Lyx OS – Systemarchitektur

Diese Seite beschreibt den Aufbau von Lyx OS: die Schichten vom UEFI-Boot bis zum Ring-3-Userspace, das Speicherlayout, die Kernel-Module und die Syscall-Grenze.

→ Übersicht · Syscall-ABI · Kernel-Interna

1. Systemschichten

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│  Ring-3 – Userspace                                 │
│  Anwendungen, Shell — kompiliert mit lyxc            │
│  Interaktion: ausschließlich via SYSCALL-Instruktion │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  Syscall-Gate (Ring-0 / Ring-3 Grenze)              │
│  SYSCALL/SYSRET — rax = Syscall-Nr, rdx = Rückgabe  │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  Ring-0 – Lyx-Kernel (Lyx-Sprache)                  │
│  PMM · VMM · Exceptions/IDT · SMP · Process         │
│  ATA · FAT32 · VFS · Keyboard · Sync                │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  UEFI-Bootloader (NASM, boot.asm)                   │
│  PE32+-Binary — BOOTX64.EFI                         │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  UEFI-Firmware (OVMF)  /  PC-Hardware               │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

2. Boot-Ablauf

Der Bootloader (bootloader/boot.asm, NASM, ~2900 Zeilen) ist ein PE32+-Flat-Binary. UEFI lädt es als BOOTX64.EFI und ruft efi_main(ImageHandle, SystemTable) auf (MS x64 ABI).

Schritte:

  1. Begrüßung über UEFI ConOut
  2. Kernel laden — \\kernel.elf vom UEFI SimpleFileSystem lesen
  3. ELF64 parsen — PT_LOAD-Segmente mappen, BSS nullen
  4. UEFI Memory Map holen, ExitBootServices aufrufen
  5. GDT laden (64-Bit Code 0x08, Data 0x10)
  6. COM1 initialisieren (0x3F8 — serielle Debug-Ausgabe)
  7. SYSCALL-MSR (IA32_LSTAR) auf den Ring-0-Einsprungpunkt setzen
  8. Page Tables aufbauen (Identity-Map 4 GB)
  9. Bump-Allocator ab physisch 0x2000000 (32 MB) initialisieren
  10. Sprung in Kernel-Entry (pub fn main(boot_info_ptr: int64) in kernel.lyx)

3. Speicherlayout

Adressbereich Inhalt
0x0000 – 0x0FFF Null-Page (unmapped, für nil-Checks)
0x1000 – 0x1FFFF Bootloader-Code (PE32+ Text-Section)
0x100000 – 0x1FFFFF Bootloader-Heap / Temporäre Strukturen
0x200000 – ~ Kernel-ELF (PT_LOAD-Segmente)
0x2000000 Bump-Allocator-Basis (Kernel-Heap)
- 4 GB Identity-Map (1:1 physisch ↔ virtuell)
0xFFFF800000000000+ (Zukünftig: höhere Hälfte Kernel-Space)

Page-Größen:

  • Kernel: 2 MB Huge Pages (PDE mit PS-Bit) für die ersten 4 GB
  • Userspace (M5+): 4 KB Seiten für granulare Rechteverwaltung

4. Kernel-Module

Der Kernel besteht aus 11 Lyx-Units, die beim Build einzeln zu .lyu vorkompiliert und dann zu kernel.elf zusammengelinkt werden:

Modul Datei Aufgabe
Exceptions exceptions.lyx IDT (256 Gates), CPU-Fault-Routing, panic/assert
PMM pmm.lyx Physical Memory Manager — Bitmap-basiert, 4 GB, UEFI-Memory-Map als Basis
VMM vmm.lyx Virtual Memory Manager — PML4-Hierarchie, 2 MB Huge Pages, CR3-Operationen
Process process.lyx Prozess-Modell: ProcCreate, ProcActivate
Sync sync.lyx Synchronisations-Primitive (Mutex, Spinlock)
SMP smp.lyx Symmetric Multiprocessing — LAPIC, Trampoline-Code, AP-Startup
ATA ata.lyx ATA-Disk-I/O — Sektorweises Lesen und Schreiben
FAT32 fat32.lyx Vollständige FAT32-Implementierung (~795 Zeilen)
VFS vfs.lyx Virtual-Filesystem-Layer — abstrahiert über FAT32
Keyboard keyboard.lyx Tastatureingabe (PS/2)
Kernel kernel.lyx Einstiegspunkt — initialisiert alle Module in der richtigen Reihenfolge

Initialisierungsreihenfolge in kernel.lyx: 

PMM → VMM → Exceptions/IDT → SMP → ATA → FAT32 → VFS → Keyboard → Ring-3-Jump

5. Syscall-Grenze

Ring-3-Code kommuniziert mit dem Kernel ausschließlich über die SYSCALL-Instruktion (AMD64 Fast Syscall). Kein UIO, kein /proc, kein ioctl-Polymorphismus.

Register-Layout (kurz): 

Eingabe:  rax = Syscall-Nummer   rdi/rsi/rdx/r10/r8/r9 = Argumente
Ausgabe:  rax = Fehlercode (0 = OK)   rdx = Rückgabewert

  • Fehler und Rückgabewert kommen in zwei getrennten Registern — kein Vorzeichentest, kein globales errno.
  • rcx und r11 werden vom SYSCALL-Mechanismus selbst überschrieben und stehen nicht als Argumente zur Verfügung.

→ Vollständige ABI-Spezifikation: Syscall-Referenz

6. Capabilities — alles ist ein fd

Lyx OS kennt keine root-Privileg-Eskalation. Jeder fd ist eine Capability: er kodiert sowohl die Ressource als auch die erlaubten Operationen (Lesen, Schreiben, Mappen, Löschen …). Capabilities können mit sys_cap_restrict nur eingeschränkt, nie erweitert werden.

Designprinzip Konsequenz
Kein Root Kein chmod 4755, kein sudo-Äquivalent
CLOEXEC by default Neue fd werden nicht über sys_spawn vererbt — opt-in mit O_INHERIT
Ein fd-Typ fd für Dateien, Sockets, Prozesse, AI-Sessions sind konzeptuell gleich
Alle Pfad-Syscalls nehmen dir_fd AT_CWD als Default — keine TOCTOU-Lücken durch absolute Pfade

Letzte Aktualisierung: 2026-06-09