/// tiene userspace.
287fn cargar_userspace(ejecutor: &mut Executor, ancho_pantalla: usize, alto_pantalla: usize) {
288 let manifiesto = match manifiesto::cargar() {
289 Ok(Some(m)) => Some(m),
290 // Disco sin manifiesto anclado: `boot` no lo sembro. El kernel se
291 // levanta sin userspace —pero se levanta—; en la practica, ninguna
292 // imagen forjada por `boot` llega aqui sin su Manifiesto de Genesis.
293 Ok(None) => {
294 reportar("manifiesto :: el disco no trae uno -- el kernel se levanta solo");
295 None
296 }
297 Err(motivo) => {
298 reportar(&format!("manifiesto :: carga fallida -- {motivo}"));
299 None
300 }
301 };
302
303 match &manifiesto {
304 Some(m) => reportar(&format!(
305 "manifiesto :: {} apps nacidas del grafo",
306 m.apps.len(),
307 )),
308 None => reportar("manifiesto :: sin userspace -- el kernel se levanta solo"),
309 }
310
311 if let Some(m) = manifiesto {
312 // Instalar el manifiesto VIVO ANTES de instanciar las apps: el `init`
313 // de cada app puede consultar su estado persistido (Fase 7c), y esa
314 // consulta lee del manifiesto vivo.
315 manifiesto::instalar(m.clone());
316
317 // FASE 8 :: fundar el escritorio del compositor — una ventana por app,
318 // con su cache de respaldo y su marco teselado por `mirada-layout`— y
319 // pintar el escenario antes de encender las apps: el teselado se ve
320 // aunque alguna app no llegue a pintar su primer fotograma.
321 let naturales: Vec<(usize, usize)> = m
322 .apps
323 .iter()
324 .map(|e| (e.region_ancho as usize, e.region_alto as usize))
325 .collect();
326 compositor::fundar(ancho_pantalla, alto_pantalla, &naturales);
327 compositor::componer_escenario();
328
329 let mut plantillas: Vec<Plantilla> = Vec::new();
330 for (indice, entrada) in m.apps.iter().enumerate() {
331 if let Some(plantilla) = encender_app(ejecutor, indice, entrada) {
332 plantillas.push(plantilla);
333 }
334 }
335 // FASE 10 :: fijar las plantillas de las apps. A partir de aqui, cada
336 // `Alt+N` instancia una copia viva, en rotacion.
337 PLANTILLAS.call_once(|| plantillas);
338
339 // La tarea del compositor: atiende los mandos del teclado —ciclar el
340 // teselado, mover el foco, cerrar y lanzar apps— en cada fotograma.
341 ejecutor.spawn(tarea_compositor());
342 }
343}
344
345/// Localiza la mayor region de RAM libre que el cargador reporto — la cantera
346/// de la que el DMA del disco tomara sus marcos fisicos.
347fn mayor_region_usable(regiones: &MemoryRegions) -> Option<(u64, u64)> {
348 regiones
349 .iter()
350 .filter(|region| matches!(region.kind, MemoryRegionKind::Usable))
351 .map(|region| (region.start, region.end))
352 .max_by_key(|&(inicio, fin)| fin - inicio)
353}
354
355/// FASE 6.1c — funda el grafo de objetos. Monta el disco virtio-blk, lee o
356/// forja el superbloque, reconstruye el indice recorriendo el log y deja
357/// constancia visual: cuantos sectores tiene el disco, cuantos objetos viven
358/// ya en el grafo y si el arranque encontro —o no— una raiz de la que tirar.
359fn informar_almacen() {
360 // Fundar el almacen ANTES de tomar el cerrojo de la consola: el montaje
361 // del disco hace E/S por sondeo y nada de ello reclama la consola.
362 let resultado = almacen::init();
363 let Some(consola) = CONSOLA.get() else {
364 return;
365 };
366 let mut consola = consola.lock();
367 match resultado {
368 Ok(resumen) => {
369 let estado = if resumen.formateado {
370 "disco formateado"
371 } else {
372 "grafo montado"
373 };
374 consola.escribir(&format!(
375 "almacen :: {} :: {} sectores :: {} objetos :: raiz {}\n",
376 estado,
377 resumen.capacidad,
378 resumen.objetos,
379 if resumen.raiz { "presente" } else { "ausente" },
380 ));
381 }
382 Err(motivo) => {
383 consola.escribir(&format!("almacen :: fallo :: {motivo}\n"));
384 }
385 }
386 // FASE 6.2 — dejar constancia de la linea de IRQ por la que el disco
387 // anunciara, ya sin sondeo, el fin de cada transferencia.
388 match drivers::disco::irq() {
389 Some(irq) => {
390 consola.escribir(&format!("disco :: virtio-blk en IRQ {irq} -- E/S asincrona\n"))
391 }
392 None => consola.escribir("disco :: IRQ no enrutada -- E/S por sondeo\n"),
393 }
394 consola.presentar();
395}
396
397// =============================================================================
398// PUNTO DE ENTRADA DEL KERNEL
399// =============================================================================
400
401fn kernel_main(boot_info: &'static mut BootInfo) -> ! {
402 traza("kernel_main entrado");
403 // --- 1. Recuperar el framebuffer GOP que el firmware nos confio. ---
404 let framebuffer = match boot_info.framebuffer.as_mut() {
405 Some(fb) => fb,
406 None => detener(),
407 };
408 let info: FrameBufferInfo = framebuffer.info();
409 let formato: PixelFormat = info.pixel_format;
410 let pantalla = Pantalla::adoptar(framebuffer, info);
411 traza("framebuffer adoptado");
412
413 // Datos para la sonda de disco (Fase 6.1b): el offset al que el cargador
414 // mapeo la memoria fisica y la mayor region de RAM libre para el DMA.
