用 Zig 从零实现 RISC-V 操作系统内核：从 Boot 到进程调度

前言

在 Rust 之后，系统编程领域迎来了另一位新选手：Zig。与 Rust 强调所有权和借用不同，Zig 走了一条更贴近 C 的路线 — 不提供 GC、没有隐式分配、没有运算符重载，全部控制在编译器可见范围内。这使得它在裸机（bare-metal）编程场景下拥有独特的表达力。

本文将以 RISC-V 64 位体系结构为靶板，用 Zig 从零搭建一个最小可运行的操作系统内核，完整覆盖：

• RISC-V M-mode 启动流程与 OpenSBI 启动器交互
• 从 M-mode 切换到 S-mode 的内核入口设置
• 串口驱动（UART 16550a）实现早期输出能力
• Sv39 三级页表的建立与内核空间映射
• SBI（ Supervisor Binary Interface）调用规范与定时器中断
• 简单 Round-Robin 进程调度器

所有代码基于 Zig 0.13.x QEMU virt 机器模型，可在本地复现。

一、为什么选 Zig 做内核开发

Zig 在裸机编程上的优势可以归结为三点：

1. comptime 完全替代 C 宏

C 内核中充斥着 #define 和复杂的预处理逻辑。Zig 的 comptime 机制允许类型安全的编译期计算，错误信息在编译阶段就足够清晰：

// 编译期计算页表索引
pub fn pageTableIndex(virt: u64, level: u32) u9 {
    const shift = 12   @as(u6, level) * 9;
    return @truncate((virt