一个简易64位操作系统的设计与实现——开发环境搭建

硬件环境

对于不同的硬件环境，会有不同的配置。以下是我所使用的硬件：

• 开发机器：MacBook Pro 16英寸(2019)，CPU: i9-9880H，64GB内存
• 目标机器：Raspberry Pi 5，CPU: Broadcom BCM2712，16GB内存

软件环境

编译工具

我的开发机器是MacOS x86_64架构，而目标机器是Arm64架构，因此需要使用交叉编译工具链来编译操作系统。
这里使用的是Arm GNU Toolchain 14.2.rel1，下载地址在这里。

打开页面会看到很多版本，这里对版本名称说明一下：

• AArch64: 表示这是一个64位的Arm架构工具链，编译产物是 64 位的。
• AArch32: 表示这是一个32位的Arm架构工具链，编译产物是 32 位的。
• bare-metal target: 表示这是一个针对bare-metal（裸机）的交叉编译工具链，不包含任何操作系统相关的代码。也就是说，编译出来的代码可以直接运行在裸机上，而不需要依赖任何操作系统。
• Linux: 表示这是一个针对Linux操作系统的交叉编译工具链，也就是说你可以直接使用Linux系统调用和头文件。
• hard float: 表示这是一个支持硬件浮点运算的交叉编译工具链。硬件浮点运算表示 CPU 包含 FPU（浮点运算单元），可以直接进行浮点运算，而不需要软件模拟。
• eabi: 表示这是一个符合EABI标准的交叉编译工具链。
• elf: 表示这是一个生成ELF格式的可执行文件的交叉编译工具链。ELF（Executable and Linkable Format）是一种可执行文件格式，广泛用于Unix和类Unix操作系统。

由于我本机安装了brew，因此可以使用以下命令来安装交叉编译工具链：

brew install gcc-aarch64-embedded

这里的 gcc-aarch64-embedded 是brew平台的包名，可以使用如下命令查看包的详细信息。

brew info gcc-aarch64-embedded

我在这里犯了一个错误，下载了 Linux 版本。
开机上电以后，还没有进入操作系统，所以没有任何系统相关的操作，所以需要的是裸机版本的交叉编译工具链。不能使用 Linux 版本的交叉编译工具链，而是使用 bare-metal target 版本。

开发工具

我的 JetBrains All Products Pack 订阅在 2025 年 7 月到期了，然后没有续费。
2019 年的 MacBook Pro 16 英寸的配置似乎已经不太支撑 JetBrains 的 IDE 了，打开以后发热严重，电池续航也大幅下降.
所以我决定使用 Vim 做开发工具，最后选择了 Neovim + LazyVim 的组合。
LazyVim 是一个基于 Neovim 的配置框架，提供了很多开箱即用的功能，可以大大提高开发效率。
我现在使用它编写 C 和 C# 代码，感觉非常不错。这里我分享一下我的配置文件，供大家参考。
LazyVim配置
使用 Vim 需要有极大的耐心，因为它的学习曲线非常陡峭，基本都是快捷键操作。但是，当你一旦掌握了它的使用方法，就会发现它的强大和灵活性。

模拟工具

你需要一个模拟器来测试你的操作系统代码。这里用的是模拟器而不是虚拟机，原因在于模拟器可以模拟不同 CPU 架构的硬件，而虚拟机通常只能虚拟化相同 CPU 架构的硬件。这也是模拟器和虚拟机的最大区别。
我选择了一个开源的、功能强大的、跨平台的、支持多种 CPU 架构的老牌模拟器 QEMU。QEMU 可以模拟多种 CPU 架构，包括 x86_64、Arm、RISC-V 等等。
使用 brew 安装：

brew install qemu

针对 Raspberry Pi 5（16GB） 的硬件图解

我在 2016 年买过一块 Raspberry Pi 3 model B，用来编写一些硬件相关的程序以及实验一下 MES （Manufacturing Execution System）相关的东西。但那块 Raspberry Pi 3 现在已经不见了。
所以我决定买一块 Raspberry Pi 5 (16GB) 来作为我的操作系统的目标机器。下图是对 Raspberry Pi 5 (16GB) 硬件的图解，主要是为了方便后续的操作系统开发。

通过一些比对，我发现 Pi 5 和 Pi 3 硬件有很大的不同，这些不同也会影响到操作系统的设计和实现，我会在以后的文章中详细介绍这些不同之处。随着硬件性能的提升，Pi 5 的电源功率需求也越来越大，我还购买了一个配套的风扇来帮助散热，长这样。