415 let offset_fisico = boot_info.physical_memory_offset.into_option();
416 let region_dma = mayor_region_usable(&boot_info.memory_regions);
417 let _ = writeln!(
418 baliza::Serie,
419 "boot :: physical_memory_offset={:#x?} region_dma={:#x?}",
420 offset_fisico,
421 region_dma,
422 );
423
424 // --- 2. Encender la baliza: la red de seguridad visual va primero. ---
425 BALIZA_PANICO.encender(
426 &pantalla,
427 codificar(formato, Color::ALERTA),
428 codificar(formato, Color::OOM),
429 );
430 traza("baliza encendida");
431
432 // --- 3. Cimientos de fallos e interrupciones (Fases 2.0 y 2.1). ---
433 gdt::init();
434 interrupts::init();
435 pic::init();
436 traza("gdt + idt + pic");
437
438 // --- 4. FASE 3 :: fundar el heap. A partir de aqui, `alloc` esta vivo. ---
439 memory::init();
440 traza("heap fundado");
441
442 // --- 5. Con el heap activo, fundar lo que depende de el: el canal de
443 // scancodes, el reloj de fotogramas y la tipografia vectorial. ---
444 async_system::teclado::init();
445 async_system::reloj::init();
446 texto::init();
447 traza("teclado + reloj + texto");
448
449 // --- 6. Construir el lienzo y la consola; pintar el rotulo inicial,
450 // ya rasterizado por fontdue, y publicar la consola globalmente. ---
451 let memoria = match reclamar_memoria_lienzo() {
452 Some(m) => m,
453 None => detener(),
454 };
455 let ancho_lienzo = info.width.min(ANCHO_MAX);
456 let alto_lienzo = info.height.min(ALTO_MAX);
457 let mut lienzo = Lienzo::nuevo(memoria, ancho_lienzo, alto_lienzo, formato);
458 lienzo.limpiar(Color::LIENZO_EN_REPOSO);
459
460 let mut consola = Consola::nueva(lienzo, pantalla);
461 consola.escribir("renaser :: fase 6.2 -- E/S de disco asincrona por interrupcion\n");
462 consola.presentar();
463 CONSOLA.call_once(|| Mutex::new(consola));
464 traza("consola publicada");
465
466 // --- 6.5. FASE 6.1c :: fundar el subsistema de disco y, sobre el, el grafo
467 // de objetos: enumerar el bus PCI, montar el transporte virtio-blk,
468 // y leer o forjar el superbloque del almacen direccionado por
469 // contenido. El kernel adquiere, por fin, una memoria que perdura. ---
470 match (offset_fisico, region_dma) {
471 (Some(offset), Some((inicio, fin))) => {
472 traza("disco :: init");
473 drivers::disco::init(offset, inicio, fin);
474 traza("almacen :: init");
475 informar_almacen();
476 traza("almacen :: listo");
477 }
478 _ => {
479 if let Some(consola) = CONSOLA.get() {
480 let mut consola = consola.lock();
481 consola.escribir("virtio-blk :: omitido -- memoria fisica sin mapear\n");
482 consola.presentar();
483 }
484 traza("disco :: OMITIDO (sin offset/region)");
485 }
486 }
487
488 // --- 6.6. FASE 13 :: despertar el raton PS/2. El 8042 enciende su
489 // dispositivo auxiliar, el raton empieza a reportar, y el PIC
490 // desenmascara su IRQ12. Desde aqui hay un puntero en pantalla,
491 // y los clics pueden alcanzar al compositor.
492 drivers::raton::init(ancho_lienzo, alto_lienzo);
493 traza("raton :: listo");
494
495 // --- 7. FASE 7 :: levantar el reactor y poblar el userspace DESDE EL
496 // GRAFO. El kernel ya no empotra los modulos WASM: lee el
497 // Manifiesto de Genesis que `boot` sembro en la imagen de disco e
498 // instancia cada `EntradaApp` recuperando su bytecode del grafo de
499 // objetos. Las cinco apps de genesis (dos instancias de hello, la
500 // discola, la glotona y la cronista) nacen del disco, no del
501 // binario del kernel.
502 //
503 // Las interrupciones se habilitan AHORA: el temporizador marcara el
504 // compas de los fotogramas y la IRQ del teclado difundira cada
505 // scancode a los canales que las apps consultan. ---
506 let mut ejecutor = Executor::nuevo();
507 traza("ejecutor :: creado");
508 cargar_userspace(&mut ejecutor, ancho_lienzo, alto_lienzo);
509 traza("userspace :: cargado");
510 // FASE 6.2 :: una tarea mas del reactor — no una app WASM— que sondea el
511 // disco de forma ASINCRONA: la demostracion de que la IRQ del disco
512 // conduce la E/S sin detener a las aplicaciones visuales.
513 ejecutor.spawn(tarea_sonda_disco());
514 traza("ejecutor :: arrancando reactor");
515 x86_64::instructions::interrupts::enable();
516 ejecutor.run();
517}