커널 기본 요소 (std::kernel)

std/kernel/은 작은 커널이나 하이퍼바이저를 처음부터 작성하기 위한 구성 요소 — 물리 메모리 할당, 페이지 테이블과 MMU 컨텍스트, 프로세스 제어 블록, 라운드 로빈 스케줄러, IPC 메일박스, 시스템 콜 디스패치 — 를 제공한다. 모두 프리스탠딩 환경에서 안전하며, 단일 주소 공간을 위한 펌웨어를 작성한다고 가정하는 std::hal/ std::interrupt보다 더 저수준으로, 여러 개의 주소 공간을 관리하는 데 쓰인다.

#include <std/kernel/frame.h>
#include <std/kernel/process.h>
#include <std/kernel/scheduler.h>

static struct FrameAllocator frames;

void kernel_setup() {
    frames.init(1024);              // 1024개의 4K 프레임 = 4 MiB 추적
    long long f = frames.alloc();   // OOM 시 -1

    struct PCB p = std::pcb_init(1, 0x1000, 0x8000, 0);   // pid, entry, sp, page_table
    struct Scheduler sched = std::sched_init();
    unsafe { sched.spawn_proc(&p); }
    int next = sched.next();        // 우선순위가 가장 높은 READY 프로세스 인덱스
}

물리 프레임 얼로케이터 (kernel/frame.h)

FrameAllocator는 4 KiB 프레임 단위의 비트맵 얼로케이터다 (FRAME_BITMAP_SIZE = 4096 워드 = 131072개 프레임 = 인스턴스 하나당 512 MB 추적). init(n), alloc()(프레임 번호, OOM 시 -1), free(frame), is_used(frame), mark_range(start, count)(범위를 미리 예약 — 예를 들어 커널 이미지 자체), free_count().

페이징 (kernel/paging.h)

PageEntry(64비트 원시 엔트리 하나: 비트 [63:12]에 물리 프레임 번호, 비트 [11:0]에 플래그)와 PageTable(이를 512개 담는 테이블). 플래그: PAGE_PRESENT, PAGE_WRITABLE, PAGE_USER, PAGE_WRITE_THRU, PAGE_NO_CACHE, PAGE_ACCESSED, PAGE_DIRTY, PAGE_HUGE. PageTable 메서드: init(), map(idx, phys_addr, flags), unmap(idx), is_present(idx), get_phys(idx), get_flags(idx), set_flags(idx, flags).

MMU 컨텍스트 (kernel/mmu.h)

MmuContext는 paging.h + frame.h 위에 구축된 완전한 2단계 (Sv30 스타일: 9+9+12비트, 컨텍스트당 1 GiB 주소 공간) 가상 메모리 컨텍스트다 — mmu_init(root, frames)에서 root는 0으로 초기화된, 4 KiB 정렬된 물리 페이지 테이블 주소이고 frames는 살아 있는 FrameAllocator다. map(virt, phys, flags)(필요하면 frames에서 L2 프레임을 할당), unmap(virt), walk(virt, &stack phys_out)(수정 없이 해석), tlb_flush_all()/tlb_flush_page(virt), 그리고 activate() — 마지막 세 함수는 각각 내부적으로 아키텍처별로 디스패치된다(x86-64: CR3/invlpg; RISC-V: sfence.vma/satp; AArch64: TTBR0_EL1/ TLBI).

프로세스 제어 블록 (kernel/process.h)

PCB — pid, state(PROC_READY/PROC_RUNNING/PROC_BLOCKED/ PROC_ZOMBIE), priority, 저장된 stack_ptr/pc, page_table(물리 루트 주소), parent_pid, exit_code. pcb_init(pid, entry, sp, page_table); 메서드 set_state, set_priority, save_context(sp, pc), exit(code)(PROC_ZOMBIE로 전이).

스케줄러 (kernel/scheduler.h)

Scheduler — 최대 SCHED_MAX_PROCS(256)개의 PCB에 대한 우선순위 기반 라운드 로빈. sched_init(); spawn_proc(&stack PCB)(인덱스 반환, 가득 찼으면 -1), next()(우선순위가 가장 높은 READY 프로세스 선택), yield()(현재 프로세스를 READY로 표시하고 다음 프로세스 선택), block_current(), unblock(idx), remove(idx)(좀비 회수), ready_count().

IPC 메일박스 (kernel/ipc.h)

Mailbox(mailbox_init(owner_pid)로 생성) — 고정 용량 (MAILBOX_CAPACITY = 64개 메시지, MSG_MAX_SIZE = 256바이트 페이로드) 메시지 큐. send(sender_pid, type, payload, size), recv(&stack Message out), peek(&stack Message out)(비파괴적), has_msg(), length(), clear().

시스템 콜 테이블 (kernel/syscall.h)

SyscallTable(syscall_init()로 생성) — 시그니처가 long long(long long, long long, long long)인 핸들러를 최대 SYSCALL_MAX(256)개까지 등록. register_(num, handler)/ unregister_(num)(끝의 밑줄: register는 C 키워드이므로), dispatch(num, arg0, arg1, arg2)(핸들러의 결과를 반환하며, 등록되지 않았으면 -1), is_registered(num).